基于表面等離子體共振的新型超寬帶微結(jié)構(gòu)光纖傳感器研究*

丁子平 廖健飛 曾澤楷

(贛南師范大學(xué)物理與電子信息學(xué)院, 贛州 341000)

基于表面等離子體共振的微結(jié)構(gòu)光纖傳感器具有高靈敏、免標(biāo)記和實(shí)時(shí)監(jiān)控等優(yōu)點(diǎn).如今, 由于此類傳感器廣泛應(yīng)用于食品安全控制、環(huán)境檢測(cè)、生物分子分析物檢測(cè)等諸多領(lǐng)域而受到大量研究.然而, 目前所報(bào)道的絕大多數(shù)此類傳感器只能應(yīng)用于可見(jiàn)光或近中紅外傳感.因此, 對(duì)可應(yīng)用于中紅外傳感的表面等離子體共振微結(jié)構(gòu)光纖傳感器的研究是一項(xiàng)極具挑戰(zhàn)性的工作.基于此, 本文設(shè)計(jì)了一種可以工作在近紅外和中紅外區(qū)域的新型高靈敏表面等離子體共振微結(jié)構(gòu)光纖傳感器.傳感器采用雙芯單樣品通道結(jié)構(gòu), 該結(jié)構(gòu)不僅可以消除相鄰樣品通道間的相互干擾和提高傳感器的信噪比, 還可以在超寬帶波長(zhǎng)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高靈敏檢測(cè).采用全矢量有限元法對(duì)其傳感特性進(jìn)行了系統(tǒng)的研究, 研究結(jié)果表明: 當(dāng)待測(cè)樣品折射率分布在1.423—1.513 范圍內(nèi)時(shí), 傳感器不僅可以在1.548—2.796 μm 的超寬帶波長(zhǎng)范圍內(nèi)進(jìn)行工作, 而且其平均靈敏度高達(dá)13964 nm/RIU.此外, 傳感器的最高波長(zhǎng)靈敏度和折射率分辨率分別為17900 nm/RIU, 5.59 × 10–7 RIU.

1 引 言

痕量檢測(cè)是一種檢測(cè)物質(zhì)含量在百萬(wàn)分之一以下的分析檢測(cè)方法, 它在安全生產(chǎn)、生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境檢測(cè)、國(guó)防科技等眾多領(lǐng)域都有極為重要的應(yīng)用[1?3].因此, 對(duì)高精度、超靈敏的痕量檢測(cè)技術(shù)的研發(fā)已變得至關(guān)重要, 而基于微結(jié)構(gòu)光纖(microstructured fiber, MF)表面等離子體共振(surface plasmon resonance, SPR)的傳感技術(shù), 由于其大動(dòng)態(tài)測(cè)量范圍、超高靈敏度及適用于各種惡劣環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)已成為該領(lǐng)域最具潛力的發(fā)展方向之一.其基本原理是輸入光在MF 和金屬交界面處產(chǎn)生的倏逝波會(huì)引發(fā)自由電子相干振蕩而產(chǎn)生表面等離子體波.當(dāng)倏逝波與表面等離子體激元(surface plasmon polaritons, SPP)產(chǎn)生共振時(shí), 能量會(huì)從光子轉(zhuǎn)移到表面等離子體中, 這樣等離子體波就可以吸收入射光的大部分能量, 從而導(dǎo)致檢測(cè)到的反射光強(qiáng)會(huì)形成一個(gè)損耗峰值, 最后通過(guò)測(cè)量共振波長(zhǎng)或損耗峰的位置來(lái)檢測(cè)分析物質(zhì)的屬性.如今, SPR-MF 傳感器已成為痕量檢測(cè)領(lǐng)域內(nèi)的研究熱點(diǎn)[4].

