基于光子晶体光纤表面等离子体共振的温度和磁场双参量传感器

李佳欢; 裴丽; 王建帅; 吴良英; 宁提纲; 郑晶晶

doi:doi:10.3788/CJL201946.0210002

中国激光, 2019, 46 (2): 0210002, 网络出版: 2019-05-09

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Temperature and Magnetic Field Sensor Based on Photonic Crystal Fiber and Surface Plasmon Resonance

论文大纲

李佳欢 ^*裴丽王建帅吴良英宁提纲郑晶晶

作者单位

北京交通大学光波技术研究所全光网络与现代通信网教育部重点实验室, 北京 100044

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摘要

设计了一种光子晶体光纤(PCF)结构,基于新结构PCF和表面等离子体共振(SPR)效应实现了温度与磁场双参量传感。采用全矢量有限元方法对该传感器的理论模型进行了分析,结果表明,当温度在20~50 ℃内时,传感器的温度灵敏度可达-493.6 pm/℃;当磁感应强度在20~300 Oe内时,传感器的磁场灵敏度可达82.69 pm/Oe。

Abstract

A novel photonic crystal fiber (PCF) structure is designed. A sensor based on the newly designed PCF and surface plasmon resonance (SPR) is proposed, which is applied to temperature and magnetic field detection. The theoretical model is analyzed by the full-vector finite element method. The results demonstrate that the temperature sensitivity is -493.6 pm/℃ with temperature from 20 ℃ to 50 ℃, and the magnetic field sensitivity is 82.69 pm/Oe with magnetic field from 20 Oe to 300 Oe.

1 引言

磁流体(MF)既具有液体的流动性又具有固体磁性材料的磁性,同时具有折射率可调特性。而磁流体光学传感器因具有环境稳定性、空间分辨率高和小型化等诸多特性,而得到广泛关注^[1]。磁流体光学传感器主要有锥形光纤结构磁流体传感器^[2]、布拉格光纤光栅结构磁流体传感器^[3]、萨格纳克干涉磁流体传感器^[4]、级联结构磁流体传感器^[5]及马赫-曾德尔干涉集成化双参量传感器^[6]等,但基于以上结构的传感器具有灵敏度较低或器件尺寸较大等缺点。光子晶体光纤(PCF)是近年来出现的一种新型光纤,具有截止波长单模传输、双折射效应及传输频带宽等特性,在光纤通信及光纤传感领域得到广泛应用与发展^[7-8]。表面等离子体共振(SPR)的吸收谱对周围电介质折射率的变化非常敏感,因可以感知周围环境属性的改变,SPR被广泛应用于传感领域^[9-11]。因此,PCF和SPR的结合在光学器件研究中发挥着重要作用。Li等^[12]提出一种基于PCF和SPR的窄带单偏振滤波器;Wang等^[13]提出一种基于PCF和SPR的温度传感器,灵敏度为1060.78 nm/RIU和4613.73 nm/RIU;童凯等^[14]提出了一种基于TiO₂薄膜增强的PCF-SPR的生物传感器,其折射率灵敏度为4200 nm/RIU;Ying等^[15]提出了一种基于SPR原理的磁场传感器,角度灵敏度达到0.612 °/mT,该传感器没有考虑温度干扰的问题。为了实现温度补偿,很多研究都采用具有高热光系数的乙醇作为介质材料,但是乙醇易泄露和挥发,而聚二甲基硅氧烷(PDMS)因具有高热光系数、较小的吸收损耗及较低的杨氏模量,被广泛地应用到可调器件和传感中^[16-17]。

本文提出了一种基于PCF和SPR的传感器结构,用于实现温度与磁场双参量传感测量。通过在PCF包层的上下第二层大孔径通道中涂覆Au薄膜,并分别填充PDMS和MF,同时采用Ta₂O₅调节PDMS通道的损耗谱,减小两个通道间的交叉干扰。由于两种样品折射率对温度和磁感应强度改变量的响应程度不同,在满足耦合条件时,两个通道的波峰峰值及共振波长会随温度和磁感应强度的偏移量不同而发生变化。通过敏感矩阵方法,可实现温度和磁场双参量传感测量。该传感器具有更高的磁场灵敏度,同时可有效解决磁场测量中温度的交叉敏感问题,具有较好的稳定性和较小的器件尺寸。

