引用本文:

王帅,傅海威,常会敏,等. 基于对称平板波导型SPR液体折射率传感特性[J]. 光通信技术,2021,45(4):59-62.

基于对称平板波导型SPR液体折射率传感特性

王 帅1,2,傅海威1,2,常会敏1,2,尤涌涛1,2

(1.西安石油大学 理学院,西安710065;2.西安石油大学 光电油气测井与检测陕西省重点实验室,西安710065)

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摘要:表面等离子体共振(SPR)技术在外界环境折射率测量上有着广泛应用。设计了一种对称平板波导结构,利用时域有限差分法对波导结构中SPR效应与外界环境折射率的关系进行数值模拟,对金属材料选择以及传感区域长度进行了优化,并研究了不同阶次的模式对传感器灵敏度的影响。仿真结果表明:当外界环境折射率为1.38时,相较于基模条件下4100 nm/RIU的灵敏度,三阶模传感器的灵敏度提高到6209 nm/RIU,最大灵敏度提高了51%;当外界环境折射率为1.34~1.38时,传感器平均灵敏度从2900 nm/RIU提高到4025 nm/RIU。

关键词:液体传感器;表面等离子体共振;高阶模;平板波导;金属涂覆

中图分类号:TH744 文献标志码:文章编号:1002-5561(2021)04-0059-04

DOI:10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2021.04.012

0 引言
       表面等离子体共振(SPR)是由金属中的等离子体振荡与光相互作用产生的共振现象[1-2]。折射率是物质的一种重要的物理性质,也是衡量物质品质的重要指标[3],在食品安全、医疗诊断、环境监测和生化传感等领域对折射率的监测尤为重要[4-5]。自SPR传感器被提出以来,因其高灵敏度、可实时监测和无损等特点,在诸多领域都有广泛的应用潜力。随着SPR传感技术的发展,人们对传感器的灵敏度、应用范围和稳定性的要求不断提高。通过对传感器结构的设计、涂覆金属材料参数的优化等方式,达到提高传感器灵敏度和稳定性的目的,传感器的应用也从检测折射率扩展到温度以及气体浓度的检测等[6]。
   2013年,厦门大学张以亮等人[7]设计了一款聚合物波导型SPR传感器,研究了波导芯层折射率、不同金属厚度等对传感器灵敏度的影响。2019年,盛祥等人[8]提出了一种复合膜对称结构的SPR传感器,通过涂覆墨烯提高传感器的稳定性和检测灵敏度。目前,国内外已经出现了多种类型的SPR传感器,如棱镜型SPR传感器[9-10]、光纤SPR传感器和波导型SPR传感器等[11-13]。其中,波导型结构具有实现低成本、高集成度电子功能器件的优势[14]。光波导SPR传感器结构稳定性好、体积小且可实现多通道测量,但由于此类传感器的灵敏度不高,限制了它的应用[15]。本文通过在对称性波导结构上涂覆金膜,研究高阶模对SPR传感器灵敏度的影响,并且对该传感器传感区域长度进行优化,旨在提高响应灵敏度。

3 结束语
       本文模拟了一种对称型平面波导结构SPR传感器,分析了高阶导模对该传感器性能的影响,并且对该传感器的结构参数进行了优化。模拟结果表明,在传感器上涂覆金膜,其灵敏度最高。当传感区域长度为200 μm、外界环境折射率在1.34~1.38范围内时,本传感器在基模条件下最大响应灵敏度为4100 nm/RIU,平均灵敏度为2900 nm/RIU;在三阶导模条件下最大响应灵敏度为6209 nm/RIU,平均灵敏度为4025 nm/RIU。相较于基模,后者最大响应灵敏度提高51%,平均灵敏度提高38.7%。因此,在相同条件下,传感器的灵敏度随导模阶次的提高而增加,且高阶导模的SPR效应更明显。