SPR-MF 傳感器最先由Hassani 和Skorobogatiy 在2006 年提出[5], 研究發(fā)現(xiàn)該傳感器的波長(zhǎng)靈敏度與折射率分辨率分別為984 nm/RIU 和8 ×10–5.隨后, 各種結(jié)構(gòu)新穎性能優(yōu)越的SPR-MF傳感器不斷被提出.如早在2010 年, Yu 等[6]提出了一種可工作在可見(jiàn)光區(qū)域范圍內(nèi)的選擇性鍍金屬層SPR-MF 傳感器, 該傳感器實(shí)現(xiàn)了高達(dá)5500 nm/RIU 的波長(zhǎng)靈敏度.到了2013 年, Shuai 等[7]提出了一種雙通道近紅外SPR-MF 傳感器.該傳感器在自參考模式下的平均靈敏度為7533 nm/RIU,而在同時(shí)測(cè)兩種待測(cè)樣品模式下的最高靈敏度則高達(dá)10200 nm/RIU.在2014 年, Otupiri 等[8]提出了一種可用于可見(jiàn)光區(qū)域范圍內(nèi)的新型開(kāi)槽型SPR-MF 傳感器, 其x偏振模和y偏振模的折射率分辨率分別為5 × 10–5RIU、6 × 10–5RIU.2015 年,Liu 等[9]提出了一種可工作在可見(jiàn)光區(qū)域范圍內(nèi)的多芯多孔銀膜SPR-MF 傳感器.研究表明該傳感器的平均靈敏度為4500 nm/RIU.2017 年, Huang[10]提出了一種D 型近紅外SPR-MF 傳感器.該傳感器可以實(shí)現(xiàn)單偏振模傳感, 且其平均波長(zhǎng)靈敏度高達(dá)6000 nm/RIU.為了能擴(kuò)大此類傳感器的應(yīng)用范圍, Chen 等[11]在2018 年設(shè)計(jì)了一種新型中紅外SPR-MF 傳感器.該傳感器的波長(zhǎng)靈敏度最高可達(dá)11055 nm/RIU.到了今年, Li 等[12]提出了一種H 型SPR-MF 傳感器, 其最大靈敏度可達(dá)12600 nm/RIU.綜上所述, 現(xiàn)在所報(bào)道的SPR-MF 傳感器通常只能工作在可見(jiàn)光和近紅外區(qū)域, 很少能工作在中紅外區(qū)域, 而同時(shí)能工作在近紅外和中紅外區(qū)域的SPR-MF 傳感器至今尚未見(jiàn)報(bào).

為了進(jìn)一步擴(kuò)大SPR-MF 傳感器的應(yīng)用范圍,本文提出了一種鍍氧化銦錫(indium tin oxide, 記為ITO)的雙芯單通道SPR-MF 傳感器.利用全矢量有限元法, 系統(tǒng)研究了傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)和待測(cè)樣品折射率對(duì)其傳感特性的影響.研究發(fā)現(xiàn): 該傳感器的平均靈敏度、最大靈敏度和折射率分辨率分別 高 達(dá)13964 nm/RIU, 17900 nm/RIU, 5.59 ×10–7RIU.此外, 該傳感器還可以同時(shí)工作在近紅外和中紅外區(qū)域.

2 傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

我們所設(shè)計(jì)的SPR-MF 傳感器的結(jié)構(gòu)如圖1所示.該雙芯MF 包含3 層按正三角形晶格排列的空氣孔, 其晶格常數(shù)為Λ, 空氣孔直徑為d2.光纖的兩個(gè)纖芯位于第2 層空氣孔的相應(yīng)位置, 并分別標(biāo)記為1 和2.為了能夠更好地調(diào)節(jié)纖芯基模的模有效折射率, 使傳感器能夠在更寬的波長(zhǎng)范圍內(nèi)進(jìn)行工作, 我們?cè)诶w芯的中心區(qū)域引入了2 個(gè)填充待測(cè)樣品的小孔, 其直徑為d3.此外, 為了提高傳感器的信噪比和消除樣品通道間的串?dāng)_, 該光纖的中心區(qū)域只有1 個(gè)直徑為d1, 內(nèi)表面鍍ITO(厚度為t)的大圓形空氣孔用來(lái)作為待測(cè)樣品的傳感通道.na為待測(cè)樣品的折射率, 其值在1.423—1.513 之間; 空氣的折射率為1.光纖的襯底材料為SiO2,其折射率由Sellmeier 方程計(jì)算可得[13]:

圖1 SPR-MF 傳感器的橫截面示意圖Fig.1.Cross section of the proposed multi-core PCF sensor based on SPR.

