專利名稱：一種基于表面等離子體共振的光子晶體光纖的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于一種實(shí)芯光子晶體光纖，特別是基于表面等離子體共振的光子晶體光纖。
背景技術(shù)：
作為一種新型光纖，光子晶體光纖由于其具有獨(dú)特的包層結(jié)構(gòu)，越來越受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者們的重視，成為光纖領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。與普通的光纖相比，光子晶體光纖有很多獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，如無截止的單模特性、奇異的色散特性、高雙折射特性、低損耗特性等。光子晶體光纖按照纖芯材料的不同，可以分為實(shí)芯光子晶體光纖和空芯光子晶體光纖，這兩種光纖的導(dǎo)光機(jī)制也不同，分別對(duì)應(yīng)為全內(nèi)反射型和光子帶隙型。光子晶體光纖的包層空氣孔具有很強(qiáng)的可變性，根據(jù)需要設(shè)計(jì)光子晶體光纖的孔直徑或者孔間距兩項(xiàng)參數(shù)，能夠得到不同的光波傳輸特性。除此之外，還可以改變包層空氣孔的排列形狀，以及改變包層空氣孔自身的形狀，都可以獲得新的傳輸特點(diǎn)。光纖傳感器有著廣泛的應(yīng)用前景，不僅抗腐蝕、抗干擾、靈敏度高、光路可彎曲，而且重量輕、體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于形成網(wǎng)絡(luò)?？墒潜M管擁有如此多的優(yōu)點(diǎn)，使用普通光纖作敏感元件的光纖傳感器仍然存在很多缺點(diǎn)和“瓶頸”問題難以解決，如較差的保偏性，較大的耦合損耗，以及交叉敏感等問題。光子晶體光纖的出現(xiàn)突破了傳統(tǒng)光纖的約束，為解決這些困難帶來了希望，其獨(dú)特的性質(zhì)拓寬了光纖傳感領(lǐng)域的范圍。目前來講，光子晶體光纖在光纖傳感方面的主要研究和應(yīng)用在以下幾個(gè)方面光子晶體光纖光柵傳感器、光子晶體光纖干涉型傳感器、摻雜功能材料的光子晶體光纖傳感器。本發(fā)明所提出的傳感結(jié)構(gòu)就是屬于摻雜功能材料的光子晶體光纖傳感器這一類。 由于光子晶體光纖的包層和纖芯都布滿了空氣孔，可以比較容易的向其中注入氣體、液體， 乃至液晶等易流動(dòng)的材料，利用這種優(yōu)勢(shì)研制出了光子晶體光纖氣體傳感器、液體傳感器， 還有基于液晶填充的光子晶體光纖溫度傳感器等。當(dāng)空氣孔內(nèi)填充某些介質(zhì)時(shí)，填充的介質(zhì)會(huì)和光纖中的倏適場(chǎng)發(fā)生作用，使得光纖中的傳輸光強(qiáng)發(fā)生改變，而這些填充介質(zhì)又可以反映周圍環(huán)境的改變，也就是說，環(huán)境變化間接導(dǎo)致了傳輸光強(qiáng)的變化，因此通過分析輸出的光波就可以達(dá)到傳感的目的。表面等離子體共振(SPR)應(yīng)用于傳感是從20世紀(jì)60年代開始，來自德國(guó)的Otto 提出了第一個(gè)SPR傳感結(jié)構(gòu),建立了表面等離子體共振傳感理論，之后，Kretschmann基于衰減全反射的辦法也提出了一種SPR傳感結(jié)構(gòu),稱為Kretschmann傳感結(jié)構(gòu),這兩種結(jié)構(gòu)的主體都是棱鏡系統(tǒng)。