基于表面等离子体共振效应的光子晶体光纤传感器及应用的制作方法

1.本发明属于电子核心产业技术领域，涉及敏感元件及传感器的制造，涉及基于表面等离子体共振效应的光子晶体光纤传感器及应用。


背景技术：

2.公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
3.据发明人了解，光子晶体光纤的空气孔内先设置金膜，然后填充热敏材料(例如乙醇和氯仿混合液体)，形成的传感器具有对温度传感的特性。然而，经过进一步研究发现，这种传感器存在延时长、灵敏度低、非线性效应大等问题。


技术实现要素：

4.为了解决现有技术的不足，本发明的目的是提供基于表面等离子体共振效应的光子晶体光纤传感器及应用，本发明提供的光子晶体光纤传感器具有延时更短、灵敏度更高、非线性效应更小等优点。
5.为了实现上述目的，本发明的技术方案为：
6.一方面，一种基于表面等离子体共振效应的光子晶体光纤传感器，包括光子晶体光纤，所述光子晶体光纤的径向截面由若干孔道呈阵列排布，孔道阵列中的一个孔道设置为传感孔道，传感孔道外壁设置金属膜，传感孔道内壁温度敏感层，所述传感孔道为中空结构。
7.本发明利用入射光波在纤芯内部发生全反射效应进行传输时与传感孔道外壁(即纤芯外侧)的金属材料薄膜相互作用，在符合相位匹配条件时发生表面等离子共振现象，在光纤的输出端口对输出光波进行检测分析就可以实现传感。
8.一般来说，将温度敏感层填充满孔道(即形成实心孔道)更为方便，然而本发明研究表明，对于光子晶体光纤而言，实心孔道中损耗达到1db/km以下，最低损耗已经达到0.28db/km，实心孔道在损耗上不能有大幅的降低，若孔道中空，最低损耗可为0.1db/km，中空的结构使得这类光子晶体光纤具有更低的本征损耗极限。同时，实心孔道还根据纤芯材料的不同进行色散补偿，而孔道中空光纤可以在上千nm的超宽频谱范围内提供约2ps/nm/km的低色散，比现有光纤小近10倍的色散，几乎可以对不同光域甚至电域进行色散补偿。而且，温度会对纤芯和包层产生不同的振动状态，如果在光波的影响，会产生双折射，影响测量精度及结果，而孔道中空光纤的偏振态比较容易保持，具有偏振保持的作用。另外，孔道中空光纤还有低时延，光主要在近乎空气孔的芯区传输，折射率比实芯玻璃低，传输速率更快，端到端的光纤传输时延相比于现有光纤小31％。此外，孔道中空光纤的非线性效应比常规光纤材料的非线性效应低3～4个数量级。
9.为了保证形成中空结构，本发明进一步地，在温度敏感层表面设置支撑层，所述支
撑层为石英玻璃。
10.另一方面，一种上述基于表面等离子体共振效应的光子晶体光纤传感器在检测温度中的应用。
11.第三方面，一种温度检测装置，光源和温度传感器，光源连接温度传感器的输入端，所述温度传感器为上述基于表面等离子体共振效应的光子晶体光纤传感器。
12.第四方面，一种温度的检测方法，利用上述基于表面等离子体共振效应的光子晶体光纤传感器或温度检测装置对环境温度进行检测。
13.本发明的有益效果为：
14.本发明在传感孔道外壁设置金属膜能够发生表面等离子共振现象，与温度敏感层的协同，能够通过对输出光波的检测实现温度传感。
15.本发明设置传感孔道设置为中空结构能够大大降低本征损耗的极限，并进行色散补偿，保证测量精度，同时增加传输速率并降低非线性效应。
16.本发明在温度敏感层表面设置石英玻璃的支撑层，具有高光谱透射性能，降低辐射线损伤，耐热性很高，具有优异的光学性能和优良的透射比，因而在保证不影响传感效果的前提下对温度敏感层进行支撑。
附图说明
17.构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
18.图1为本发明实施例1中基于表面等离子体共振效应的光子晶体光纤传感器的径向截面示意图；
