基于表面等離子體共振的新型超寬帶微結構光纖傳感器研究*

丁子平 廖健飛 曾澤楷

(贛南師范大學物理與電子信息學院, 贛州 341000)

基于表面等離子體共振的微結構光纖傳感器具有高靈敏、免標記和實時監控等優點.如今, 由于此類傳感器廣泛應用于食品安全控制、環境檢測、生物分子分析物檢測等諸多領域而受到大量研究.然而, 目前所報道的絕大多數此類傳感器只能應用于可見光或近中紅外傳感.因此, 對可應用于中紅外傳感的表面等離子體共振微結構光纖傳感器的研究是一項極具挑戰性的工作.基于此, 本文設計了一種可以工作在近紅外和中紅外區域的新型高靈敏表面等離子體共振微結構光纖傳感器.傳感器采用雙芯單樣品通道結構, 該結構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范圍內實現高靈敏檢測.采用全矢量有限元法對其傳感特性進行了系統的研究, 研究結果表明: 當待測樣品折射率分布在1.423—1.513 范圍內時, 傳感器不僅可以在1.548—2.796 μm 的超寬帶波長范圍內進行工作, 而且其平均靈敏度高達13964 nm/RIU.此外, 傳感器的最高波長靈敏度和折射率分辨率分別為17900 nm/RIU, 5.59 × 10–7 RIU.

1 引 言

痕量檢測是一種檢測物質含量在百萬分之一以下的分析檢測方法, 它在安全生產、生物醫學、環境檢測、國防科技等眾多領域都有極為重要的應用[1?3].因此, 對高精度、超靈敏的痕量檢測技術的研發已變得至關重要, 而基于微結構光纖(microstructured fiber, MF)表面等離子體共振(surface plasmon resonance, SPR)的傳感技術, 由于其大動態測量范圍、超高靈敏度及適用于各種惡劣環境等優點已成為該領域最具潛力的發展方向之一.其基本原理是輸入光在MF 和金屬交界面處產生的倏逝波會引發自由電子相干振蕩而產生表面等離子體波.當倏逝波與表面等離子體激元(surface plasmon polaritons, SPP)產生共振時, 能量會從光子轉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, 從而導致檢測到的反射光強會形成一個損耗峰值, 最后通過測量共振波長或損耗峰的位置來檢測分析物質的屬性.如今, SPR-MF 傳感器已成為痕量檢測領域內的研究熱點[4].

SPR-MF 傳感器最先由Hassani 和Skorobogatiy 在2006 年提出[5], 研究發現該傳感器的波長靈敏度與折射率分辨率分別為984 nm/RIU 和8 ×10–5.隨后, 各種結構新穎性能優越的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光區域范圍內的選擇性鍍金屬層SPR-MF 傳感器, 該傳感器實現了高達5500 nm/RIU 的波長靈敏度.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,而在同時測兩種待測樣品模式下的最高靈敏度則高達10200 nm/RIU.在2014 年, Otupiri 等[8]提出了一種可用于可見光區域范圍內的新型開槽型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光區域范圍內的多芯多孔銀膜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.該傳感器可以實現單偏振模傳感, 且其平均波長靈敏度高達6000 nm/RIU.為了能擴大此類傳感器的應用范圍, Chen 等[11]在2018 年設計了一種新型中紅外SPR-MF 傳感器.該傳感器的波長靈敏度最高可達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12600 nm/RIU.綜上所述, 現在所報道的SPR-MF 傳感器通常只能工作在可見光和近紅外區域, 很少能工作在中紅外區域, 而同時能工作在近紅外和中紅外區域的SPR-MF 傳感器至今尚未見報.

為了進一步擴大SPR-MF 傳感器的應用范圍,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, 系統研究了傳感器結構參數和待測樣品折射率對其傳感特性的影響.研究發現: 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13964 nm/RIU, 17900 nm/RIU, 5.59 ×10–7RIU.此外, 該傳感器還可以同時工作在近紅外和中紅外區域.

2 傳感器結構設計

我們所設計的SPR-MF 傳感器的結構如圖1所示.該雙芯MF 包含3 層按正三角形晶格排列的空氣孔, 其晶格常數為Λ, 空氣孔直徑為d2.光纖的兩個纖芯位于第2 層空氣孔的相應位置, 并分別標記為1 和2.為了能夠更好地調節纖芯基模的模有效折射率, 使傳感器能夠在更寬的波長范圍內進行工作, 我們在纖芯的中心區域引入了2 個填充待測樣品的小孔, 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擾, 該光纖的中心區域只有1 個直徑為d1, 內表面鍍ITO(厚度為t)的大圓形空氣孔用來作為待測樣品的傳感通道.na為待測樣品的折射率, 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.ITO 作為等離子體材料,其相對介電常數ε可以由Drude 模型計算獲得[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*為電子的有效質量,m* = 0.35m0,m0= 9.1 × 10–31kg為電子質量;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, 研究發現X 偏振基模無法有效的與SPP 模進行耦合共振.基于此, 本文只研究Y 偏振基模與SPP 模之間的共振特性, 具體研究結果由圖2 給出.其中傳感器的損耗α計算表達式為[16]:其中, I m(neff) 為模有效折射率的虛部.光纖的結構參數為: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: 在短波長處, SPP 模的模有效折射率實部比Y 偏振模的要大, 但隨著波長的增大, 兩模的模有效折射率都會逐漸減小, 并且它們之間的差值也在逐漸減小.當波長增大到1.548 μm 時, 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和金屬層表面.然而, 隨著波長的增大, Y 偏振模的能量會逐漸耦合到SPP 模中, 并在波長1.548 μm 處, 兩模實現耦合共振, 此時兩模的能量分布幾乎一樣.當波長進一步增大到1.66 μm 時, Y 偏振模的能量又會因為不滿足耦合條件而返回纖芯區域.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: 在整個仿真波長范圍內, 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1.548 μm 處, 兩模的損耗會相等,這也就意味著我們所設計的傳感器能滿足損耗匹配條件, 實現完全耦合, 使SPP 模和Y 偏振模之間的耦合達到最佳狀態.此外, 除了耦合共振點,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.

