CN102590930A

CN102590930A - 一种基于表面等离子体共振的光子晶体光纤

Info

Publication number: CN102590930A
Application number: CN2012100476979A
Authority: CN
Inventors: 任广军; 刘蓓; 吕蕾; 董莉
Original assignee: Tianjin University of Technology
Current assignee: Tianjin University of Technology
Priority date: 2012-02-28
Filing date: 2012-02-28
Publication date: 2012-07-18

Abstract

一种基于表面等离子体共振的光子晶体光纤，为实芯包层结构，包层内设有三层呈正六边形排列的空气孔，第二层空气孔内沉积有金膜，所述实芯包层的材料为聚乙烯；所述空气孔的直径为1μm，空气孔间距为2μm，三层正六边形排列空气孔的外接圆直径为20μm；所述第二层空气孔内壁沉积金膜的厚度为50nm。本发明的优点是：采用该实芯包层结构光子晶体光纤的光纤传感器，灵敏度更好，并且传感特性随包层结构的改变而可调可控，相较于传统的表面等离子体共振传感器，探测的环境范围更广，由于更加微型化，易于探测一些空间狭窄、环境恶劣的地方，应用前景更加广泛。

Description

一种基于表面等离子体共振的光子晶体光纤

技术领域

本发明属于一种实芯光子晶体光纤，特别是基于表面等离子体共振的光子晶体光纤。

背景技术

作为一种新型光纤，光子晶体光纤由于其具有独特的包层结构，越来越受到国内外学者们的重视，成为光纤领域的研究热点。与普通的光纤相比，光子晶体光纤有很多独特的优势，如无截止的单模特性、奇异的色散特性、高双折射特性、低损耗特性等。光子晶体光纤按照纤芯材料的不同，可以分为实芯光子晶体光纤和空芯光子晶体光纤，这两种光纤的导光机制也不同，分别对应为全内反射型和光子带隙型。光子晶体光纤的包层空气孔具有很强的可变性，根据需要设计光子晶体光纤的孔直径或者孔间距两项参数，能够得到不同的光波传输特性。除此之外，还可以改变包层空气孔的排列形状，以及改变包层空气孔自身的形状，都可以获得新的传输特点。

光纤传感器有着广泛的应用前景，不仅抗腐蚀、抗干扰、灵敏度高、光路可弯曲，而且重量轻、体积小、结构简单、易于形成网络。可是尽管拥有如此多的优点，使用普通光纤作敏感元件的光纤传感器仍然存在很多缺点和“瓶颈”问题难以解决，如较差的保偏性，较大的耦合损耗，以及交叉敏感等问题。光子晶体光纤的出现突破了传统光纤的约束，为解决这些困难带来了希望，其独特的性质拓宽了光纤传感领域的范围。目前来讲，光子晶体光纤在光纤传感方面的主要研究和应用在以下几个方面：光子晶体光纤光栅传感器、光子晶体光纤干涉型传感器、掺杂功能材料的光子晶体光纤传感器。

本发明所提出的传感结构就是属于掺杂功能材料的光子晶体光纤传感器这一类。由于光子晶体光纤的包层和纤芯都布满了空气孔，可以比较容易的向其中注入气体、液体，乃至液晶等易流动的材料，利用这种优势研制出了光子晶体光纤气体传感器、液体传感器，还有基于液晶填充的光子晶体光纤温度传感器等。当空气孔内填充某些介质时，填充的介质会和光纤中的倏适场发生作用，使得光纤中的传输光强发生改变，而这些填充介质又可以反映周围环境的改变，也就是说，环境变化间接导致了传输光强的变化，因此通过分析输出的光波就可以达到传感的目的。

表面等离子体共振(SPR)应用于传感是从20世纪60年代开始，来自德国的Otto提出了第一个SPR传感结构，建立了表面等离子体共振传感理论，之后，Kretschmann基于衰减全反射的办法也提出了一种SPR传感结构，称为Kretschmann传感结构，这两种结构的主体都是棱镜***。表面等离子体共振传感技术可以实现免标记检测和无损伤检测，并具有实时性，在生物、化学、环境、医学等许多与人们生活密切相关的领域都有广泛应用，已经成为传感领域的一个研究热点。

发明内容

本发明的目的是针对上述技术分析，提供一种基于表面等离子体共振的光子晶体光纤，该光纤为实芯包层结构，采用该结构光子晶体光纤的光纤传感器，灵敏度好、传感特性可调可控且探测的环境范围更广。