19.图2为图1方框a处的放大图；
20.图3为本发明实施例1中乙醇与氯仿(7:3,v/v)的混合物的在不同温度下的折射率曲线图；
21.图4为本发明实施例1中金膜厚度(tm)与光纤损耗光谱之间的关系；
22.图5为本发明实施例1中20℃时乙醇与氯仿(7:3,v/v)的混合物层厚度(tc)变化时光纤损耗曲线的变化图；
23.图6为本发明实施例1中不同温度下的光纤损耗曲线；
24.图7为实心孔道与本发明实施例1的光子晶体光纤传感器不同温度下的光纤损耗曲线。
具体实施方式
25.应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
26.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
27.鉴于基于表面等离子体共振效应的温敏光子晶体光纤传感器存在延时长、灵敏度低、非线性效应大等问题，本发明提出了延时长、灵敏度低、非线性效应大等问题。
28.本发明的一种典型实施方式，提供了一种基于表面等离子体共振效应的光子晶体光纤传感器，包括光子晶体光纤，所述光子晶体光纤的径向截面由若干孔道呈阵列排布，孔道阵列中的一个孔道设置为传感孔道，传感孔道外壁设置金属膜，传感孔道内壁温度敏感层，所述传感孔道为中空结构。
29.本发明设置传感孔道设置为中空结构能够大大降低本征损耗的极限，并进行色散补偿，保证测量精度，同时增加传输速率并降低非线性效应。
30.所述阵列可以为矩形阵列，也可以为多层环形阵列。
31.该实施方式的一些实施例中，所述传感孔道设置在为内层。对温度的传感效果更好。
32.该实施方式的一些实施例中，所述温度敏感层的材料为乙醇与氯仿的混合物。当乙醇与氯仿体积比为6.5～7.5:2.5～3.5。该条件对温度的传感效果更好。
33.该实施方式的一些实施例中，所述金属膜的厚度为37～39nm。当金属膜的厚度为38.9～39.0nm时，损耗光谱更低，并产生红移，更适于温度检测。
34.该实施方式的一些实施例中，温度敏感层的厚度为190～210nm。
35.该实施方式的一些实施例中，孔道之间的距离为2.5～3.0μm。
36.该实施方式的一些实施例中，孔道的半径为0.5～0.6μm。
37.本发明的另一种实施方式，提供了一种上述基于表面等离子体共振效应的光子晶体光纤传感器在检测温度中的应用。
38.本发明的第三种实施方式，提供了一种温度检测装置，光源和温度传感器，所述温度传感器为上述基于表面等离子体共振效应的光子晶体光纤传感器。
39.该实施方式的一些实施例中，包括光谱分析仪，所述光谱分析仪连接温度传感器的输出端。
40.本发明的第四种实施方式，提供了一种温度的检测方法，利用上述基于表面等离子体共振效应的光子晶体光纤传感器或温度检测装置对环境温度进行检测。
41.为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本发明的技术方案，以下将结合具体的实施例详细说明本发明的技术方案。
42.实施例1
43.基于表面等离子体共振效应的光子晶体光纤传感器，如图1～2所示，包括光子晶体光纤，光子晶体光纤的径向截面由内至外设置多个环形阵列，环形阵列由空气孔道排布形成。空气孔道之间的基底材料为二氧化硅，相邻空气孔道之间的距离为2.8μm，空气孔道的半径为0.56μm。由内向外第二个环形阵列的一个空气孔道设置为传感通道。传感通道的外层设置金膜，传感通道的内壁设置温度传感层，温度传感层由石英玻璃层支撑。温度传感层的材质为由乙醇与氯仿(7:3,v/v)的混合物。
44.基底材料的折射率由sellmeier方程获得，如下所示：
[0045][0046]
上式中，n为熔融石英的波长相关折射率；λ为输入波长；β1、β2、β3、c1、c2、c3表示