2 理论模型与工作原理

基于PCF-SPR的温度和磁场双参量传感器所采用的PCF的横截面如图1所示。通过在中心和包层引入不同大小的空气孔,形成空心光子晶体光纤(HC-PCF),波导模式主要集中在纤芯空气孔和包层第一层空气孔之间。PCF采用管棒堆积方法制备,通过合理调控石墨炉的温度、送料速度和牵引速度等,可有效减小PCF的制作误差。其中,PCF的中心空气孔、包层空气孔、通道1(ch1)和通道2(ch2)的直径及孔间距用d₁、d₂、d₃、d₄和Λ表示。PCF包层的上下第二层空气孔与y偏振产生的SPR现象较左右方向三个空气孔与y偏振产生的SPR现象明显,因此在上下第二层空气孔中涂覆Au薄膜,并分别填充PDMS和MF,填充MF的通道为通道1,Au层厚度表示为t_Au1,填充PDMS的通道为通道2,Au层厚度表示为t_Au2。同时,为了增大通道1与通道2的损耗峰间隔,避免通道1与通道2的交叉干扰,在通道2的Au薄膜外部涂敷Ta₂O₅,Ta₂O₅层厚度表示为t_ao。

图 1. PCF的横截面示意图

Fig. 1. Schematic of cross section of PCF

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本研究提出的传感器结构中,光纤基底材料为SiO₂,其热光系数和热膨胀系数分别为7.8×10^-6 /℃和5.5×10^-7 /℃,折射率n与波长λ的关系可通过Sellmeier色散模型定义,表达式为^[18-19]

\begin{matrix} n^{2} = 1 + \frac{0.6961663 λ^{2}}{λ^{2} - {(0.0684043)}^{2}} + \end{matrix} \frac{0.4079426 λ^{2}}{λ^{2} - {(0.1162414)}^{2}} + \frac{0.897479 λ^{2}}{λ^{2} - {(9.896161)}^{2}} 。 (1)

金属涂覆层Au的介电常数由Drude模型给出,同时考虑温度对Au薄膜介电常数和厚度的影响^[10]。Ta₂O₅作为高折射率电介质层,随着其厚度的增加,共振波长向长波长方向移动,同时损耗谱共振峰峰值增大,可以有效调节y偏振损耗谱^[20]。Ta₂O₅的热光系数为7.89×10^-6/℃^[21],折射率的表达式^[17]为

\begin{matrix} n_{Ta 2 O 5} = 1.88 + 178.4 \times 10^{2} / λ^{2} + 52.7 \times 10^{7} / λ^{4} 。 (2) \end{matrix}

可以通过等离子体辅助磁控溅射沉积方法将金属涂覆层Au和Ta₂O₅薄膜涂覆到空气孔壁。首先,使用干胶覆盖无需进行金属层涂覆的空气孔;然后,采用磁控溅射方法进行金属薄膜的涂覆,在涂覆过程中合理控制溅射时间实现均匀镀膜;最后,切除覆盖干胶的光纤尾端即可^[22]。

MF作为一种新型的功能材料,具有许多独特的光学特性,尤其是其折射率随粒子的热能和磁场能发生改变,被广泛应用于磁场传感器中。本研究提出的传感器结构选用的MF材料是水基四氧化三铁样品,当Fe₃O₄与水的体积比为3%时,MF的热光系数是-2.4×10^-4 /℃,磁光系数是4.98×10^-5/Oe(1 Oe≈79.578 A/m),初始折射率是1.3592^[23]。通道2的填充材料为PDMS (Sylgard 184),折射率由Sellmeier公式^[24]给出,热光系数是-4.5×10^-4 /℃^[17]。MF和PDMS可通过毛细作用填充到空气孔中,通过合理调配溶液配比和填充时间,可有效减小由敏感材料带来的误差。

SPR是由表面等离激元波(SPW)激发产生的,表面等离激元(SPP)模与基模之间的耦合可以通过耦合模理论进行分析。两模式耦合方程可表示为

\begin{matrix} \{\begin{matrix} \frac{d a_{1} (z)}{dz} = j β_{1} a_{1} (z) + j K_{21} a_{2} (z) \\ \frac{d a_{2} (z)}{dz} = j K_{12} a_{1} (z) + j β_{2} a_{2} (z) \end{matrix}, (3) \end{matrix}