其中:λ為入射光波長(zhǎng).ITO 作為等離子體材料,其相對(duì)介電常數(shù)ε可以由Drude 模型計(jì)算獲得[14]:

其中:ε∞= 3.9;ωp為等離子體頻率;ω為角頻率;Г為電子散射率,Г= 1.8 × 1014rad/s;m*為電子的有效質(zhì)量,m* = 0.35m0,m0= 9.1 × 10–31kg為電子質(zhì)量;n為ITO 的載流子濃度,n= 1.8 ×1021cm–3;e為電子電荷.

3 仿真結(jié)果與討論

利用全矢量有限元法[15], 我們首先研究了雙芯SPR-MF 傳感器的模式共振特性, 研究發(fā)現(xiàn)X 偏振基模無(wú)法有效的與SPP 模進(jìn)行耦合共振.基于此, 本文只研究Y 偏振基模與SPP 模之間的共振特性, 具體研究結(jié)果由圖2 給出.其中傳感器的損耗α計(jì)算表達(dá)式為[16]:其中, I m(neff) 為模有效折射率的虛部.光纖的結(jié)構(gòu)參數(shù)為:Λ= 2 μm,d1= 2 μm,d2= 1 μm,d3=0.5 μm,t= 50 nm,na= 1.423.從圖2(a)中可以看出: 在短波長(zhǎng)處, SPP 模的模有效折射率實(shí)部比Y 偏振模的要大, 但隨著波長(zhǎng)的增大, 兩模的模有效折射率都會(huì)逐漸減小, 并且它們之間的差值也在逐漸減小.當(dāng)波長(zhǎng)增大到1.548 μm 時(shí), SPP 模和Y 偏振模的模有效折射率相等, 即滿足了兩模的耦合共振條件.從該圖中的電場(chǎng)分布插圖可以清晰的看出SPP 模和Y 偏振模之間的耦合共振特性.如在波長(zhǎng)1.46 μm 處, 由于不滿足耦合共振條件, SPP模和Y 偏振模的能量分別被限制在芯區(qū)和金屬層表面.然而, 隨著波長(zhǎng)的增大, Y 偏振模的能量會(huì)逐漸耦合到SPP 模中, 并在波長(zhǎng)1.548 μm 處, 兩模實(shí)現(xiàn)耦合共振, 此時(shí)兩模的能量分布幾乎一樣.當(dāng)波長(zhǎng)進(jìn)一步增大到1.66 μm 時(shí), Y 偏振模的能量又會(huì)因?yàn)椴粷M足耦合條件而返回纖芯區(qū)域.圖2(b)給出了SPP 模和Y 偏振模的損耗特性.從此圖可以看出: 在整個(gè)仿真波長(zhǎng)范圍內(nèi), SPP 模的損耗先減小后增大, 而Y 偏振模的損耗卻先增大后減小,并且在共振波長(zhǎng)1.548 μm 處, 兩模的損耗會(huì)相等,這也就意味著我們所設(shè)計(jì)的傳感器能滿足損耗匹配條件, 實(shí)現(xiàn)完全耦合, 使SPP 模和Y 偏振模之間的耦合達(dá)到最佳狀態(tài).此外, 除了耦合共振點(diǎn),SPP 模的損耗都要大于Y 偏振模的損耗.

圖2 (a) Y 偏振模與SPP 模的色散 曲線; (b) Y 偏振模與SPP 模的損耗曲線Fig.2.(a) The dispersion curve of Y-polarized mode and SPP mode; (b) the loss curve of Y-polarized mode and SPP mode.

