多芯光纖端面上對稱耦合雙環(huán)微腔氣體傳感特性研究＊

趙慶玲，馮勝飛

（首都師范大學(xué)物理系，北京 100048）

0 引 言

超低損耗光纖的發(fā)明促進(jìn)了通信、激光和成像等眾多領(lǐng)域的快速發(fā)展.由于光纖具有良好的柔韌性、抗電磁干擾性能和遠(yuǎn)距離傳輸性能，使得其在傳感方面具有很大的優(yōu)勢，形成了光纖傳感研究領(lǐng)域.研究人員嘗試將不同的材料和結(jié)構(gòu)集成到光纖，根據(jù)傳感元件與光纖的結(jié)合方式，可將光纖傳感分為3類：內(nèi)部結(jié)合、側(cè)面結(jié)合和端面結(jié)合.其中端面結(jié)合是將光纖端面作為光耦合平臺，將物理、化學(xué)或生物功能性材料整合到光纖端面上進(jìn)行集成，從而實現(xiàn)性能優(yōu)異的光纖傳感器件［1-5］.這種結(jié)合方式制成的器件具有體積小、攜帶方便和功能多樣化等特點.目前，研究人員已將金屬同心納米環(huán)［6］、銀納米薄膜［7］、雜化金屬介電結(jié)構(gòu)［8］和法-珀腔［9］等集成到光纖端面上.

在眾多光學(xué)傳感結(jié)構(gòu)中，回音壁微腔因其具有高品質(zhì)因子、模式體積小、高傳感靈敏度［10］、制備方便和易于集成等優(yōu)點，在高靈敏度傳感器［11-13］、高效濾波器［14］、非線性光學(xué)［15-16］和量子光機(jī)械效應(yīng)［17］等方面有巨大的應(yīng)用潛力，引起了眾多研究人員的重視.但是，傳統(tǒng)的回音壁模式微腔的激發(fā)方式和檢測裝置較為復(fù)雜，在實際應(yīng)用中不是很靈活.將回音壁微腔直接集成到光纖中或光纖端面上，可以有效解決這一問題.

本研究是3D雙光子光刻技術(shù)在光纖端面上的應(yīng)用拓展.在實驗過程中，通過雙光子三維激光直寫技術(shù)，將光刻膠材料固化在光纖端面上，制成微棱柱、微棱鏡、微椎體、微納波導(dǎo)和微環(huán)結(jié)構(gòu)，通過觀測微環(huán)腔中的回音壁模式對不同濃度可揮發(fā)有機(jī)物蒸氣的響應(yīng)，實現(xiàn)濃度的精確測量.

1 器件設(shè)計與傳感機(jī)制

對稱雙環(huán)微腔結(jié)構(gòu)如圖1所示.以七芯光纖上關(guān)于中心纖芯對稱的2個纖芯作為微納波導(dǎo)的耦合光輸入與輸出端口.整個結(jié)構(gòu)由一對微棱柱、一對微棱鏡、一對微錐體、一根微納波導(dǎo)以及對稱分布在微納波導(dǎo)兩側(cè)的一對微環(huán)形結(jié)構(gòu)組成，其中微環(huán)由薄壁圓臺支撐，圓臺底部開孔，方便后續(xù)制備中圓臺內(nèi)部的光刻膠流出.所用七芯光纖的纖芯直徑為6.0 μm，微棱柱底面邊長設(shè)計為8.0 μm的正方形，可以有效減少光從光纖端面進(jìn)入微棱柱時的光損耗，且可以對微棱鏡、微錐體及波導(dǎo)整體起到支撐作用.微棱鏡底角為45.0°，光刻膠材料折射率約為1.52，滿足全反射條件，可將大部分光反射到垂直入射方向上.為減少光從微棱鏡進(jìn)入微納波導(dǎo)時的光損耗并滿足絕熱條件［18］，微錐體的錐角大小設(shè)計為66.8°.微環(huán)腔設(shè)計為中心高度處半徑較大，向上下邊緣逐漸收縮的形式，這樣有利于激發(fā)回音壁模式.光在微腔結(jié)構(gòu)中傳播及回音壁模式激發(fā)方式如圖1紅色部分所示.2個纖芯之間通過微棱柱、微棱鏡、微錐體及微納波導(dǎo)連通.當(dāng)光經(jīng)過環(huán)形微腔所在位置時，微納波導(dǎo)表面的倏逝波會進(jìn)入環(huán)形微腔中.

圖1 對稱雙環(huán)微腔設(shè)計

根據(jù)相位匹配條件，可得環(huán)形微腔的諧振條件為 2πR·neff=mλ，式中：R為微腔半徑，neff為微腔有效折射率，m為角向模式數(shù)，λ表示諧振波長.微腔由有機(jī)高分子材料IPL-780制成，在不同的氣體環(huán)境中，材料吸附有機(jī)分子后發(fā)生溶脹，其有效折射率和半徑都會發(fā)生變化，共振波長隨之改變.通過對共振模式強(qiáng)度和位置變化的觀察，可以判斷氣體環(huán)境的變化，這就是環(huán)形光刻膠微腔對氣體傳感的物理機(jī)制.

