基于锥形异质芯结构的高灵敏度SPR折射率传感器

基于锥形异质芯结构的高灵敏度SPR折射率传感器

1、沈伟2、龚凯通讯作者3、冯唐政   4、周敏   5、许建国

1、2、3、湖北交投智能检测股份有限公司

4、武汉理工大学；

5、武汉烽理光电技术有限公司

摘要：本文提出一种基于锥形异质芯结构的高灵敏度光纤表面等离子体共振(Surface plasmon resonance, SPR)折射率传感器。实验结果表明，折射率灵敏度在1.33 ~ 1.43范围内呈非线性递增，待测溶液折射率越接近光纤折射率，增长速率越快。当折射率为1.43时灵敏度最大可达8135.5 nm/RIU。平均灵敏度为3762.3 nm/RIU，是传统异质芯结构的1.25倍。

关键词：折射率传感器，SPR，锥形异质芯结构

1.引言

由于光纤表面等离子体共振(Surface plasmon resonance, SPR)传感器对折射率变化的高灵敏度[1-4]，在生化传感、食品安全、环境监测等领域发挥着至关重要的作用[5]。不仅如此，光纤以其体积小、抗电磁干扰、灵敏度高等优势可在众多领域发挥重要作用[6]。目前以光纤纤芯为基底的光纤SPR传感器类型有端面研磨角度[7]、侧面抛磨型[8,9]。通常这样的加工方法耗时长，实验操作难度大，使光纤机械强度降低、重复性差等问题。以光纤包层为基底的光纤SPR传感器需要将光纤纤芯中的传输光泄露耦合至光纤包层中，以使倏逝场与金属薄膜接触才能发生SPR效应，其研究结果相对较少，目前的方法有拉锥结构 [10, 11]、异质芯结构 [12-14]，U型结构 [15]，这些方法都能有效的激发高阶包层模。为进一步提高灵敏度，本文设计了一种基于锥形异质芯结构的高灵敏度SPR折射率传感器，用于折射率测量。SPR传感器由锥形单模光纤(Tapered single-mode fiber, TSMF)和两端熔接的多模光纤(Multi-mode fiber, MMF)组成。本文从实验上证明了该传感器的性能与传统异质结构SPR传感器相比具有更高的灵敏度。该折射率传感器具有生物检测和离子检测的潜力。

2.传感原理和传感器制作

传感器结构如图1(a)所示。在两个MMF之间熔接一段2cm长沉积有金膜的锥形SMF [16-18]。多模光纤的纤芯直径为105 μm，单模光纤纤芯直径为8 μm。由于两种光纤纤芯直径的不匹配，单模光纤的高阶包层模式被激发。倏逝波与金膜接触，当满足相位匹配条件时，倏逝波与金膜中的自由电子发生共振，自由电子会在特定波段吸收掉部分能量，进而形成塌陷，最后形成SPR共振谷。当外界待测溶液的折射率发生改变时，能量被吸收的波段发生变化，从而导致SPR共振谷的位置发生偏移。SPR折射率传感器便是通过监测SPR共振谷的偏移量是实现的。对单模光纤进行拉锥，光纤直径变小，更多的高阶包层模被激发，被激发的模式阶数越高，折射率灵敏度会增加。

传感器的制作方法如下:首先，将1cm的SMF (Changfei, 8/125 μm)与两段MMF (Changfei, 105/125 μm)通过焊接机(DVP-16, Diweip Fiber Fusion Splicer)焊接。其次，将光纤放在氢氧火焰拉锥机(AFBT-8000MX-H，凯普勒公司)上，利用真空吸附将光纤固定在拉锥机上。氢氧焰加热过程中两端电机往相反方向移动，从而形成锥形光纤。拉锥参数为：拉锥速度120 μm/s，拉锥时间约为65 s，锥形光纤的直径为17 μm，锥形区域的长度大约为5 mm。锥形光纤的直径具体取决于拉锥速度和时间，如图1(b)所示。然后，利用等离子溅射机(ETD-650MS, YLBT)在锥形SMF表面沉积50 nm的金膜完成传感探针的制作。同时，制作无锥形的传统异质芯结构传感器作为对照组。

