基于表面等離子體共振的光子晶體光纖甲烷氣體傳感器

魏方皓，張祥軍，唐守鋒

(中國礦業(yè)大學(xué)信息與控制工程學(xué)院，江蘇徐州221116)

光子晶體光纖(PCF)具有光學(xué)損耗小、光學(xué)非線性度高等特性，自問世以來受到廣大科研工作者極大的關(guān)注，廣泛應(yīng)用于傳感、檢測、濾波等諸多領(lǐng)域。隨著表面等離子體共振現(xiàn)象被發(fā)現(xiàn)，基于表面等離子體共振的光子晶體光纖(SPR-PCF)傳感器應(yīng)運而生[1]。與傳統(tǒng)光纖傳感器相比，SPR-PCF傳感器改進了交叉敏感、耦合損耗、保偏特性等主要問題，而且可以制造多維結(jié)構(gòu)，具有工作波長范圍寬、模場面積大、可以實現(xiàn)多參數(shù)測量等突出的優(yōu)點[2]。

近些年來，SPR-PCF在研究和應(yīng)用方面取得突破性進展，尤其是在氣體傳感中，各種各樣的PCF氣體傳感器發(fā)揮了越來越大的作用。PCF氣體傳感器的結(jié)構(gòu)形式主要有光柵結(jié)構(gòu)、模間干涉結(jié)構(gòu)、光譜吸收結(jié)構(gòu)、表面等離子體共振結(jié)構(gòu)[3-4]等。它們的檢測原理基本相同，都是利用待測氣體的濃度變化引起傳播光特性改變的原理，是一種間接測量的方法[5-6]。

SPR-PCF傳感器不僅可以監(jiān)測人們?nèi)粘Ｉ钪械目諝庵笜?，也可以對工業(yè)生產(chǎn)中的有害有毒氣體進行實時監(jiān)控，因此市場需求量很大。Ritari等[7]提出并驗證了光子晶體光纖氣體傳感器的可行性，設(shè)計出比傳統(tǒng)光纖氣體傳感器具有更高靈敏度和高線性度的乙炔氣體傳感器。Wang等[8]研究了使用干涉法將鍍鈀膜的布拉格光柵用于氫氣的檢測，光譜靈敏度(氫氣體積分數(shù)每變化1%時，光纖纖芯損耗峰共振波長移動距離)為0.07 nm。陸志峰等[9]將該結(jié)構(gòu)進一步優(yōu)化，研制了光譜靈敏度為0.216 nm的傳感器。孫超等[10]提出并驗證了一種無芯結(jié)構(gòu)的反射式光子晶體光纖甲烷氣體傳感器，在甲烷體積分數(shù)為0～1.5%時，光譜靈敏度為0.85 nm。Yang等[11]研制了一種新型光子晶體光纖甲烷氣體傳感器，應(yīng)用一種甲烷敏感薄膜材料，當甲烷體積分數(shù)為0～3.5%時具有極高的靈敏度與線性度。王猛[3]研制了一種SPR-PCF甲烷氣體傳感器，在金屬薄膜內(nèi)部涂覆甲烷氣敏材料，光譜靈敏度達到1.18 nm。

本文中提出并仿真驗證一種D型結(jié)構(gòu)的SPR-PCF氣體傳感器，將金屬材料等體積、等間距地平行沉積于D型光纖的拋磨表面，同時選擇甲烷敏感材料涂覆于光纖與金屬表面。利用D型結(jié)構(gòu)使得甲烷敏感材料與甲烷氣體充分反應(yīng)，研究等比例排列的金屬條對金屬與甲烷敏感材料的接觸面積，以及SPR-PCF甲烷氣體傳感器的靈敏度的影響。

1 理論分析

SPR-PCF甲烷氣體傳感器截面如圖1所示。其中紫色部分為甲烷氣體通道，紅褐色部分為氣體敏感材料，黃色部分為金屬材料，灰色與白色部分分別為2種尺寸的空氣孔，藍色部分為光纖基底材料，不同部分對應(yīng)的折射率是不同的。

d1、d2—空氣孔直徑； Λ—相鄰空氣孔間距； tg—金屬條厚度。圖1 基于表面等離子體共振的光子晶體光纖甲烷氣體傳感器截面

D型金屬條結(jié)構(gòu)的SPR-PCF甲烷傳感器制作工藝相對簡單，主要包括2種尺寸的空氣孔，內(nèi)部填充空氣，折射率取值為1；纖芯正上方的2個空氣孔的直徑為d2，取值為1.2 μm，其余空氣孔直徑為d1，取值為1.5 μm； 相鄰空氣孔間距為Λ，取值為3 μm； 長方形金屬條厚度為tg，取值為50 nm。

