田二明， 韓建寧

(中北大學 信息與通信工程學院， 山西 太原 030051)

側(cè)面拋磨型雙芯熊貓光纖的折射率傳感特性仿真分析

側(cè)面拋磨型雙芯熊貓光纖的折射率傳感特性仿真分析

田二明， 韓建寧

(中北大學 信息與通信工程學院， 山西 太原 030051)

研究了雙芯熊貓光纖經(jīng)側(cè)面拋磨后的折射率傳感特性， 并具體分析了拋磨、 纖芯尺寸、 纖芯、 折射率對比度對傳感器特性的影響. 通過側(cè)面拋磨方式， 可以使得熊貓光纖一側(cè)氣孔側(cè)壁與外界待測液體接觸， 這有助于加快響應(yīng)速度； 同時利用Mach-Zehnder干涉檢測方式可以獲得較高的流體折射率檢測靈敏度. 仿真表明， 經(jīng)過優(yōu)化的雙芯熊貓光纖結(jié)構(gòu)可望使系統(tǒng)檢測液體折射率的靈敏度達到3.8×10-5RIU(Refractive Index Unit).

雙芯熊貓光纖； 折射率傳感特性； 傳感靈敏度

雙芯光纖是指一個共同的光纖中存在多個纖芯結(jié)構(gòu)， 其可以在保持光纖結(jié)構(gòu)穩(wěn)固性的前提下通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)來提高檢測液體折射率的靈敏度[1-3]. 利用選擇性填充氣孔技術(shù)可使雙芯光子帶隙光纖內(nèi)不同纖芯的模場能量發(fā)生耦合， 通過調(diào)整光子帶隙區(qū)域可使檢測折射率范圍覆蓋至待測流體折射率[4-8]， 由于折射率變化影響耦合系數(shù)和相位匹配條件， 使得此類傳感系統(tǒng)兼具高靈敏度和寬探測范圍優(yōu)點. 另外， 雙芯光子晶體光纖的纖芯模存在耦合引起的損耗峰， 峰的位置與光纖外包層的大小和外部介質(zhì)的折射率有關(guān)， 因此， 可以通過測量纖芯模耦合損耗峰的位置來測量外部介質(zhì)的折射率. 在雙芯光子晶體光纖氣孔內(nèi)覆蓋一層納米厚度的生物膜層， 可以直接利用雙芯之間的相干效應(yīng)進行免標記、 高特異性生物傳感， 而不必再采用復(fù)雜的類似如光柵結(jié)構(gòu)的信號后處理方法[9-14]. 而通過對多芯光子晶體光纖氣孔內(nèi)鍍金屬膜， 則可利用產(chǎn)生的SPR效應(yīng)進行寬檢測范圍、 高靈敏檢測， 并可獲得相對于單芯SPR光纖更窄的吸收譜特性. 另外， 在多芯光纖內(nèi)恰當區(qū)域填充液晶材料， 又易實現(xiàn)高靈敏電壓/電流檢測[15-16].

但是， 上述多芯光子晶體光纖流體傳感器件雖具有高靈敏、 集成的優(yōu)勢， 但是基本上都基于閉合氣孔結(jié)構(gòu). 存在和單芯光纖流體傳感器件同樣的響應(yīng)速度過慢的問題， 因而無法適用于對實時性要求較高的快速流體傳感領(lǐng)域.

針對上述問題， 本文提出通過改進傳統(tǒng)的雙芯熊貓光纖來進行高靈敏度傳感， 并提出采用側(cè)面拋磨方法來提高流體經(jīng)外界至光纖傳感區(qū)域的填充速度， 加快系統(tǒng)響應(yīng)特性. 同時， 干涉檢測方式又保留了雙芯光纖流體傳感器件所固有的高靈敏特性. 此外， 通過優(yōu)化光纖結(jié)構(gòu)還可以進一步提高傳感器件的靈敏特性.

1 光纖結(jié)構(gòu)

1.1 雙芯光纖組成結(jié)構(gòu)

圖 1 為本文提出的用于流體傳感的雙芯光纖結(jié)構(gòu)橫截面圖. 其由兩個圓形摻鍺二氧化硅纖芯， 圍繞每個纖芯的基底材料(二氧化硅)、 一個封閉式圓氣孔、 一個側(cè)面和外部相連的圓氣孔和移去一部分的包層(二氧化硅)組成， 可以通過側(cè)面拋磨方法移去部分包層， 目前這方面的技術(shù)已經(jīng)比較成熟. 流體物質(zhì)可以通過側(cè)面開放區(qū)域快速填充/擴散進入開放氣孔， 使結(jié)構(gòu)具有較快速的響應(yīng)速度. 而通過合理設(shè)計光纖結(jié)構(gòu)和摻鍺二氧化硅/二氧化硅折射率差， 則可使光纖保持基模傳輸， 并可利用不同基模之間的相干效應(yīng)進行高靈敏檢測. 本文涉及的傳感特性分析均在光纖基模狀態(tài)下進行.

