基于微纳光纤耦合器的折射率传感研究.pdf

目前一些超细直径的微纳光纤耦合器虽具有极高的灵敏度,然而极细的直径亦使得这些光纤耦合器非常脆弱,使得在传感应用中可能会产生一些问题:很难将这种耦合器从实验制造平台转移到微流控生物传感器中;易受环境影响而不够稳定。为了解决上述问题,分别从实验和理论上研究一种直径为 6.25 m 的微纳光纤耦合器,这种光学耦合器在外部折射率(refractive index,RI)为 1.339 8 时能达到-1 753 nm/RIU 的高折射率灵敏度。基于有限元分析方法(finiteelement method,FEM),计算出偶/奇模的有效折射率和折射率灵敏度并与实验测试结果比对。本文制作的光纤耦合器可以很好地运用在光纤微流控生物传感等其他实验室芯片上的多功能传感中,有良好的实用前景。关键词:光纤;耦合器;折射率灵敏度;有限元分析;稳定性中图分类号:TN253 文献标志码:A 文章编号:1001-6600(2023)03-0031-10近些年,高灵敏度和高稳定性传感器在环境监测、食品安全、生物医学诊断等领域的需求度越来越高1-5。同时光纤传感器具有成本低、体积小、灵敏度高和抗电磁干扰等多种特点,在各种传感应用中得到广泛关注。当光纤传感器外部折射率发生微弱变化时,通过光纤的光信号会发生变化,通过检测光信号的变化从而达到感知光纤外部环境变化的效果,其中折射率灵敏度是光纤传感器的一个重要特性6-8。现实中,尤其是在生物医学诊断领域,在诊断和治疗疾病时提高传感灵敏度可以给医生带来巨大帮助,这在医疗领域有着巨大意义9-11。为了提升灵敏度,许多研究都采取增大光纤的倏逝波透射深度、增大感应长度、减小感应芯径的策略12,研究人员通常通过先进的拉锥技术将光纤变为极细的光纤马赫-曾德(Mach-Zehnder,M-Z)干涉仪13-17。选择合适的掺锗石英光纤可以获得高消光比和高 Q 因子的光纤马赫-曾德干涉仪透射光谱;其次用掺锗石英光纤制造的光学传感器通常可以达到 1 0002 000 nm/RIU的高折射率灵敏度,然而与普通的商用单模光纤相比掺锗石英光纤价格过于昂贵18-21。近年来,一种高性价比的光纤器件(即微纳光纤耦合器)出现在大众视野中,其超高的折射率灵敏度以及在生物医学传感领域中的应用引起了广泛关注。Li 等22设计了一种直径为 700 nm 超细的光纤耦合器(optical nanofiber coupler,ONC),这种耦合器的气体灵敏度最高可以达到-92 020 nm/RIU。同时,一些研究人员发现,调节色散拐点(dispersion turning point,DTP)可以大大增强光纤耦合器的灵敏度。在此基础上,Li 等23发现在 SRI 约为 1.333(此时耦合器的直径仅为 1.8 m)时,光纤耦合器的灵敏度可以达到59 624 nm/RIU和-58 470 nm/RIU。Zhou 等24通过调节 DTP 得到直径为 0.7 m 的耦合器,并基于此在实验中展示了一种超灵敏的光纤耦合器生物传感器,用于检测 cTn1 蛋白,检测限低至 2 ng/L。另一方面,收稿日期:2022-06-10 修回日期:2022-07-21基金项目:国家自然科学基金(62105001,61505001,61307098,61741501);安徽省高校协同创新计划(GXXT-2020-050);安徽省自然科学基金(2008085MF207);安徽省科学研究与技术带头人基金会(2017H124);安徽省高校自然科学基金(KJ2018ZD002);广西核物理与核技术重点实验室开放课题(NLK2021-11);广西高校中青年教师科研基础能力提升项目(RZ2200001612)通信作者:李宏韬(1991),男,河南信阳人,安徽大学副教授,博士。E-mail:广西师范大学学报(自然科学版),2023,41(3)一些研究人员发现,基于游标效应,光纤耦合器的灵敏度可以得到极大提高25-27。Jiang 等28研究了一种利用游标效应制作的双光纤耦合器(dual-microfiber coupler,MFC),可以在 3.5 m 的宽度上实现灵敏度的大幅提高,达到 126 540 nm/RIU。尽管直径在 3 m 左右或远低于 3 m 的光纤耦合器可以具有超高的灵敏度,然而过细的耦合器非常脆弱,这对将器件转移到微流控芯片、包装芯片以及在进一步的生物医学诊断、环境监测等其他应用中长时间测量都是非常困难的。为了解决上述问题,本研究提出一种应用于折射率传感的相对直径较宽的光纤耦合器。与常规超细光纤耦合器相比,本研究提出的直径为 6.25 m 的传感器不需要使用专门的工具就可以很容易地转移到传感芯片中,其最高灵敏度可以达到-1 753 nm/RIU,稳定性亦很好。