2 耦合微腔回音壁共振模式數(shù)值分析

采用Lumerical FDTD Solutions軟件對微腔結(jié)構(gòu)的光學(xué)特性進(jìn)行二維仿真模擬.為了突出雙環(huán)耦合微腔與單個環(huán)的不同，將不同耦合間距下雙環(huán)微腔的回音壁共振特性與單環(huán)情況進(jìn)行對比，波長在1 520.00～1 570.00 nm的透射光譜的模擬結(jié)果如圖2所示.d0表示單環(huán)情況下微環(huán)與微納波導(dǎo)的間距，d1和d2表示雙環(huán)情況下左右兩側(cè)微環(huán)與微納波導(dǎo)的間距.模擬中環(huán)與微納波導(dǎo)之間的距離取值為0.1～0.8 μm，從下向上每次增加 0.1 μm.由圖 2（b）可知，當(dāng)環(huán)與波導(dǎo)之間的距離增大時，共振模式的品質(zhì)因子（Q）逐漸增大，但調(diào)制深度在0.5 μm處達(dá)到最大.環(huán)與波導(dǎo)間距在0.1～0.5 μm逐漸增大時，共振波長逐漸紅移，這是由于環(huán)與波導(dǎo)間距增大，有效光程變大，共振波長變大.繼續(xù)增大環(huán)與波導(dǎo)間距時，該間距變化與整個光程相比較小，共振模式的位置幾乎不再發(fā)生變化.根據(jù)模擬結(jié)果分析可知，環(huán)與波導(dǎo)的間距影響回音壁模式共振的品質(zhì)因子，而當(dāng)環(huán)與波導(dǎo)間距達(dá)到最佳耦合時，共振模式的調(diào)制深度達(dá)到最大.

圖2 微腔回音壁共振模式透射光譜模擬

環(huán)與波導(dǎo)間距為0.3～0.6 μm時，對稱雙環(huán)與相同距離的單環(huán)微腔的透射譜比較如圖3所示.雙環(huán)的調(diào)制深度要比單環(huán)大，這是因為波導(dǎo)中的對稱光模式分別耦合到環(huán)，強(qiáng)度形成疊加造成的.

圖3 對稱雙環(huán)與相同距離的單環(huán)微腔透射譜比較

3 器件的制備

實驗中所用多芯光纖為英國Fibercore公司的七芯光纖跳線，其包層直徑為124.5 μm，7個纖芯直徑均為6.0 μm，其中6個纖芯構(gòu)成邊長為35.0 μm的正六邊形，另1個纖芯處于正六邊形的中心位置處.選取光纖端面同一直徑上的2個纖芯作為結(jié)構(gòu)耦合輸入和輸出端口.各部分的幾何參數(shù)分別為：微棱柱為底面邊長8.0 μm、高度16.0 μm的正四棱柱；微全反射棱鏡高8.0 μm，全反射面與水平方向夾角為45.0°；微椎體底面直徑為 12.0 μm、高 20.0 μm；微納波導(dǎo)為底面直徑1.0 μm、長22.0 μm的圓柱體；微環(huán)內(nèi)外半徑分別為13.35和15.35 μm，微環(huán)諧振腔的寬度為2.0 μm.實驗采用Nanoscribe GmbH公司生產(chǎn)的3D雙光子激光直寫系統(tǒng)及與之配套的IPL-780光刻膠來制備器件.

多芯光纖端面上的微納波導(dǎo)傳感器件的掃描電子顯微鏡示意如圖4所示.整個器件的結(jié)構(gòu)和尺寸與設(shè)計值一致.微環(huán)腔的大小、形狀和位置等符合預(yù)期，而微納波導(dǎo)向其中一個環(huán)彎曲，這是因為光刻膠材料硬度比較小，在顯影過程中，波導(dǎo)容易在顯影液的表面張力作用下發(fā)生形變.由于微腔結(jié)構(gòu)其他部分設(shè)計比較牢固，而懸空的微納波導(dǎo)不可避免地會向2個環(huán)彎曲或裂開.

圖4 多芯光纖端面上的微納波導(dǎo)傳感器件的掃描電子顯微鏡圖像

4 器件傳感測試表征

4.1 測試系統(tǒng)

實驗過程中的測試系統(tǒng)如圖5所示，由可調(diào)諧激光器（TLB-6728-P，Newport Ltd.，USA）、扇出、七芯光纖、光電探測器（DETO8CFC/M，160 Thorlabs Ltd.，USA）及示波器組成［19］.可調(diào)諧激光器可發(fā)出波長為1 520.00～1 570.00 nm的紅外光，光從扇出系統(tǒng)的1個纖芯進(jìn)入七芯光纖的1個纖芯，傳輸經(jīng)過結(jié)構(gòu)后從另1個纖芯輸出，再次耦合進(jìn)入扇出中最終到達(dá)光電探測器，轉(zhuǎn)化為電信號，在示波器上顯示.