表面等離子體共振傳感技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)免標(biāo)記檢測(cè)和無損傷檢測(cè)，并具有實(shí)時(shí)性，在生物、化學(xué)、環(huán)境、醫(yī)學(xué)等許多與人們生活密切相關(guān)的領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用，已經(jīng)成為傳感領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對(duì)上述技術(shù)分析，提供一種基于表面等離子體共振的光子晶體光纖，該光纖為實(shí)芯包層結(jié)構(gòu)，采用該結(jié)構(gòu)光子晶體光纖的光纖傳感器，靈敏度好、傳感特性可調(diào)可控且探測(cè)的環(huán)境范圍更廣。本發(fā)明的技術(shù)方案—種基于表面等離子體共振的光子晶體光纖，為實(shí)芯包層結(jié)構(gòu)，包層內(nèi)設(shè)有三層呈正六邊形排列的空氣孔，第二層空氣孔內(nèi)沉積有金膜。所述實(shí)芯包層的材料為聚乙烯，其折射率為1.508。所述空氣孔的直徑為I μ m，空氣孔間距為2 μ m，三層正六邊形排列空氣孔的外接圓直徑為20 μ m。所述第二層空氣孔內(nèi)壁沉積金膜的厚度為50nm。本發(fā)明的工作機(jī)理該結(jié)構(gòu)的光子晶體光纖基于表面等離子體共振原理。表面等離子體共振(SPR)是一種物理光學(xué)現(xiàn)象，是光在金屬表面作用的結(jié)果。當(dāng)入射的TM波與表面等離子體波具有相同的波矢時(shí)，二者將在金屬界面處發(fā)生能量耦合，部分入射光的能量將被表面等離子體波吸收，從而導(dǎo)致反射光能量的急速減少，在光纖光譜上得到共振吸收峰。SPR現(xiàn)象對(duì)金屬薄層附近被測(cè)物的折射率格外敏感，光在光纖中傳播時(shí)，會(huì)依次與金膜和被測(cè)液體相互作用， 發(fā)生SPR效應(yīng)。當(dāng)被測(cè)液體的折射率發(fā)生變化時(shí)，SPR吸收峰的位置也會(huì)變化，在光子晶體光纖中對(duì)應(yīng)表現(xiàn)為限制損耗吸收峰位置的變化，通過觀察分析光子晶體光纖的限制損耗譜，就能夠感受到被測(cè)液體的折射率變化，達(dá)到了傳感的目的。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是采用該實(shí)芯包層結(jié)構(gòu)光子晶體光纖的光纖傳感器，靈敏度更好， 并且傳感特性隨包層結(jié)構(gòu)的改變而可調(diào)可控，相較于傳統(tǒng)的表面等離子體共振傳感器，探測(cè)的環(huán)境范圍更廣，由于更加微型化，易于探測(cè)一些空間狹窄、環(huán)境惡劣的地方，應(yīng)用前景更加廣泛。


圖I該光子晶體光纖截面結(jié)構(gòu)示意圖。圖中1.包層2.第一層空氣孔3.第二層空氣孔4.第三層空氣孔5.金屬膜圖2是有效折射率的實(shí)部與波長(zhǎng)的關(guān)系圖。圖3是光子晶體光纖的損耗與波長(zhǎng)的關(guān)系圖。圖4是空氣孔折射率由I. 33變?yōu)镮. 34時(shí)，光子晶體光纖的損耗譜。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例一種基于表面等離子體共振的光子晶體光纖，如圖I所示，為實(shí)芯包層結(jié)構(gòu)，材料為聚乙烯，其折射率為I. 508，包層I內(nèi)設(shè)有三層呈正六邊形排列的空氣孔2、3、4，空氣孔的直徑(d)為lym，空氣孔間距(Λ)為2μπι，三層正六邊形排列空氣孔的外接圓直徑為 20 μ m，第二層空氣孔3內(nèi)沉積有厚度為50nm的金膜。用有限元軟件建立此發(fā)明的傳感結(jié)構(gòu)模型，模擬傳感過程，計(jì)算光子晶體光纖的有效折射率，此有效折射率為一復(fù)數(shù)，其實(shí)部可以反應(yīng)光子晶體光纖的色散特性，虛部則可以用來求解光子晶體光纖的損耗特性。有效折射率實(shí)部和虛部的變化規(guī)律如圖2和圖3所