1 微纳光纤耦合器的制造及其传感特性1.1 微纳光纤耦合器的制造借助于搭建的氢氧焰拉锥平台,使用熔融拉锥技术制做直径超过 5 m 的光纤耦合器,通过将 2 根标准通信单模光纤相互缠绕,并在火焰加热后拉制成锥形来实现对光学微纳光纤耦合器的制造。在制造过程中,氢气的流速控制在 200 mL/min,点燃氢气并对光纤持续加热 1 min。随后启动机械步进电机,在实验中选取最佳运行速率为 0.04 mm/s 对光纤进行拉制。最终制作出一个腰锥直径(D)为 6.25 m 的微纳光纤耦合器,并使用光学显微镜测量其光学图像,如图 1(a)所示。与常规的极细光纤耦合器相比,本文制造的光纤耦合器可以很容易地转移到传感器芯片中。通过光刻技术在电木板上刻制 2 个宽度为 500 m 的狭窄通道和一个长方体的感应区域来制成传感器芯片。为了提高传感芯片的稳定性,在芯片的表面沉积一层极薄的对二甲苯涂层。图 1(b)为测量不同折射率氯化钠溶液的实验装置。波长为 1 2501 650 nm 的近红外光可以从一个宽带光源(BLS)发出,并用光谱分析仪(OSA)读取和记录耦合器在不同折射率溶液中的光谱。图 1 使用光学显微镜拍摄的光纤耦合器的光学图像和氯化钠水溶液折射率传感实验装置Fig.1 Optical image of the fabricated optical microfiber coupler using optical microscope andexperimental setup for refractive index sensing of NaCl aqueous solution23http:1.2 折射率灵敏度测试保持环境温度为 24(由于温度变化会使得传输光谱发生变化,因此在测试耦合器折射率灵敏度特性时要保持环境温度不变),将耦合器的耦合区置于微流控芯片感应区域,向传感器芯片中依次注入不同浓度(折射率分别为1.339 8、1.342 8、1.346 0、1.348 1、1.350 1和1.353 5)的氯化钠溶液(微流控芯片感应区域长 40 mm、宽 5 mm、高 5 mm),测试光纤耦合器的折射率灵敏度特性。耦合器装置对折射率的光谱响应可以由图 2(a)看出。在图 2(a)中可以看到传输光谱出现了规律的蓝移。为了方便分析所制造的光学装置的灵敏度,选择 3 个不同的干涉峰来研究灵敏度,所选干涉峰中心点分别为 A、B 和 C。通过图 2(bd)得到干涉峰在不同折射率下的灵敏度,在氯化钠水溶液中,不同干涉峰对折射率的灵敏度是不同的。从图 2(bd)可以看出,通过线性拟合,可以得到实验中 3 个干涉峰中心点的灵敏度分别为-1 753 nm/RIU(图 2(b)、-1 393 nm/RIU(图 2(c)和-1 318 nm/RIU(图 2(d)。图 2 耦合器在不同折射率下的透射光谱及干涉峰中心点波长与外部不同折射率的线性拟合Fig.2 Transmission spectrum of the fabricated optical microfiber coupler in NaCl aqueous solutions with different refractiveindices and the linear fitting between dip wavelengths and external different refractive indices for different dips1.3 与其他器件折射率灵敏度对比为了体现出本文所述的耦合器在折射率灵敏度中的优势,列举一些经典结构器件与耦合器折射率灵敏度性能的对比。为了便于对比,本文又制作了另一直径的耦合器并测出其灵敏度用于对比。1.3.1 直径为 7 m 的耦合器以同样方法对制作的另一款锥区直径为 7 m(图 3)的耦合器进行测试。从图 3(c)可以看出,通过线性拟合,可以得到实验中干涉峰中心点的灵敏度为-1 663 nm/RIU。1.3.2 器件之间的对比器件折射率的灵敏度对比如表 1 所示。由表 1 可知,在对比的 9 种器件中,本研究直径为 6.25 m 的光纤耦合器折射率灵敏度最好,为-1 753 nm/RIU。