“智能光子应用技术”专栏 | MDPI Sensors：基于双面抛光双芯微结构光纤的表面等离子体共振传感器

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引言✦

表面等离子体共振 (SPR) 是一种独特的光学性质，指在p偏振光辐射下，金属层和电介质表面之间界面处自由电子振荡的共振激发，对周围介质的折射率 (RI) 变化极其敏感。因此，SPR在生物学、化学和环境医学等不同领域具有广泛的传感应用。最初，大多数SPR传感器基于Kretschmann–Raether棱镜几何结构，但基于棱镜的SPR传感设备具有体积大、机械可靠性有限、成本高、不适合分布式传感和大规模生产的缺点，难以适应光通信技术的发展。为有效克服该类传感器的局限性，已经开发了基于光纤的SPR传感器，其中光纤充当棱镜，将入射光与等离子体激元耦合。

与基于棱镜的器件相比，光纤设计更简单、更灵活，可以在很大程度上减小传感器的尺寸。此外，电磁抗扰性、高度集成、机械稳定性和现场监测的优势使光纤设计变得更具吸引力。然而，基于光纤的SPR传感器的核心模式和表面等离子体激元 (SPP) 模式之间的相位匹配条件很难满足。原则上，当两种模式的有效折射率 (neff) 值相同时，就会发生相位匹配。对于单模光纤，SPP模式的neff通常与相邻分析物的neff接近。例如，水的neff为1.33，堆芯模式的neff接近堆芯材料的neff，而对于大多数实际材料来说，它们neff值高于1.45。因此，相位匹配仅在更高频率下发生，并且高频限制了等离子体激元进入分析物的穿透深度，这降低了传感器的灵敏度。为缓解基于光纤的SPR传感器的相位匹配问题，基于微结构光纤 (MOF) 的SPR传感器因其设计灵活性得到了广泛研究。通过改变空气孔沿传播方向的大小、形状和排列，可以将neff调谐到预期值，从而解决核心模式与SPP模式之间的相位匹配问题。基于MOF的SPR传感器由于其独特的结构特性和新颖的光学性能，可以显著提高传感性能。然而，基于MOF的SPR传感器的RI检测存在一定的检测范围，限制了其在生物和化学传感领域的应用。例如，当MOF的背景材料RI为1.45时，为满足全反射条件，低RI MOF-SPR传感器的分析物RI (n_a) 的检测上限通常低于1.42，而高RI MOF-SPR传感器的检测下限n_a通常高于1.45。此外，这些传感器的气孔尺寸在微米量级，这使得在实际制造中难以涂覆金属或填充分析物。

本篇发表在Sensors 上的研究文章，提出了一种基于双面抛光的双芯微结构光纤SPR传感器。双面抛光结构可以涂上金膜，然后直接与分析物接触，有助于降低传感器的制造难度。双芯可以减少全反射条件对光纤的影响，使传感器可以在较宽的n_a范围内工作，特别是在1.42~1.46范围内，这是其他基于MOF的SPR传感器无法实现的。

 研究内容 

图1为本研究所提出的基于双面抛光双芯微结构光纤的SPR传感器示意图。这种结构可通过带有3D机械平台的轮抛光装置获得，该机械平台可以沿X、Y和Z方向移动。利用光源和光谱分析仪在线监测抛光过程中的透射光谱，抛光位置、长度和深度可通过计算机程序轻松设置和精确操作。不像在小气孔的内表面涂一层金膜那么困难，该研究用金这种等离子体材料涂在抛光表面。图中相邻两个气孔 (Λ) 中心距离为3 µm，气孔直径 (d) 为0.5Λ。金膜厚度 (m) 为40 nm，从纤维中心到抛光表面的抛光深度 (h) 为2.1Λ。利用商用软件COMSOL对该传感器的模式特性和传感性能进行了仿真。在外围计算区加入一层完全匹配层 (PML)，用于吸收散射光。该传感器中使用熔融二氧化硅作为背景材料，空气的RI设置为1，并将其RI设置为1.45，以检测n_a范围，这是其他基于MOF的SPR传感器无法实现的。

图1. (a) 提出的基于双面抛光MOF的双芯SPR传感器示意图；(b) 基于MOF的SPR传感器的横截面。

与其他双芯MOF一样，该传感器可以在基本模式中支持四种超模式。图2显示了当n_a = 1.44时，四种超模在1100 nm处的电场分布。图2中的插图A和B分别表示x偏振方向的x-偶模和x-奇模，C和D分别表示y极化方向上的y-偶模和y-奇模。因为y极化的核心模式与电场平行于金膜表面，不易与SPP模式耦合，所以这里只研究了x极化的核心模式的耦合特性。