圖 1 本文提出的開放多芯光子晶體光纖結(jié)構(gòu)橫截面Fig.1 Proposed cross-section of open multi-core photonic crystal fiber structure in the paper

在分析中， 設(shè)定二氧化硅纖芯的半徑為R； 開放式氣孔半徑為Rhole； 周期性氣孔半徑為Rair， 氣孔間距為Λ. 通過調(diào)整上述參數(shù)可以有效改變模場在傳感區(qū)域的分布和相應(yīng)的靈敏度. 光纖包層外徑設(shè)置為62.5 μm， 這樣既可以使外包層半徑為62.5 μm的標準單模光纖光束高效耦合進設(shè)計的雙芯光子晶體光纖兩纖芯內(nèi)， 又可以在光束從兩纖芯傳輸后采用Mach-Zehnder干涉檢測結(jié)構(gòu)進行高靈敏相位偏移檢測. 在實際檢測過程中可以通過適當調(diào)整單模光纖纖芯與此雙芯光纖的具體對準位置， 使得光分布在兩纖芯內(nèi)的比例一致， 從而保持比較好的相干場對比度.

1.2 雙芯光纖內(nèi)模場分析

光纖內(nèi)模場分析過程將基于商業(yè)化的有限元法軟件COMSOL multiphysics3.5a. 激發(fā)光源波長設(shè)置在950～1 550 nm之間. 二氧化硅材料和摻鍺二氧化硅材料的折射率設(shè)為nSiO2和nGe. 二氧化硅材料折射率參數(shù)選取參考了文獻[2-3]. 填充的流體折射率范圍na設(shè)置為1.333 ～1.393.

圖 2 描述了1 550 nm激發(fā)光波長情況下不同纖芯的基模場分布(TE、 TM偏振方向). 計算條件為纖芯半徑6 μm, 空氣孔1.8 μm， 大氣孔12 μm， 氣孔間距8 μm， 填充折射率為1.333. 可以看出， 由于開放部分纖芯緊鄰的開放氣孔填充入待測折射率溶液， 所以相應(yīng)的纖芯區(qū)域場分布明顯受到了流體折射率的影響. 不同偏振方向的場特性有一定差異， 而封閉部分纖芯區(qū)域未受到流體的影響. 所以場分布將更多地集中在纖芯區(qū)域， 而且不同偏振方向的場分布呈現(xiàn)簡并狀態(tài). 本文設(shè)想檢測方式源于同一偏振方向上不同纖芯內(nèi)基模場的干涉效， 所以， 在此對雙模干涉效應(yīng)的公式重新進行了推導.

根據(jù)相關(guān)理論， 單一纖芯端部輸出能量可以表示為

式中：θ是不同纖芯同一偏振方向的基模模式的相位差. 表示為

θ=k·L·|nleft-nright|

式中：L是傳感區(qū)域的光纖長度；λ是采用的傳輸波長； Δna是待測流體折射率.

根據(jù)上述公式可知， 相移和雙折射相關(guān)， 也與待測折射率值相關(guān)， 因此可以根據(jù)探測的相移變化推導相應(yīng)的待測折射率值.

圖 2 不同纖芯的基模模場分布Fig.2 The base modes distribution of different cores

傳感器耦合長度可以表示為

最后， 傳感器靈敏度可以表示為

假設(shè)光纖長度3cm， 光源波長1 550nm， 此時光纖傳輸及耦合長度特性如圖 3 所示， 可見填充不同的折射率液體將影響到光纖輸出端的功率及耦合長度特性， 通過相關(guān)系統(tǒng)即可檢測功率變化情況， 進而分析出填充液體折射率狀況.

圖 3 傳感器的傳輸特性與耦合長度Fig.3 Transmission characteristics of the sensor and the coupling length

2 仿真結(jié)果及分析

下面分析變化光纖結(jié)構(gòu)等參數(shù)對傳感系統(tǒng)靈敏特性的影響， 研究結(jié)果對于展開類似的開放雙芯流體傳感器件實驗研究具有指導意義.