图1 (a) 锥形异质芯结构SPR传感器原理图，(b) 17 μm的锥形SMF图。

3.实验

实验装置台如图2所示。传感器探头一端连接到光源(HL-1000, WYOPTICS Co. Ltd)，另一端连接光谱仪(USB2000+， Ocean Optic)。左边的多模光纤主要用来注光，右边的多模光纤收集单模光纤纤芯与包层中的光。实验通过对折射率进行测试对传感器的性能进行研究分析。用阿贝折射仪确定甘油水溶液的折射率为1.33-1.43。依次滴加不同折射率的甘油水溶液，得到不同折射率下的光谱。由光谱仪接收到的光谱信息利用计算机实时呈现并进行后处理。需要注意的是，在滴加另一种溶液时，需要将前一种溶液清理掉并用蒸馏水清晰数次，以确保不会影响下一个溶液的折射率值。以镀完金膜的光纤探针在空气中的光谱作为参考谱，不同溶液下的光谱为数据谱，用数据谱减去参考谱，便能够得到SPR共振谷。实验结果如图3所示。图3(a)传统异质芯结构传感器的SPR共振谷曲线，图3(b)为锥形异质芯结构传感器的SPR共振谷曲线。从实验结果可以看到，这两个传感器成功地响应了折射率为1.33 ~ 1.43的液体，并且随着折射率的增加，波长向长波长方向移动。它们的工作范围分别为605.59 nm ~ 905.47 nm和587.16 nm ~ 963.39 nm，明显的可以看出锥形异质芯结构的光纤SPR传感器共振谷波长漂移量比传统异质芯结构的光纤SPR传感器多。将共振波长与折射率进行二次非线性拟合得到图4。两种传感器的波长随折射率的增加呈非线性增加。锥形异质芯结构光纤SPR传感器在折射率为1.43时的灵敏度可达8135.5 nm/RIU。平均灵敏度为3762.3 nm/RIU。传统异质芯结构的光纤SPR传感器折射率平均灵敏度为2998.8 nm/RIU。锥形异质芯结构光纤SPR传感器的平均灵敏度是传统异质芯结构的1.25倍。这表明锥形异质芯结构传感器可以实现折射率传感，并且由于锥形结构的存在，增加了倏逝场的泄露，从而具有更高的灵敏度。

图2锥形异质芯结构SPR传感实验装置图

图3 折射率测试结果 (a) 传统异质芯结构，(b) 锥形异质芯结构。

图4 共振波长与折射率的关系曲线。

4.结论

本文提出一种基于锥形异质芯结构的高灵敏度折射率光纤SPR传感器。利用光纤焊接机在单模光纤两端焊接多模光纤。由于单模光纤与多模光纤芯径不匹配，单模包层的高阶包层模式被激发。对单模光纤进行拉锥处理，光纤直径变小，倏逝场更容易泄露。倏逝波在光纤与金膜表面发生全反射激发SPR效应，实现折射率传感。在折射率范围为1.33-1.43内平均灵敏度可达3762.3 nm/RIU。所设计的SPR传感器具有体积小、灵敏度高、响应速度快等优点，有望在环境监测、生化传感领域得到应用。

参考文献

[1]Alves H P, Nascimento J F, Fontana E, Coêlho, I. J. and Martins-Filho, J. F., “Transition layer and surface roughness effects on the response of metal-based fiber-optic corrosion sensors,” Journal of Lightwave Technology, 2597-2605 (2018).

[2]Zainuddin, N. A. A. M., Ariannejad, M. M., Arasu, P. T., Harun, S. W., and Zakaria, R., “Investigation of cladding thicknesses on silver SPR based side-polished optical fiber refractive-index sensor,” Results in Physics, 102255 (2019).

[3]Zhang, S., Peng, Y., Wei, X., and Zhao, Y., “High-sensitivity biconical optical fiber SPR salinity sensor with a compact size by fiber grinding technique,” Measurement, 112156 (2022).