图2. n_a为1.44：(A) x-偶模式，(B) x-奇模式，(C) y-偶模式，(D) y-奇模式时，四种基态超模在1100 nm处的电场分布 (箭头表示电场方向)。

理论上当核心模式和SPP模式的neff实部 (Re(neff)) 相等时满足它们之间的相位匹配条件。将两种模式相互耦合，可以实现从核心模式到SPP模式的最大能量转移。图3给出了x-偶数核心模式和x-偶SPP模式的Re(neff) 曲线、x-偶数核心模式的损耗谱以及n_a = 1.44、1.45和1.46时相关模式的电场分布。图3(a) 中黑色实线表示x-偶数核心模式的Re(neff)，红色实线、虚线和点状虚线分别表示n_a = 1.44、1.45和1.46时x-偶SPP模式的Re(neff)。蓝色实线、虚线和点状虚线分别表示n_a = 1.44、1.45和1.46时x-偶数核心模式的损耗 (图3(b))。以n_a = 1.44为例。x-偶数核心模式 (图3(c) 的插图A) 和x-偶SPP模式 (图3(c) 的插图B) 在1518 nm波长处 (图3(a), (b) 中的C点) 耦合 (图3(c) 的插图C)。在该波长 (也称为共振波长) 处，出现了一个明显的损耗峰 (见图3(b) 中蓝色实线曲线)，表示从x-偶数核心模式向x-偶SPP模式的最大能量转移。图3(c) 中的插图D、E、F、G分别表示了D、E、F、G点的电场分布 (图3(a), (b))，也可以表示在n_a = 1.45、1.46时x-偶数核心模式向x-偶SPP模式的能量传递。如图3，由于n_a从1.44到1.45和从1.45到1.46的变化，共振波长的值分别从1518到1533 nm和从1533到1556 nm发生了位移。可以观察到n_a的微小变化会导致共振波长的显著变化。

图3. (a) 在n_a = 1.44、1.45和1.46时，x-偶数核心模式 (黑线) 和x-偶SPP模式的有效折射率 (Re(neff)) 曲线的实部分别用红色实线、虚线和点状虚线表示；(b) n_a = 1.44、1.45和1.46时x-偶数核心模式的损耗谱，分别用蓝色实线、虚线和点状虚线表示；(c) 当n_a = 1.44时，x-偶数核心模式A在1100 nm处、x-偶数核心模式B在1340 nm处、x-偶数核心模式C在1518 nm处的电场分布；当n_a = 1.45时，x-偶数核心模式D在1350 nm处、x-偶数核心模式E在1533 nm处的电场分布；x-偶数核心模式F在1430 nm处、x-偶数核心模式G在1556 nm处的电场分布。

当n_a在1.44~1.46范围内变化时，x-奇数核心模式的Re(neff) 曲线 (黑色实线) 和x-奇SPP模式 (红色实线、虚线和点状虚线) 和x-奇数核心模式的损耗谱 (蓝色实线、虚线和点状虚线) 以及相关模式的电场分布如图4所示。与x-偶数核心模式的耦合特性类似，当n_a = 1.44时，在波长1518 nm处 (图4(a), (b) 中的C点)，当n_a = 1.45时，在波长1533 nm处 (图4(a), (b) 中的E点)，当n_a = 1.46时，在1556 nm处 (图4(a), (b)中的G点)，x-偶数核心模式与x-偶数核心模式之间的相位匹配条件满足。在共振波长处，n_a值分别为1.44、1.45、1.46时对应的电场分布如图4(c) 的插图C、E、G所示。对比图3(a), (b) 可以发现x-偶数核心模共振波长随n_a从1.44增加到1.46而变长，x-偶数核心模共振波长随n_a从1.44增加到1.45而变短，而x-偶数核心模共振波长随n_a从1.45增加到1.46而变长。这种意想不到的峰值行为扰乱了SPR传感器的规律性，因此不能用于检测分析物RI的变化。

图4. (a) x-奇数核心模态 (黑线) 和x-奇SPP模态在n_a = 1.44、1.45和1.46时的Re(neff) 曲线，分别用红色实线、虚线和点状虚线表示；(b) 分别用蓝色实线、虚线和点状虚线表示的n_a = 1.44、1.45和1.46时x-奇数核心模的损耗谱；(c) 电场分布的x-奇数核心模式A在1100 nm，x-奇SPP模式B在1340 nm，x-奇数核心模式C在1561 n_a = 1.44 nm，电场分布x-奇SPP模式D在1350 nm，x-奇数核心模式E在1556 n_a = 1.45 nm，电场分布的x-奇SPP模式F在1430 nm，x-奇数核心模式G在1572 n_a = 1.46 nm。