甲烷的檢測對氣體敏感材料依賴性較強，但是傳感材料通常具有廣譜性，對多種氣體都有響應(yīng)。本文中所采用的甲烷敏感材料是由Cryptophane A與紫外線固化的氟硅氧烷(UVCFS)制備的一種氣體敏感材料[5]。Cryptophane A是一種僅對小分子烷烴具有吸附作用的特殊聚合物，在薄膜厚度為100～280 nm時，該敏感材料的折射率與甲烷氣體濃度呈線性變化，如圖2[5]所示。

圖2 甲烷氣體體積分數(shù)與敏感材料折射率的關(guān)系[5]

當甲烷體積分數(shù)為0～3%時，該敏感材料的折射率nCH4與甲烷氣體濃度呈負相關(guān)，即

nCH4=1.447 8-0.003 8φCH4

，

(1)

式中φCH4為甲烷氣體體積分數(shù)。

傳感裝置的主要背景材料是熔融石英，其波長相關(guān)折射率通過Sellmeier方程[12]計算得到，

(2)

式中：n為熔融石英的波長相關(guān)折射率；λ為入射波長；B1、B2、B3、C1、C2、C3均為Sellmeier常數(shù)。

金屬材料的材質(zhì)為金，其相關(guān)介電常數(shù)可由Drude-Lorentz公式[13]計算得到，即

(3)

式中：ε1、ε2分別為相關(guān)介電常數(shù)ε的實部和虛部； 金屬介電常數(shù)ε∞的值為9.84；ω為入射波長的頻率； 等離子體頻率ωp的值為1.36×1016rad/s；阻尼頻率ωc取值為1.45×1014rad/s.

光纖纖芯損耗L計算公式[14]為

(4)

式中Im(neff)為光纖有效折射率neff的虛部。

2 模擬參數(shù)優(yōu)化

SPR-PCF甲烷氣體傳感器的結(jié)構(gòu)參數(shù)決定傳感性能，因此，需要通過實驗?zāi)M仿真來選取最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)，使傳感器性能達到最佳。本文中主要通過全矢量有限元軟件COMSOL對傳感器進行模擬運算，并使用光譜分析法及控制變量法對傳感器性能、結(jié)構(gòu)進行分析。因為金屬條位于纖芯Y偏振方向，所以本文中損耗光譜所顯示的損耗曲線都是纖芯Y偏振模損耗曲線。在對光纖2種空氣孔直徑d1、d2，相鄰空氣孔間距Λ及金納米條厚度tg進行實驗?zāi)M仿真過程中，其他參數(shù)取值不變，結(jié)果如圖3所示。

光纖纖芯損耗隨空氣孔直徑d1的變化關(guān)系如圖3(a)所示。由圖可以看出，隨著空氣孔直徑d1的增大，纖芯損耗共振波長向長波長方向移動，即由1.02 μm增大到1.03 μm，損耗峰值減小，由162.54 dB/cm減小到151.45 dB/cm，表明氣孔直徑d1的增大對于纖芯損耗共振波長的影響較小，但是損耗降幅較大，可以用來調(diào)節(jié)Y偏振方向的纖芯損耗。

纖芯損耗隨空氣孔直徑d2的變化關(guān)系如圖3(b)所示。由圖可以看出，隨著空氣孔直徑d2的增大，纖芯損耗峰的共振波長向長波長方向移動，即由1.01 μm增大到1.05 μm，損耗峰值不斷減小，由175.99 dB/cm減小到138.59 dB/cm，原因是空氣孔直徑d2的增大抑制了基模與等離子模之間的耦合，將光束進一步束縛在了纖芯中。