由圖2可以看出，隨著波長(zhǎng)的增大，光子晶體光纖的有效折射率的實(shí)部逐漸減小。 在圖3中，光子晶體光纖有三處損耗吸收峰，損耗吸收峰所在的位置，就表示該波長(zhǎng)下發(fā)生了 SPR現(xiàn)象。第一處損耗峰峰值最小，損耗峰較寬且有小型震蕩峰，此500nm 600nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)的損耗峰不利于觀察；其它兩處損耗吸收峰都十分明顯，峰值較大，易于分辨和記錄。因此在制作傳感器時(shí)，采用波長(zhǎng)掃描法監(jiān)測(cè)光纖損耗，為了得到清晰突出的損耗譜，可以不使用短波段的波長(zhǎng)。采用該實(shí)芯包層結(jié)構(gòu)光子晶體光纖的光纖傳感器，用于傳感液體折射率的變化， 靈敏度更好，并且傳感特性隨包層結(jié)構(gòu)的改變而可調(diào)可控。將被測(cè)液體注入沉積有金膜的第二層空氣孔內(nèi)，當(dāng)被測(cè)液體的折射率變化Λη時(shí)，損耗吸收峰會(huì)發(fā)生位移Λ λ，通過下式計(jì)算可求出傳感器的靈敏度S，S = Λ λ/An(RIU)。若被測(cè)液體折射率從I. 33變化至
I.34,即Δη = O. 01,從圖4可以看出，損耗吸收峰的位置變化了 Δλ = 5nm, S = 500nm/ RIU。
權(quán)利要求
1.一種基于表面等離子體共振的光子晶體光纖，其特征在于為實(shí)芯包層結(jié)構(gòu)，包層內(nèi)設(shè)有三層呈正六邊形排列的空氣孔，第二層空氣孔內(nèi)沉積有金膜。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述基于表面等離子體共振的光子晶體光纖，其特征在于所述實(shí)芯包層的材料為聚乙烯，其折射率為I. 508。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述基于表面等離子體共振的光子晶體光纖，其特征在于所述空氣孔的直徑為I μ m，空氣孔間距為2 μ m，三層正六邊形排列空氣孔的外接圓直徑為20 μ m。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述基于表面等離子體共振的光子晶體光纖，其特征在于所述第二層空氣孔內(nèi)壁沉積金膜的厚度為50nm。
全文摘要
一種基于表面等離子體共振的光子晶體光纖，為實(shí)芯包層結(jié)構(gòu)，包層內(nèi)設(shè)有三層呈正六邊形排列的空氣孔，第二層空氣孔內(nèi)沉積有金膜，所述實(shí)芯包層的材料為聚乙烯；所述空氣孔的直徑為1μm，空氣孔間距為2μm，三層正六邊形排列空氣孔的外接圓直徑為20μm；所述第二層空氣孔內(nèi)壁沉積金膜的厚度為50nm。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是采用該實(shí)芯包層結(jié)構(gòu)光子晶體光纖的光纖傳感器，靈敏度更好，并且傳感特性隨包層結(jié)構(gòu)的改變而可調(diào)可控，相較于傳統(tǒng)的表面等離子體共振傳感器，探測(cè)的環(huán)境范圍更廣，由于更加微型化，易于探測(cè)一些空間狹窄、環(huán)境惡劣的地方，應(yīng)用前景更加廣泛。
文檔編號(hào)G02B6/02GK102590930SQ20121004769
公開日2012年7月18日 申請(qǐng)日期2012年2月28日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月28日
發(fā)明者任廣軍, 劉蓓, 呂蕾, 董莉 申請(qǐng)人:天津理工大學(xué)