基于表面等离子体共振的光子晶体光纤折射率传感器的设计与分析

发布时间：2021-08-19 19:02

　　为了实现光子晶体光纤在近红外波段下的高灵敏度传感,设计了一种基于表面等离子体共振的光子晶体光纤（SPR-PCF）折射率型传感器。光纤内部的空气孔呈六边形排列,金纳米层完全包覆光纤外璧并与圆形待测物通道接触。利用有限元矢量软件COMSOL对SPR-PCF传感器的光学特性进行数值模拟仿真,得到不同待测物折射率的共振波长并绘制出纤芯损耗光谱,通过纤芯损耗光谱来对SPR-PCF传感器的传感特性进行分析。实验结果表明,其折射率测量区间为1.31～1.38,最大光谱灵敏度为104 nm/RIU,最大振幅灵敏度为200RIU^-1,折射率测量精度为2.94×10^-5RIU。 

【文章来源】：半导体光电. 2020,41(01)北大核心

【文章页数】：5 页

【部分图文】：

SPR-PCF传感器设计平面图

等离子体材料厚度的变化对SPR-PCF传感器传感特性的影响十分明显。通过图2的纤芯损耗光谱可知，当金纳米层厚度tg由40nm增大到50nm时，共振波长向长波长方向移动，由0.93μm增加到0.95μm，损耗峰值不断减少。当金纳米层厚度为45nm时，其损耗为218.05dB/cm，共振波长为0.94μm，测量共振波长效果最佳。空气孔直径d对SPR-PCF传感器传感特性具有十分重要的影响。空气孔的存在确保入射光可以在纤芯中进行传输，也可以满足基模与等离子模相位匹配条件。图3显示出当空气孔直径d增大时，损耗峰值不断下降，这是因为空气孔的增大抑制了光纤中表面等离子效应的产生，导致金纳米层周围模场减小，所以传输损耗不断减少，共振波长也发生了红移效应，当d为0.72μm时，其共振效果较为明显。

空气孔直径d对SPR-PCF传感器传感特性具有十分重要的影响。空气孔的存在确保入射光可以在纤芯中进行传输，也可以满足基模与等离子模相位匹配条件。图3显示出当空气孔直径d增大时，损耗峰值不断下降，这是因为空气孔的增大抑制了光纤中表面等离子效应的产生，导致金纳米层周围模场减小，所以传输损耗不断减少，共振波长也发生了红移效应，当d为0.72μm时，其共振效果较为明显。图4示出空气孔间距Λ变化时的纤芯损耗光谱。从图中可以看出，随着空气孔间距Λ不断增加，光纤纤芯损耗不断减少。主要原因为纤芯折射率与包层折射率差值减少，光在纤芯中被约束，能量不断被限制在纤芯中，使得纤芯损耗减少。当空气孔间距Λ为1.5μm时，共振现象最为明显。

【参考文献】：
期刊论文
[1]高温再生光纤光栅温度传感器封装技术[J]. 薛渊泽,王学锋,唐才杰,蓝天.  传感器与微系统. 2019(05)

博士论文
[1]基于表面等离子体共振及多包层光纤的光纤器件研究[D]. 翁思俊.北京交通大学 2018

硕士论文
[1]D型光子晶体光纤表面等离子体传感机理研究[D]. 李宏伟.中国矿业大学 2019
[2]光子晶体光纤SPR气体传感机理及关键技术研究[D]. 王猛.中国矿业大学 2019
[3]基于金纳米层或液体填充光子晶体光纤的偏振滤波器和传感器研究[D]. 冯新星.燕山大学 2018



本文编号：3351969