33广西师范大学学报(自然科学版),2023,41(3)a*J+35+bNaCl c1.336 41.354 91.342 91.360 21.348 11.366 11 5401 5301 5201 5101 5001 490Wavelength/nmTransmission/dB5051015202530Wavelength/nm1 450 1 500 1 550 1 6001.335 1.340 1.345 1.350 1.355 1.360 1.365 1.370External refractive indexJU?N(UUc图 3 锥区直径为 7 m 的耦合器的特性Fig.3 Characteristics of a coupler with a cone diameter of 7 m表 1 器件折射率的灵敏度对比Tab.1 Comparison of device refractive index sensitivity器件名称折射率灵敏度/(nmRIU-1)参考文献级联长周期光栅的高灵敏度传感器29729基于黑磷的多共振折射率传感器18030粗锥结构级联 LPFG 的双包层光纤多参量传感器214.8431D 型高双折射率光子晶体光纤 SPR 传感器1 711.8332单模无芯细芯无芯单模结构-13533细芯 S 锥和球形结构-201.190 7434基于螺旋锥的马赫-曾德尔干涉仪光纤传感器711.3635本研究的光纤耦合器(直径为 6.25 m)-1 753本文直径为 7 m 的耦合器-1 663本文2 光纤耦合器的物理机制为了解释所制造的光纤耦合器的理论传感特性,采用超模理论来解释这种耦合现象。图 4 展示了器件直径(D)为 6.25 m,耦合长度(L)为 7 mm 时,TE/TM 极化的偶模和奇模之间的相互作用示意图。基于超模理论36,TE 或 TM 偏振的输入光功率 P0可以发射到输入端口。在耦合区,偶模或奇模可以被激发,2 个模式沿耦合区传播并累积相位差。输出 1 和输出 2 的输出功率可以通过以下公式确定37:P1=P0cos22(),(1)43http:P2=P0sin22(),(2)=keven-kodd=2(neveneff-noddeff)L。(3)式中:P1和 P2分别代表输出 1 和输出 2 的输出功率;表示偶模和奇模之间的累积相位差。测量出实际耦合长度(L)为 7 mm。由于 2 个模式之间的差异对于 TE 或 TM 偏振来说非常小,因此,这样的耦合器是一个偏振无关设备。为了方便计算,本研究在下面的计算中只考虑 TE 偏振光。为了研究透射光谱的干涉峰,偶模和奇模之间的相位差 应满足以下关系,M=2M(neveneff-noddeff)L=(2M-1),(4)式中:M表示第 M 个干涉峰中心点的波长;M表示第 M 个中心点的累积相位差;M 为正整数。图 4 设计的光纤耦合器的示意Fig.4 Schematic diagram of the proposed optical microfiber coupler基于实验测量得到的光谱,对干涉峰中心点 A、B、C 进行理论分析。使用有限元分析仿真软件(COMSOL Multiphysics),可以得出图 5 中偶模和奇模不同有效折射率的模态分布的模拟结果。当模拟的外部折射率为 1.339 8,波长为 1 379 nm 时,偶模和奇模的有效折射率分别为 1.422 7 和 1.416 8。在波长为 1 492 nm,折射率为 1.339 8 时,得到 2 个模式的有效折射率分别为 1.420 1(偶模)和 1.412 9(奇模)。在波长为中心点 C 处时,奇模和偶模的有效折射率分别为 1.417 5 和 1.408 9。由于不同干涉峰中心波长对应的奇模和偶模有效折射率之间的差异很小,因此耦合模式的模态分布看作是相同的。通过引起光纤耦合器周围折射率的微弱变化,耦合器的衰减场与光功率之间的重叠是相互作用的,偶模被引入到奇模中发生干涉。因此,外部折射率变化的光谱响应可表示为38S=Mnliquid=M(neveneff-noddeff)+M(noddeff-neveneff)(neveneff-noddeff)nliquid。(5)式中(noddeff-neveneff)为奇模和偶模之间的模式色散差异;G=M(neveneff-noddeff)+M(noddeff-neveneff)表示 TE 极化的偶模和奇模之间的有效群折射率差。从式(5)可以看出,(noddeff-neveneff)和(neveneff-noddeff)nliquid由偶模和奇模的有效折射率、入射波长 及液体的外部折射率等决定。因此采用有限元法计算不同干涉峰中心点对应的外部折射率 nliquid以及波长 与有效折射率的关系,如图 6 所示。在图 6(ac)中,可以得到偶模的有效折射率比奇模的有效折射率高出许多。由于外加分子强度很容易引起微光纤波导中的模式泄漏随着外部折射率的增加,偶模和奇模的有效折射率亦有增加趋势。从图 6(df)可以得到所有有效折射率都随波长增大53广西师范大学学报(自然科学版),2023,41(3)图 5 不同波长下偶模和奇模的模拟模态分布Fig.5 Simulated modal distributions at different wavelength而减小。