sellmeier色散常数。
[0047]
乙醇与氯仿(7:3,v/v)的混合物的折射率如图3所示。
[0048]
金的折射率的计算公式如下所示：
[0049][0050]
上式中，ε
∞
为无限频率的介电常数(本实施例取9.75)，ω
p
为金属纳米薄膜(au)的等离子体共振率(本实施例取1.36
×
10
16
rad/s)，i为碰撞频率(本实施例取1.45
×
10
14
rad/s)。
[0051]
本实施例利用损耗谱分析法分析响应光谱，通过comsol软件绘制损耗关于波长的区线图来分析损耗光谱的特征。当满足相位匹配条件时光子晶体光纤中会发生表面等离子体共振现象(spr)，此时纤芯模式的限制损耗(α
loss
)可以根据光在改传播模式下有效折射率的虚部计算得到，如下式所示：
[0052][0053]
上式中，λ是输入波长，im(n
eff
)是光子晶体光纤有效折射率虚部。
[0054]
在comsol仿真软件中对光子晶体光纤进行数值计算时可以得到的基膜有效折射率(n
eff
)，其表达式为复数形式，如下式所示：
[0055]neff
＝re(n
eff
) j im(n
eff
)上式中，re(n
eff
)是光子晶体光纤有效折射率实部，im(n
eff
)是光子晶体光纤有效折射率虚部。
[0056]
从上式中可以得出，传输光谱的限制损耗与波长λ构成一次函数关系，在不同的波长情况下，限制损耗的大小也不相同。因此，以波长为横坐标，以限制损耗为纵坐标可以绘制出损耗光谱图。在不同温度的环境，金属薄膜内侧的酒精混合物折射率不同，此时损耗光谱相应的波峰会产生移动，通过计算损耗光谱峰值的位移，便可以得到周围环境的温度，从而实现对外部环境温度的传感。
[0057]
金膜的优化
[0058]
图4为金膜厚度(tm)与光纤损耗光谱之间的关系。20℃金属层的厚度在由37nm增加到39nm期间，波长在560到570nm之间时，金属膜的厚度由37nm增加到39nm之间，损耗光谱的峰值在不断减少。波长在570到600nm之间时，金属膜的厚度由37nm增加到39nm时，损耗光谱的峰值在不断增加且发生红移现象。由图可见，金膜厚度(tm)39nm，限制损耗更为合适，便于检测。
[0059]
几何结构优化
[0060]
图5为20℃时乙醇与氯仿(7:3,v/v)的混合物层厚度(tc)变化时光纤损耗曲线的变化。在tc＝200nm增加至tc＝205nm时光纤损耗光谱没有发生红移或蓝移，损耗光谱的峰值没有变化。故混合物通道的大小对光纤传感器的没有影响。
[0061]
图6为不同温度下，光纤损耗谱的变化，由图可知，光纤共振波长随着温度的降低发生红移效应。在20℃时，共振波长为0.80nm,损耗为368.41db/cm；在-20℃，共振波长为0.93nm，损耗为384.04db/cm.通过灵敏度公式可得其最大温度灵敏度为6nm/℃。
[0062]
为了表明温度敏感层填充满孔道(实心孔道)存在的问题，本实施例针对实心孔道
与中空孔道进行温度检测，结果如图7所示。-20℃时实心孔道的损耗值为0.86db/km。而中空孔道的损耗值为0.72db/km，温度不断增加，实心孔道的损耗不断减少，60℃时实心孔道损耗值为0.28db/km，温度增至120℃实心孔道在损耗上没有大幅度降低，而中空孔道在60℃时，损耗值为0.25db/km，低于0.28db/km。而且中空孔道的损耗值随着温度的升高还在不断下降，温度为120℃时，最低值为0.12db/km，远小于实心孔道的最小损耗值。由此可见，选取损耗值低的中空孔道更有利于传感器的性能。
[0063]
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。