为了进一步评估所设计传感器的性能，文章在表1给出了在1.35~1.47 n_a范围内的峰值波长、峰值损耗、波长灵敏度、最大振幅灵敏度以及最大振幅不同m的波长等几个传感参数的汇总。通过对这些参数的详细研究，发现m可以影响峰值波长和峰值损耗，从而影响波长灵敏度、最大振幅灵敏度和最大振幅灵敏度所对应的波长。值得注意的是，最大振幅灵敏度的波长变化趋势与峰值波长大致相同，最大振幅灵敏度与最大特定波长的总损耗有关，而最大特定波长的总损耗一般发生在共振峰附近。m的变化对单核MOF-SPR传感器的传感性能影响较小，而对所提出的双芯MOF-SPR传感器的传感性能影响更大且更不规则，说明该双芯结构对金膜厚度更敏感。然而，设计的双芯MOF传感器即使在其他金膜厚度下也可检测到更大的RI范围，并且在n_a属于1.41~1.43的范围内具有更高的波长和幅度灵敏度。

总的来说，所设计的传感器具有检测大RI范围的能力，所以比d形MOF-SPR传感器更具竞争力。与单芯双面抛光MOF-SPR传感器相比，设计的双芯结构可以检测到高于MOF背景材料RI的n_a。虽然其他结构 (如内涂覆或沟槽MOF-SPR传感器) 可以检测到广泛的RI范围，但设计的双面抛光结构具有优点，它易于涂覆金膜，并具有外部传感通道，这使其成为实时传感器的理想选择。

表1. m值分别为30、40和50 nm时，x-偶数核心模式在n_a为1.35~1.47范围内的传感参数比较。

 研究总结 

本文提出并数值研究了一种基于双面抛光双芯微结构光纤的SPR传感器，以实现大范围的n_a检测。金层和分析物层被放置在MOF结构之外，这可以简化制造过程。在波长和振幅分析中，采用有限元法研究了传感器的耦合特性、传感性能以及金膜厚度对传感器的影响。由于x-奇数模式的峰值行为干扰了SPR传感器的规律性，因此确定x-偶数模式来分析SPR传感器的传感性能。仿真结果表明，当背景材料RI为1.45时，该传感器可以检测到1.35~1.47的较大n_a范围，并且在n_a为1.42~1.43范围内具有较高的波长灵敏度和幅度灵敏度。该传感器克服了其他传统MOF-SPR传感器无法在1.42~1.46 n_a范围内工作的缺陷，在生物和化学传感领域显示出巨大的潜力。

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原文出自Sensors 期刊：

Han, H.; Hou, D.; Luan, N.; Bai, Z.; Song, L.; Liu, J.; Hu, Y. Surface Plasmon Resonance Sensor Based on Dual-Side Polished Microstructured Optical Fiber with Dual-Core. Sensors 2020, 20, 3911.

撰稿人：岳洋

 专栏简介 

“智能光子应用技术”专栏由Sensors 期刊编委岳洋教授 (西安交通大学) 主持，专注于光通信、光感知、光芯片等智能光子学领域的前沿进展与创新应用。

 专栏编辑

岳洋 教授

西安交通大学

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西安交通大学信息与通信工程学院教授、博士生导师，SPIE会士、IEEE/Optica高级会员、智能光子应用技术实验室 (iPatLab) 创始人及现任PI。致力于光通信、光感知、光芯片等智能光子学领域的基础及应用研究。已发表论文240余篇 (包括Science)，特邀论文10余篇，申请及授权专利60余项 (包括美国专利25项、欧洲专利9项，已授权30余项)，编著英文书5部，英文书章节2章，Google学术引用10,000余次，获邀报告200余次 (包括1次Tutorial，30余次Plenary和50余次Keynote)。现任IEEE Access、Frontiers in Physics副主编，Sensors 等4个学术期刊编委，J. Lightw. Technol. 等特刊客座编辑10余次，国际会议主席、技术委员会委员100余次，70余学术期刊审稿人。

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*本文内容由Sensors 期刊编委岳洋教授撰写，文中涉及到的论文翻译部分，为译者在个人理解之上的概述与转达，论文详情及准确信息请参考英文原文。本文遵守 CC BY 4.0 许可 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/)。如需转载，请于公众号后台留言咨询。

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