(a)空氣孔直徑d1

(b)空氣孔直徑d2

(c)相鄰空氣孔間距Λ

(d)金納米條厚度tg圖3 光纖纖芯損耗與2種空氣孔直徑、相鄰空氣孔間距、金納米條厚度的關(guān)系

為了使SPR-PCF甲烷氣體傳感器工作在相應(yīng)通信波長范圍，且性能優(yōu)異，模型中空氣孔直徑d1、d2分別取為1.5、1.2 μm。

相鄰空氣孔間距Λ也是氣體傳感器中重要的結(jié)構(gòu)參數(shù)。纖芯損耗與相鄰空氣孔間距Λ之間的關(guān)系如圖3(c)所示。由圖可以看出，空氣孔間距Λ由2.95 μm增大到3.05 μm時，共振波長向短波長方向移動，即由1.04 μm減小到1.02 μm，纖芯損耗峰值由159.97 dB/cm增大到163.69 dB/cm。為了避免限制損耗過大對傳感性能產(chǎn)生影響，模型中相鄰空氣孔間距Λ取為3 μm。

等離子體材料的厚度對傳感器性能也有顯著影響。圖3(d)所示為纖芯損耗與金納米條厚度tg的關(guān)系。由圖可看出，當金納米條厚度由45 nm增大到55 nm時，損耗光譜發(fā)生紅移，波長由0.95 μm增大到1.09 μm，纖芯損耗峰值增大，即由136.01 dB/cm增大到171.36 dB/cm。為了取得最佳傳感效果，模型中金納米條厚度tg取為50 nm。

3 結(jié)果與分析

光纖纖芯損耗、折射率隨入射波長的變化如圖4所示。設(shè)置待檢測的甲烷體積分數(shù)為2%，選取最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)。從圖中可以看出，當波長為1.03 μm時，纖芯損耗達到峰值，等離子體模與基模折射率相等，發(fā)生了相位匹配，這時的入射波長即為SPR-PCF甲烷氣體傳感器共振波長。當入射波長未達到1.03 μm時，等離子體模的折射率大于基模的，纖芯能量不斷向金屬條移動，損耗逐漸增大；當入射波長達到1.03 μm時，基模折射率大于等離子體模的，能量逐漸回歸纖芯，損耗不斷減小。利用纖芯損耗光譜檢測不同氣體濃度時，纖芯損耗共振波長發(fā)生相應(yīng)變化，這是光纖傳感關(guān)鍵所在。

圖4 光纖纖芯損耗、折射率隨入射波長的變化

纖芯損耗與甲烷氣體濃度的關(guān)系如圖5所示。從圖中可以看出，隨著甲烷氣體濃度增大，損耗光譜共振波長由1.05 μm減小到1.02 μm，即向短波長方向移動，纖芯損耗峰值增大。

圖5 光纖纖芯損耗與甲烷氣體濃度的關(guān)系

對纖芯損耗光譜共振波長與甲烷氣體濃度的關(guān)系進行線性擬合，得到相同厚度金屬涂層(光纖側(cè)拋表面完全涂覆金屬)結(jié)構(gòu)與金屬條結(jié)構(gòu)的共振波長關(guān)系，如圖6所示。根據(jù)圖中線性關(guān)系進行計算，當金屬材料結(jié)構(gòu)為金屬條時，平均光譜靈敏度為10 nm； 當金屬材料結(jié)構(gòu)為金屬涂層時，平均光譜靈敏度為4 nm。由此得出，金屬材料采用金屬條結(jié)構(gòu)的傳感性能遠優(yōu)于傳統(tǒng)的金屬層結(jié)構(gòu)的。

圖6 不同敏感材料結(jié)構(gòu)的甲烷氣體濃度與共振波長的關(guān)系

4 結(jié)語

本文中提出并仿真驗證了一種具有高靈敏度的D型結(jié)構(gòu)SPR-PCF甲烷氣體傳感器，傳感器拋磨表面外側(cè)設(shè)置金納米條，改善了器件的靈敏度。氣體敏感材料位于SPR-PCF甲烷氣體傳感器結(jié)構(gòu)外側(cè)，與傳統(tǒng)的氣體傳感裝置相比，D型結(jié)構(gòu)SPR-PCF甲烷氣體傳感器結(jié)構(gòu)簡單，易于制造，在近紅外波段，當甲烷氣體體積分數(shù)為0～3%時，能夠?qū)崿F(xiàn)高靈敏度傳感，平均光譜靈敏度可達到10 nm。