接下來(lái)我們研究了待測(cè)樣品折射率na對(duì)傳感器共振特性的影響, 其仿真結(jié)果如圖3 所示.光纖的其他結(jié)構(gòu)參數(shù)為:Λ= 2 μm,d1= 2 μm,d2=1 μm,d3= 0.5 μm,t= 50 nm.從圖3(a)可以看出: 當(dāng)na從1.423 增大到1.513 時(shí), 其耦合波長(zhǎng)會(huì)產(chǎn)生紅移, 對(duì)應(yīng)的共振波長(zhǎng)從1.548 μm 增加到2.796 μm.其主要原因是SPP 模的模有效折射率會(huì)隨著na的增大而增大, 而Y 偏振模的基本不變,從而導(dǎo)致兩模式之間的耦合共振波長(zhǎng)產(chǎn)生紅移.此外, 傳感器的損耗峰值會(huì)隨著na的增大而減小.其原因是當(dāng)na增大時(shí), SPP 模與Y 偏振模之間的能量耦合減弱, 使從Y 偏振模轉(zhuǎn)移至SPP 模的能量減小, 進(jìn)而導(dǎo)致Y 偏振模的損耗變小.圖3(b)為共振波長(zhǎng)與na的線性擬合曲線, 其擬合方程為:λ(μm)=13.964na?18.384.該方程的斜率就是傳感器在該探測(cè)范圍內(nèi)的平均靈敏度, 所以其平均靈敏度為13964 nm/RIU.為了能夠更好的研究傳感器的靈敏度, 我們還計(jì)算了單個(gè)波長(zhǎng)靈敏度Sλ.其計(jì)算公式如下[17,18]:

圖3 當(dāng)na 從1.423 增加到1.513 時(shí), (a) Y 偏振模的損耗曲線和共振波長(zhǎng)與(b)na 的線性擬合曲線Fig.3.(a) Loss curve of Y-polarized mode and (b) linear fitting line of the resonance wavelength versus na by changing na from 1.423 to 1.523.

式中, Δλpeak為共振波長(zhǎng)的變化量, Δna為na的變化量.從圖3(b)可以看出: 當(dāng)na= 1.503 時(shí), 其共振波長(zhǎng)為2.617 μm, 而當(dāng)na增大到1.513 時(shí), 共振波長(zhǎng)變?yōu)?.796 μm, 通過(guò)(5)式計(jì)算可得此時(shí)傳感器的最大靈敏度為17900 nm/RIU.該靈敏度遠(yuǎn)大于其他多芯SPR-MF 傳感器[19?21].若探測(cè)器的波長(zhǎng)分辨率為0.01 nm 時(shí), 則傳感器的折射率分辨率高達(dá)5.59 × 10–7.

最后, 為了進(jìn)一步分析光纖結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)傳感器傳感性能的影響, 我們重點(diǎn)研究了金屬膜厚度t和填充樣品小孔直徑d3對(duì)傳感器損耗特性及波長(zhǎng)靈敏度的影響.

圖4 為不同金屬膜厚度下傳感器的Y 偏振模損耗曲線.光纖的其他結(jié)構(gòu)參數(shù)為:Λ= 2 μm,d1= 2 μm,d2= 1 μm,d3= 0.5 μm,na= 1.423.由此圖可以發(fā)現(xiàn): 隨著鍍膜厚度的增加, 傳感器的共振波長(zhǎng)向長(zhǎng)波長(zhǎng)方向移動(dòng).如當(dāng)ITO 的厚度分別為40 nm, 45, 50, 55, 60 nm 時(shí), 傳感器所對(duì)應(yīng)的共振波長(zhǎng)分別為1.423, 1.493, 1.548, 1.599,1.645 μm.類似的現(xiàn)象也可以從其他SPR-MF 傳感器中看到[22,23].其原因是ITO 厚度的增大使得SPP 模的模有效折射率也增大, 而Y 偏振模的模有效折射率卻幾乎不受影響, 進(jìn)而導(dǎo)致共振波長(zhǎng)發(fā)生紅移.此外, 當(dāng)ITO 的厚度從40 nm 增大到60 nm 時(shí), Y 偏振基模的損耗峰值幾乎沒(méi)有變化.因此, 我們可以通過(guò)合理調(diào)節(jié)ITO 的厚度來(lái)提高傳感器的傳感性能.