圖5 實驗測試系統(tǒng)

4.2 可揮發(fā)有機(jī)物蒸氣的體積分?jǐn)?shù)響應(yīng)特性表征

體積分?jǐn)?shù)響應(yīng)是判斷傳感器件性能的重要指標(biāo)，主要表現(xiàn)為器件對最低氣體體積分?jǐn)?shù)和氣體體積分?jǐn)?shù)變化的感知.實驗中所用低體積分?jǐn)?shù)蒸氣為低體積分?jǐn)?shù)可揮發(fā)有機(jī)物溶液所產(chǎn)生的飽和蒸氣，通過精確配制溶液的體積分?jǐn)?shù)，可以精確控制飽和蒸氣的體積分?jǐn)?shù).選用可揮發(fā)有機(jī)物異丙醇和酒精作為被檢測對象，來表征器件的蒸氣體積分?jǐn)?shù)響應(yīng)特性.溶液配制及測試過程如下：將50 mL純水放入容積為125 mL的氣室瓶內(nèi)，并將光纖傳感器件伸入液體上方的蒸氣中，用注射器逐漸向瓶內(nèi)注入有機(jī)溶劑，配成體積分?jǐn)?shù)相差0.2%、體積分?jǐn)?shù)為0.2%～2.0%的有機(jī)溶液10份.不同體積分?jǐn)?shù)溶液中的有機(jī)物揮發(fā)程度不同，從而導(dǎo)致回音壁微腔的共振波長發(fā)生變化，通過觀測示波器上的透射光譜，可以測得共振波長隨蒸氣體積分?jǐn)?shù)的變化量值.

器件中氣體傳感響應(yīng)特性實驗表征如圖6所示.共振模式的Q最高可以達(dá)到2.66×104，異丙醇溶液體積分?jǐn)?shù)從0～2.0%變化過程中，共振模式波長增加了2.28 nm，酒精溶液體積分?jǐn)?shù)從0～2%變化過程中，共振模式波長增加2.93 nm.當(dāng)溶液體積分?jǐn)?shù)低于2.0%時，蒸氣室內(nèi)的有機(jī)蒸氣體積分?jǐn)?shù)可以根據(jù)拉烏-亨利定律計算獲得［20］，即

圖6 器件對不同樣品傳感特性實驗表征

式中：ω表示溶液上方的飽和蒸氣體積分?jǐn)?shù)，Ca表示稀釋后液體的摩爾濃度，ρ表示混合水溶液的密度，HCP表示亨利常數(shù)，P0表示標(biāo)準(zhǔn)大氣壓.實驗過程中氣室內(nèi)的壓強(qiáng)可看作標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，實驗室溫度為22℃，異丙醇和酒精的HCP分別為1.68和2.36 mol/（m3·pa）.根據(jù)Langmuir等溫線模型［21］擬合曲線計算可得，器件對酒精和異丙醇的平均傳感靈敏度分別為2.08×10-6和 1.46×10-6pm.

實驗中觀測到的回音壁共振模式為6個，而模擬結(jié)果中只有3個共振模式.這是由于在實際制備中，環(huán)的寬度比模擬值大，從而支持高階回音壁模式造成的.將模擬程序中的環(huán)寬度改為與實驗對應(yīng)的2 μm后，結(jié)果顯示同樣會有6個共振模式出現(xiàn).將歸一化實驗結(jié)果與模擬結(jié)果進(jìn)行比較，如圖7所示，二者吻合較好.分別取波長為1 557.15和1 563.11 nm處的共振模式，分析環(huán)中的場強(qiáng)分布如圖7插圖所示，當(dāng)環(huán)寬度為2.0 μm時，除基模外，還會激發(fā)二階高階模式.另外，實驗光譜中大的周期性震蕩是由于系統(tǒng)不同纖芯之間存在耦合干涉造成的.

圖7 模擬結(jié)果與實驗結(jié)果的對比

5 結(jié) 論

本文提出一種多芯光纖端面上對稱耦合雙環(huán)微腔氣體傳感器件方案，實現(xiàn)了器件的設(shè)計、制備以及傳感性能表征.在設(shè)計中通過FDTD模擬證明了成對環(huán)形微腔與微納波導(dǎo)的對稱耦合比單個環(huán)表現(xiàn)出增強(qiáng)的回音壁模式共振強(qiáng)度，這是因為波導(dǎo)中的對稱光模式分別耦合到環(huán)形腔中，從而造成透射光譜中由回音壁模式共振形成的透射譜疊加.實驗中觀測到的微環(huán)諧振器Q可以達(dá)到2.66×104，且對酒精蒸氣的傳感顯示出了良好的靈敏度，可達(dá)2.08×10-6pm.