首先分析氣孔半徑對靈敏度的影響. 圖4(a)顯示了變化氣孔半徑導致的相位變化. 可以看出， 隨著流體折射率的增加， 相應(yīng)的相移變化速率也會相應(yīng)加快， 這將導致相應(yīng)的靈敏度得到增強. 在氣孔半徑為0.9μm情況下， 當待測折射率值達到1.393， 相應(yīng)的開放雙芯光纖流體傳感器件靈敏度可以達到2 567rad/RIU. 相應(yīng)的探測精度可以達到3.8×10-5RIU. 而隨著氣孔半徑的增加， 可以看出相應(yīng)的相位變化速率減緩， 導致對應(yīng)的靈敏度降低. 而且從圖4(b)也可以看出，TE和TM偏振狀態(tài)下的靈敏度相差比較微弱.

再分析液體填充氣孔半徑對光纖傳感特性的影響， 如圖 5 所示. 當待測折射率值從1.333增長至1.393時， 當液體填充氣孔半徑在12μm和6μm之間時， 相應(yīng)的耦合長度偏移區(qū)別非常明顯. 其原因是小的氣孔半徑可以增強光場與傳感區(qū)域的重疊度(圖 5)， 進而增強相應(yīng)的傳感靈敏特性.

圖 4 傳感特性與氣孔關(guān)系Fig.4 Relationship between transmission characteristics and stomata

圖 5 傳感特性與液體填充氣孔關(guān)系Fig.5 Relationship between sensing characteristics liquid filling stomata

傳感靈敏特性與孔間距之間的關(guān)系， 如圖 7 所示. 可以看出， 隨著間距的增加， 相應(yīng)的耦合長度會增加， 這與光纖的模式束縛能力有關(guān). 在本文所選取的光纖尺寸范圍內(nèi)， 較大的孔間距會降低纖芯模式束縛能力， 相應(yīng)增加能量在傳感區(qū)域的分布和光-物作用程度和靈敏效果.

傳感靈敏特性與傳輸波長之間的關(guān)系， 如圖 7 所示. 可以看出， 隨著波長的增加(或者R/λ值的減小), 相應(yīng)的相位變化速度會增加， 這也將導致靈敏特性的增強， 這也與不同R/λ值情況下光纖的模式束縛能力有關(guān). 在本文所選取的光纖尺寸范圍內(nèi)， 較小的R/λ值會降低纖芯模式束縛能力， 相應(yīng)增加能量在傳感區(qū)域的分布和光-物作用程度和靈敏效果.

圖 6 傳感特性與空間距關(guān)系Fig.6 Relationship between sensing characteristics and spacing distance

圖 7 傳感特性與傳輸波長關(guān)系Fig.7 Relationship between sensing characteristics and transmitting wavelength

3 結(jié) 論

本文提出了一種基于雙光束干涉流體檢測機理的開放雙芯光子晶體光纖結(jié)構(gòu). 通過在雙芯光子晶體光纖包層區(qū)域引入開放導流結(jié)構(gòu)來加快響應(yīng)速度， 同時利用M-Z干涉檢測方式證實了該雙芯光纖流體傳感器件的高靈敏特性. 通過優(yōu)化光纖結(jié)構(gòu)， 可進一步提高傳感結(jié)構(gòu)的靈敏特性， 分析結(jié)果認為該光纖結(jié)構(gòu)針對待測液體折射率分辨能力可達3.8×10-5RIU. 展示了此類雙芯光纖器件在快速高靈敏液體檢測領(lǐng)域的應(yīng)用價值.

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Simulation Analysis of Refractive Index Sensing Characteristics of Side Polishing Double-Core Panda Fiber

TIAN Er-ming, HAN Jian-ning

(School of Information and Communication Engineering, North University of China, Taiyuan 030051, China)

It have been studied that the refractive index sensing characteristics of the double core panda fiber side polished, and analyzed the effects of polishing, core size, core and refractive index on the characteristics of the sensor detail. Through the side polishing method, the panda fiber lateral wall stomata can be connected with outside liquid, this helps to speed up the response. And we can acquire the higher detection sensitivity of the liquid refractive index. The simulation results show that the optimized structure of the double-core panda optical fiber is expected to achieve a sensitivity of 3.8×10-5RIU.

double-core panda fiber； refractive index sensing characteristics； sensing sensitivity

1673-3193(2017)04-0493-05

2016-12-28

國家自然科學基金資助項目(61671414)； 山西省青年基金資助項目(201601D202035)

田二明(1978-)， 男， 講師， 博士， 主要人事光電信息技術(shù)方面的研究.

TH744.1

A

10.3969/j.issn.1673-3193.2017.04.016