在不同波长 M下,用(neveneff-noddeff)nliquid和(noddeff-neveneff)表示光纤耦合器灵敏度并进行计算。根据图 6,计算出(neveneff-noddeff)nliquid和(noddeff-neveneff)的结果,如图 7(a)所示。在波长为 1 379、1 492 和1 607 nm时,计算出(neveneff-noddeff)nliquid和(noddeff-neveneff)的微分结果分别为0.016 89、0.016 34、0.013 66和-1.59910-6、-1.46510-6、-1.49810-5。根据以上获得的数值结果计算出 3 个干涉峰波长中心点的 G 值小于 0,这些结果可以很好地解释干涉峰蓝移,其中光纤耦合器浸入不同折射率的氯化钠水溶液中。最后,图 7(b)显示了 3 个干涉峰基于实验测量的灵敏度与基于数值计算的理论灵敏度的比较。从图 7(b)可以看出,计算出器件直径为63http:图 6 外部折射率 nliquid以及波长 与有效折射率的关系Fig.6 Relationship between external refractive index nliquidand the wavelength 6.25 m 时,在 1 379、1 492 及 1 607 nm 的 干 涉 峰 下 的 理 论 灵 敏 度 分 别 为-1 442、-1 746 及-1 418 nm/RIU。在这种情况下,可以看到实验灵敏度可以很好地与理论结果吻合。由式(4)和式(5)可以看出当偶模和奇模的有效折射率相等时,光谱响应 S 值趋于无穷,即偶模和奇模的有效折射率差越小,耦合器的灵敏度越高。通过改变耦合器锥区直径的大小改变有效折射率的值,进一步获得更高的折射率灵敏度。综上所述,耦合器性能提升的关键影响因素是锥区直径的宽度。与郝晋青等39制作的耦合器相比优化了直径,更易于转移和使用。73广西师范大学学报(自然科学版),2023,41(3)图 7 不同 M下(neveneff-noddeff)nliquid和(noddeff-neveneff)的微分结果和实验灵敏度与理论灵敏度的比较Fig.7 Wavelength dips as function of differential results of(neveneff-noddeff)nliquidand(noddeff-neveneff),and the comparison of experimentalsensitivities based on measured values with theoretical sensitivities based on numerical calculations at three wavelength dips3 结语本研究提出并制作一个直径为 6.25 m 的微纳光纤耦合器,用于折射率传感的应用。通过使用超模理论和有限元分析法,计算并获得 TE 偏振的奇偶模间的有效群折射率差,与此同时根据实验结果获得 3个干涉峰中心波长的理论灵敏度。其次测量的实验灵敏度可以与理论结果很好地吻合。因此,本文描述的光纤耦合器可以在生物医学诊断、环境监测及食品安全检测等领域中得到合适的应用。通过将耦合器直径变细,可以将耦合器的性能进一步提升,然而过细的直径不便于后期使用。本课题下一步将利用纳米颗粒或者二维材料对光纤进行修饰,通过激发局域表面等离子共振(localized surface plasmon resonance,LSPR)或表面等离子共振(surface plasmon resonance,SPR)来提升耦合器的性能40-41,避免直径过细带来的不稳定。参 考 文 献1 MODI A,KORATKAR N,LASS E,et al.Miniaturized gas ionization sensors using carbon nanotubesJ.ChemInform,2003,34(40):389-406.DOI:10.1002/chin.200340238.2KIM J,CAMPBELL A S,DE VILA B E F,et al.Wearable biosensors for healthcare monitoring J.NatureBiotechnology,2019,37(4):389-406.DOI:10.1038/s41587-019-0045-y.3XU H,XIA A Y,WANG D D,et al.An ultraportable and versatile point-of-care DNA 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