圖5 為d3對(duì)Y 偏振模損耗的影響.光纖的其他結(jié)構(gòu)參數(shù)為:Λ= 2 μm,d1= 2 μm,d2= 1 μm,t= 50 nm,na= 1.423.從此圖可以看出: 隨著小孔直徑的變大, Y 偏振模的共振波長(zhǎng)向長(zhǎng)波長(zhǎng)移動(dòng), 但損耗峰值基本不變.如當(dāng)d3分別為0.3, 0.4,0.5, 0.6, 0.7 μm 時(shí), 傳感器所對(duì)應(yīng)的共振波長(zhǎng)分別為1.538, 1.542, 1.548, 1.555, 1.563 μm.這是因?yàn)樾】字睆降脑龃笾粫?huì)影響Y 偏振基模的模有效折射率, 使其模有效折射率減小, 進(jìn)而導(dǎo)致耦合波長(zhǎng)產(chǎn)生紅移.

圖4 ITO 厚度對(duì)Y 偏振模損耗的影響Fig.4.Influence of the thickness of ITO film on the loss of Y-polarized mode.

圖5 d3 對(duì)Y 偏振模損耗的影響Fig.5.The influence of d3 on the loss of Y-polarized model.

為了更好的分析光纖結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)傳感器傳感性能的影響, 我們還研究了t和d3對(duì)傳感器靈敏度的影響.圖6(a)給出了t對(duì)傳感器靈敏度的影響.光纖的其他結(jié)構(gòu)參數(shù)為:Λ= 2 μm,d1= 2 μm,d2= 1 μm,d3= 0.5 μm.從圖6(a)可以發(fā)現(xiàn): 當(dāng)ITO 厚度從40 nm 增大到50 nm 時(shí), 傳感器的波長(zhǎng)靈敏度保持不變.這是因?yàn)楫?dāng)ITO 厚度在40—50 nm 之間變化時(shí), SPP 模與Y 偏振模之間的耦合效率并不會(huì)受其影響[16].然而, 當(dāng)ITO 厚度從50 nm 增大到60 nm 時(shí), 對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)靈敏度會(huì)隨之從9200 nm/RIU 減小到9000 nm/RIU.這也就意味著SPP 模和Y 偏振模之間的耦合效率變差了.從圖6(b)中可以看出: 當(dāng)小孔直徑d3從0.3 μm增大到0.7 μm 時(shí), 傳感器的靈敏度直接從9600 nm/RIU 減小到8600 nm/RIU.這說(shuō)明SPP 模與Y 偏振模之間的耦合效率會(huì)隨著d3的增大而減小.此時(shí)光纖的其他結(jié)構(gòu)參數(shù)為:Λ= 2 μm,d1= 2 μm,d2= 1 μm,t= 50 nm.

圖6 當(dāng)na 由1.423 增大到1.433 時(shí), 結(jié)構(gòu)參數(shù)t 和d3 對(duì)波長(zhǎng)靈敏度的影響 (a)結(jié)構(gòu)參數(shù)t; (b) d3Fig.6.The influence of fiber parameters t and d3 on the wavelength sensitivity with na increasing from 1.423 to 1.433: (a) Fiber parameters t; (b) d3.

4 結(jié) 論

利用MF 的多孔結(jié)構(gòu), 設(shè)計(jì)了一種可工作在近紅外和中紅外區(qū)域的新型SPR-MF 傳感器.采用全矢量有限元法對(duì)其傳感性能進(jìn)行了系統(tǒng)的研究, 研究發(fā)現(xiàn): 該傳感器只能實(shí)現(xiàn)Y 偏振模與SPP 模之間的耦合共振, 且當(dāng)待測(cè)樣品折射率處于1.423—1.513 范圍內(nèi)時(shí), 傳感器的平均靈敏度、最大靈敏度和折射率分辨率分別高達(dá)13964 nm/RIU,17900 nm/RIU, 5.59 × 10–7RIU.因此, 我們所設(shè)計(jì)的SPR-MF 傳感器在安全生產(chǎn)、藥物篩選、環(huán)境檢測(cè)等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用前景.