本发明的技术方案：

一种基于表面等离子体共振的光子晶体光纤，为实芯包层结构，包层内设有三层呈正六边形排列的空气孔，第二层空气孔内沉积有金膜。

所述实芯包层的材料为聚乙烯，其折射率为1.508。

所述空气孔的直径为1μm，空气孔间距为2μm，三层正六边形排列空气孔的外接圆直径为20μm。

所述第二层空气孔内壁沉积金膜的厚度为50nm。

本发明的工作机理：

该结构的光子晶体光纤基于表面等离子体共振原理。表面等离子体共振(SPR)是一种物理光学现象，是光在金属表面作用的结果。当入射的TM波与表面等离子体波具有相同的波矢时，二者将在金属界面处发生能量耦合，部分入射光的能量将被表面等离子体波吸收，从而导致反射光能量的急速减少，在光纤光谱上得到共振吸收峰。SPR现象对金属薄层附近被测物的折射率格外敏感，光在光纤中传播时，会依次与金膜和被测液体相互作用，发生SPR效应。当被测液体的折射率发生变化时，SPR吸收峰的位置也会变化，在光子晶体光纤中对应表现为限制损耗吸收峰位置的变化，通过观察分析光子晶体光纤的限制损耗谱，就能够感受到被测液体的折射率变化，达到了传感的目的。

本发明的优点是：采用该实芯包层结构光子晶体光纤的光纤传感器，灵敏度更好，并且传感特性随包层结构的改变而可调可控，相较于传统的表面等离子体共振传感器，探测的环境范围更广，由于更加微型化，易于探测一些空间狭窄、环境恶劣的地方，应用前景更加广泛。

附图说明

图1该光子晶体光纤截面结构示意图。

图中：1.包层 2.第一层空气孔 3.第二层空气孔 4.第三层空气孔5.金属膜

图2是有效折射率的实部与波长的关系图。

图3是光子晶体光纤的损耗与波长的关系图。

图4是空气孔折射率由1.33变为1.34时，光子晶体光纤的损耗谱。

具体实施方式

实施例：

一种基于表面等离子体共振的光子晶体光纤，如图1所示，为实芯包层结构，材料为聚乙烯，其折射率为1.508，包层1内设有三层呈正六边形排列的空气孔2、3、4，空气孔的直径(d)为1μm，空气孔间距(Λ)为2μm，三层正六边形排列空气孔的外接圆直径为20μm，第二层空气孔3内沉积有厚度为50nm的金膜。

用有限元软件建立此发明的传感结构模型，模拟传感过程，计算光子晶体光纤的有效折射率，此有效折射率为一复数，其实部可以反应光子晶体光纤的色散特性，虚部则可以用来求解光子晶体光纤的损耗特性。有效折射率实部和虚部的变化规律如图2和图3所示。

由图2可以看出，随着波长的增大，光子晶体光纤的有效折射率的实部逐渐减小。在图3中，光子晶体光纤有三处损耗吸收峰，损耗吸收峰所在的位置，就表示该波长下发生了SPR现象。第一处损耗峰峰值最小，损耗峰较宽且有小型震荡峰，此500nm～600nm波长范围内的损耗峰不利于观察；其它两处损耗吸收峰都十分明显，峰值较大，易于分辨和记录。因此在制作传感器时，采用波长扫描法监测光纤损耗，为了得到清晰突出的损耗谱，可以不使用短波段的波长。

采用该实芯包层结构光子晶体光纤的光纤传感器，用于传感液体折射率的变化，灵敏度更好，并且传感特性随包层结构的改变而可调可控。将被测液体注入沉积有金膜的第二层空气孔内，当被测液体的折射率变化Δn时，损耗吸收峰会发生位移Δλ，通过下式计算可求出传感器的灵敏度S，S＝Δλ/Δn(RIU)。若被测液体折射率从1.33变化至1.34，即Δn＝0.01，从图4可以看出，损耗吸收峰的位置变化了Δλ＝5nm，S＝500nm/RIU。

Claims

1.一种基于表面等离子体共振的光子晶体光纤，其特征在于：为实芯包层结构，包层内设有三层呈正六边形排列的空气孔，第二层空气孔内沉积有金膜。

2.根据权利要求1所述基于表面等离子体共振的光子晶体光纤，其特征在于：所述实芯包层的材料为聚乙烯，其折射率为1.508。

3.根据权利要求1所述基于表面等离子体共振的光子晶体光纤，其特征在于：所述空气孔的直径为1μm，空气孔间距为2μm，三层正六边形排列空气孔的外接圆直径为20μm。

4.根据权利要求1所述基于表面等离子体共振的光子晶体光纤，其特征在于：所述第二层空气孔内壁沉积金膜的厚度为50nm。