引用本文:

房黎明,陈鹤鸣. 栅状膜双芯D型PCF折射率传感器[J]. 光通信技术,2020,44(4):33-37.

栅状膜双芯D型PCF折射率传感器

房黎明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:为了提高光纤传感器线性探测范围以及灵敏度,提出了一种双纤芯结构的基于表面等离子共振(SPR)原理的D型光纤折射率传感器,采用栅状镀膜的光子晶体光纤(PCF)构成抛光面,引入铜栅状膜可以调节共振波长,提高传感器的灵敏度。在各向异性的完美匹配层边界条件下,利用全矢量有限元法对传感器特性进行了数值仿真,结果表明:该传感器折射率测量范围为1.31~1.35,灵敏度最高可达9600 nm·RIU-1,分辨率可达1.04×10-5 RIU。

关键词:表面等离子共振;栅状镀膜双芯;全矢量有限元法;折射率;传感器;基模损耗

中图分类号:TN256 文献标志码:文章编号:1002-5561(2020)04-0033-05

DOI:10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2020.04.008

0 引言
  在光纤传感方面,光子晶体光纤(PCF)凭借其无截止单模特性、大色散可调特性和良好的非线性等诸多特性,为表面等离子体激元在高灵敏度光纤传感器的研究方面提供了新的方向。2009年,DARRAN K C等人[1]设计了双通道空气孔内部选择性镀膜的基于表面等离子体共振PCF(SPR-PCF)折射率传感器,最高灵敏度可达3100 nm·RIU-1。2012年, SHUAI B B等人[2]提出了一种基于SPR效应的封闭式多通道液芯PCF折射率传感器,与在包层空气孔内部进行镀薄膜的传感器结构相比[3],这种优化方案大大减少了通道之间的串扰情况,使得传感器灵敏度更高,共振光谱更尖锐。SPR-PCF传感器通常选择性地填充或涂覆金属薄膜在空气孔内壁[4,5]。然而,在实际应用中,在PCF的气孔中填充或涂覆金属薄膜是具有挑战性的,并且反复改变液体的折射率很麻烦。2015年,DASH J N等人[6]分析研究了D型PCF生物传感器,他们将银沉积在抛光面后,再在银表面涂敷石墨烯,以此来增大生物分子的吸附性,提高传感器灵敏度。2017年,GANGWA R K等人[7]提出在抛光面镀金膜的D型折射率PCF,折射率测量范围为1.43~1.46,平均灵敏度为7700 nm·RIU-1。该传感器用矩形晶格和纳米金膜构成D型PCF传感器,最大灵敏度为8129 nm·RIU-1。但是,抛光面镀金膜型灵敏度仍然不高。
   本文提出一种新型结构的双纤芯D型SPR-PCF传感器。该结构光纤采用双纤芯结构而且抛光面采用栅状镀膜,可严格控制金属膜厚度。引入铜栅来调节共振波长,以提高折射率灵敏度。

5 结束语
  本文设计了一种双纤芯结构的基于SPR效应的D型PCF折射率传感器,其抛光面采用栅状镀膜,引入铜栅来调节共振波长,提高折射率灵敏度。通过对光纤的截面结构进行优化设计,分析了包层空气孔直径、中心空气孔直径、铜栅厚度以及占空比等参数对传感器性能的影响,得到了最优结构参数。所设计的传感器在折射率为1.31~1.35的检测范围内,灵敏度最高可达9600 nm·RIU-1。相比于在整个抛光平面涂敷金属薄膜的D型PCF折射率传感器,本文设计的传感器传感器灵敏度更高,测量更精确,可广泛应用于医药、生物和环境检测等领域。