接下來我們研究了待測樣品折射率na對傳感器共振特性的影響, 其仿真結果如圖3 所示.光纖的其他結構參數為: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na從1.423 增大到1.513 時, 其耦合波長會產生紅移, 對應的共振波長從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隨著na的增大而增大, 而Y 偏振模的基本不變,從而導致兩模式之間的耦合共振波長產生紅移.此外, 傳感器的損耗峰值會隨著na的增大而減小.其原因是當na增大時, SPP 模與Y 偏振模之間的能量耦合減弱, 使從Y 偏振模轉移至SPP 模的能量減小, 進而導致Y 偏振模的損耗變小.圖3(b)為共振波長與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范圍內的平均靈敏度, 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, 我們還計算了單個波長靈敏度Sλ.其計算公式如下[17,18]:

圖3 當na 從1.423 增加到1.513 時, (a) Y 偏振模的損耗曲線和共振波長與(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為共振波長的變化量, Δna為na的變化量.從圖3(b)可以看出: 當na= 1.503 時, 其共振波長為2.617 μm, 而當na增大到1.513 時, 共振波長變為2.796 μm, 通過(5)式計算可得此時傳感器的最大靈敏度為17900 nm/RIU.該靈敏度遠大于其他多芯SPR-MF 傳感器[19?21].若探測器的波長分辨率為0.01 nm 時, 則傳感器的折射率分辨率高達5.59 × 10–7.

最后, 為了進一步分析光纖結構參數對傳感器傳感性能的影響, 我們重點研究了金屬膜厚度t和填充樣品小孔直徑d3對傳感器損耗特性及波長靈敏度的影響.

圖4 為不同金屬膜厚度下傳感器的Y 偏振模損耗曲線.光纖的其他結構參數為:Λ= 2 μm,d1= 2 μm,d2= 1 μm,d3= 0.5 μm,na= 1.423.由此圖可以發現: 隨著鍍膜厚度的增加, 傳感器的共振波長向長波長方向移動.如當ITO 的厚度分別為40 nm, 45, 50, 55, 60 nm 時, 傳感器所對應的共振波長分別為1.423, 1.493, 1.548, 1.599,1.645 μm.類似的現象也可以從其他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, 進而導致共振波長發生紅移.此外, 當ITO 的厚度從40 nm 增大到60 nm 時, Y 偏振基模的損耗峰值幾乎沒有變化.因此, 我們可以通過合理調節ITO 的厚度來提高傳感器的傳感性能.

圖5 為d3對Y 偏振模損耗的影響.光纖的其他結構參數為: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 偏振模的共振波長向長波長移動, 但損耗峰值基本不變.如當d3分別為0.3, 0.4,0.5, 0.6, 0.7 μm 時, 傳感器所對應的共振波長分別為1.538, 1.542, 1.548, 1.555, 1.563 μm.這是因為小孔直徑的增大只會影響Y 偏振基模的模有效折射率, 使其模有效折射率減小, 進而導致耦合波長產生紅移.

圖4 ITO 厚度對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構參數對傳感器傳感性能的影響, 我們還研究了t和d3對傳感器靈敏度的影響.圖6(a)給出了t對傳感器靈敏度的影響.光纖的其他結構參數為:Λ= 2 μm,d1= 2 μm,d2= 1 μm,d3= 0.5 μm.從圖6(a)可以發現: 當ITO 厚度從40 nm 增大到50 nm 時, 傳感器的波長靈敏度保持不變.這是因為當ITO 厚度在40—50 nm 之間變化時, SPP 模與Y 偏振模之間的耦合效率并不會受其影響[16].然而, 當ITO 厚度從50 nm 增大到60 nm 時, 對應的波長靈敏度會隨之從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: 當小孔直徑d3從0.3 μm增大到0.7 μm 時, 傳感器的靈敏度直接從9600 nm/RIU 減小到8600 nm/RIU.這說明SPP 模與Y 偏振模之間的耦合效率會隨著d3的增大而減小.此時光纖的其他結構參數為:Λ= 2 μm,d1= 2 μm,d2= 1 μm,t= 50 nm.

圖6 當na 由1.423 增大到1.433 時, 結構參數t 和d3 對波長靈敏度的影響 (a)結構參數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 論

利用MF 的多孔結構, 設計了一種可工作在近紅外和中紅外區域的新型SPR-MF 傳感器.采用全矢量有限元法對其傳感性能進行了系統的研究, 研究發現: 該傳感器只能實現Y 偏振模與SPP 模之間的耦合共振, 且當待測樣品折射率處于1.423—1.513 范圍內時, 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13964 nm/RIU,17900 nm/RIU, 5.59 × 10–7RIU.因此, 我們所設計的SPR-MF 傳感器在安全生產、藥物篩選、環境檢測等領域都有廣泛的應用前景.