[4]Li, L. L., Wei, Y., Liu, C. L., Ren, Z., Zhou, A., Liu, Z. H., and Zhang, Y., “Dual-channel fiber-optic surface plasmon resonance sensor with cascaded coaxial dual-waveguide D-type structure and microsphere structure,” Chinese Physics B, 020702 (2023).

[5]Banerjee, Ananya, et al. "A D-shaped refractive index SPR fiber optic sensor for NIR region." Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers (SPIE) Conference Series. Vol. 12327. (2023).

[6]de Carvalho, Pedro Vitor Taranto, Maria Aparecida Gonçalves Martinez, and Maria Thereza Rocco Giraldi. "ITO-Silver SPR Single-Channel Dual Sensor." 2023 SBMO/IEEE MTT-S International Microwave and Optoelectronics Conference (IMOC). IEEE, (2023).

[7]Wei, Yong, et al. "Segmented detection SPR sensor based on seven-core fiber." Optics Express 25.18 (2017): 21841-21850.

[8]Zhou, Yanan, and **n Yan. "D-shaped fiber surface plasmon resonance refractive index sensor enhanced by MXene (Ti3C2Tx)." IEEE Photonics Journal 14.5 (2022): 1-7.

[9]Liu, Chao, et al. "Surface plasmon resonance (SPR) infrared sensor based on D-shape photonic crystal fibers with ITO coatings." Optics Communications 464 (2020): 125496.

[10]Ó. Estebana., F. B., Naranjo., N. Díaz-Herrerab., S. Valdueza-Felipa., M.-C. Navarretec., and A. González-Cano., "High-sensitive SPR sensing with Indium Nitride as a dielectric overlay of optical fibers," Sensors and Actuators B 158 (2011) 372– 376.

[11]Y. Al-Qazwini, A. S. M. Noor, M. H. Yaacob, S. W. Harun, and M. A. Mahdi, "Experimental realization and performance evaluation of refractive index SPR sensor based on unmasked short tapered multimode-fiber operating in aqueous environments," Sensors and Actuators A: Physical 236 (2015), 38-43.

[12]Y. Liao, L. S. Goh, K. Watanabe, N. Shinomiya, W. Jin, D. D. Sampson, R. Yamauchi, Y. Chung, K. Nakamura, and Y. Rao, "A hetero-core spliced fiber optic SPR sensor network for extensive-area natural environment monitoring," in OFS2012 22nd International Conference on Optical Fiber Sensors, (2012), pp. 8421AR-8421AR-8424.

[13]K. Takagi, H. Sasaki, A. Seki, and K. Watanabe, "Surface plasmon resonances of a curved hetero-core optical fiber sensor," Sensors and Actuators A: Physical 161, 1-5 (2010).

[14]Y. G. Soskind, C. Olson, S. Kitagawa, H. Yamazaki, A. Hosoki, M. Nishiyama, and K. Watanabe, "Development of SPR temperature sensor using Au/TiO2on hetero-core optical fiber," in Photonic Instrumentation Engineering III, (2016).

[15]H. Song, Q. Wang, and W.-M. Zhao, "A novel SPR sensor sensitivity-enhancing method for immunoassay by inserting MoS2 nanosheets between metal film and fiber," Optics and Lasers in Engineering 132(2020).

[16]Zhang, Rui, Shengli Pu, and **njie Li. "Gold-film-thickness dependent SPR refractive index and temperature sensing with hetero-core optical fiber structure." Sensors 19.19 (2019): 4345.

[17]Xu, Yao, et al. "High linearity temperature-compensated SPR fiber sensor for the detection of glucose solution concentrations." Optics & Laser Technology 169 (2024): 110133.

[18]Zhang, Si-qi, et al. "High-sensitivity optical fiber SPR sensor with cascaded biconical fiber and hetero-core structure for simultaneous measurement of seawater salinity and temperature." Optics & Laser Technology 170 (2024): 110275.