引用本文:

叶楚妮,陈鹤鸣. 基于表面等离子体共振的光子晶体光纤温度传感器[J]. 光通信技术,2021,45(11):1-5.

基于表面等离子体共振的光子晶体光纤温度传感器

叶楚妮1,陈鹤鸣2*

(1.南京邮电大学 电子与光学工程学院、微电子学院,南京210023; 2.南京邮电大学 贝尔英才学院,南京210023)

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摘要:为了解决涂敷在光子晶体光纤(PCF)外表面的金属膜易氧化和传感器灵敏度较低的问题,提出了一种基于表面等离子体共振(SPR)的双层膜侧抛光PCF温度传感器。该PCF的2个抛光面相互垂直,光纤的抛光表面涂覆银,并在银膜外面涂覆一层厚度为20 nm的SiO2膜。使用COMSOL仿真软件对传感器的特性进行数值仿真,仿真结果表明:传感器的温度测量区间为10~60 ℃,最高灵敏度为20.2 nm/℃,温度分辨率可达4.95×10-3 ℃。

关键词:光子晶体光纤;表面等离子体共振;温度传感器;乙醇氯仿混合液;有限元法

中图分类号:TN256 文献标志码:文章编号:1002-5561(2021)11-0001-05

DOI:10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2021.11.001

0 引言
       光子晶体光纤(PCF)具有低损耗、低非线性等优点,已广泛应用于传感器件领域,可测量温度[1-2]、扭转[3]、折射率[4-5]、气体吸收[6]和磁场[7]等各种物理量。表面等离子体共振(SPR)传感技术具有高灵敏度、高分辨率等特征,因此,SPR与PCF相结合的PCF-SPR传感器受到了广泛关注[8-9]。2012年,PENG Y等人[10]设计了一种PCF-SPR温度传感器,该传感器灵敏度较低,仅720 pm/℃。2014年,LU Y等人[11]使用填充不同浓度分析物的PCF和银纳米线实现温度传感,在10~40 ℃范围内灵敏度高达2.7 nm/℃。2019年,ZHAO L等人[12]提出了一种基于全固态D型PCF的SPR传感器,不仅可以测量液体折射率,还能对温度进行测量,在-3~15 ℃温度范围内的最大灵敏度可达4.22 nm/℃。然而,以上传感器都需要将金属材料涂覆在PCF的某些空气孔内,并在空气孔填充温敏液体,这对微米级的PCF而言是十分困难的。于是,有人提出在PCF的外表面涂覆金属膜,如圆形PCF-SPR传感器[13]和D形PCF-SPR传感器[14],但该类传感器将金属膜镀在外表面,需要解决金属氧化问题。
  基于此,本文提出一种结构新颖的PCF-SPR温度传感器,不仅能阻止金属氧化,同时还能提高传感器的灵敏度。

3 结束语
      本文提出了一种基于SPR效应的新型PCF-SPR温度传感器,PCF的2个抛光面均采用银膜和SiO2膜双层膜涂覆。分析仿真结果可知:当d1=0.72 μm、d2=1.2 μm、银膜厚度t=30 nm和SiO2膜厚度tz=20 nm时,传感器性能最佳,在10~60 ℃的温度范围内,灵敏度最高可达20.2 nm/℃(折射率约40400 nm/RIU),温度分辨率为4.95×10-3 ℃。与需要孔内镀膜并填充温敏液体的温度传感器相比,本文设计的PCF-SPR温度传感器易于制备、性能优异,可广泛应用于温度传感领域。