式中:a_i(z)=c_i(z)exp(jβ_iz),i=(1,2),为两个模式的波动项,包含模式的缓变包络项和迅变包络项;K_ij表示耦合系数;β_i表示传输常数。耦合系数只与模式场的横向分布有关,而与z无关,因此可以求出模式耦合方程的解,表达式为

\begin{matrix} [\begin{matrix} a_{1} (z) \\ a_{2} (z) \end{matrix}] = \exp (jβz) [\begin{matrix} u_{1} & u_{2} \\ - u_{2}^{*} & u_{1}^{*} \end{matrix}] [\begin{matrix} a_{1} (0) \\ a_{2} (0) \end{matrix}], (4) \end{matrix}

式中:a_i(0)表示入射光模式,此处a₁(0)=a(0),即由光源入射到光纤纤芯中的光模式,a₂(0)=0;u₁=cos(γz)+j $\begin{matrix} \frac{Δβ}{2 γ} \end{matrix}$ =sin(γz),u₂(z)=j $\begin{matrix} \frac{k}{z} \end{matrix}$ sin(γz);β= $\begin{matrix} \frac{1}{2} \end{matrix}$ (β₁+β₂),Δβ= $\begin{matrix} \frac{β_{1} - β_{2}}{2} \end{matrix}$ ;γ= $\begin{matrix} \sqrt[]{{(Δβ)}^{2} + {|k|}^{2}} \end{matrix}$ 。通过分析可知,当 $\begin{matrix} |Δβ| \end{matrix}$ ≪1时,两个模式之间会发生耦合;而当 $\begin{matrix} |Δβ| \end{matrix}$ =0时,即K₁₂=K₂₁=k,SPP模与基模的传输常数满足匹配条件,两种模式的有效折射率相等,发生共振,基模能量转移到SPP模式中,表现为基模损耗曲线出现峰值。此时,模式耦合方程的解可表示为

\begin{matrix} \begin{matrix} [\begin{matrix} a_{1} (z) \\ a_{2} (z) \end{matrix}] = \\ \exp (jβz) [\begin{matrix} \cos (kz) & \sin (kz) \\ \sin (kz) & \cos (kz) \end{matrix}] [\begin{matrix} a (0) \\ 0 \end{matrix}] 。 (5) \end{matrix} \end{matrix}

SPP模式的有效折射率受外界电介质折射率变化的影响,导致两模式满足波矢匹配条件时的波长发生变化,即共振波长发生偏移。通过测量共振波长偏移量,可以感知外界环境的改变。影响损耗大小的主要因素是限制损耗,限制损耗与基模有效折射率虚部之间满足关系式^[18]:

\begin{matrix} L = 8.686 \times \frac{2 π}{λ} Im (n_{eff}) \times 10^{4}, (6) \end{matrix}

式中,L(单位:dB/cm)为限制损耗,λ(单位:μm)为波长,Im(n_eff)表示基模有效折射率虚部。传感器长度受到限制损耗的约束,与限制损耗的平均值成反比,即为1/ $\begin{matrix} \bar{L} \end{matrix}$ 。

磁场和温度双参量传感测量可以通过测量两个通道共振波长的漂移量实现。在波长测量法中,灵敏度的计算式可表示为

K_{ch} (T) = \frac{Δ λ_{ch}}{ΔT}, (7)

K_{ch} (B) = Δ λ_{ch} / ΔB, (8)

因此,双参量传感的敏感矩阵可表示为

\begin{matrix} (\begin{matrix} Δ λ_{1} \\ Δ λ_{2} \end{matrix}) = (\begin{matrix} \frac{Δ λ_{1 T}}{ΔT} & \frac{Δ λ_{1 B}}{ΔB} \\ \frac{Δ λ_{2 T}}{ΔT} & \frac{Δ λ_{1 B}}{ΔB} \end{matrix}) (\begin{matrix} ΔT \\ ΔB \end{matrix}) = (\begin{matrix} K_{1} & K_{2} \\ K_{3} & K_{4} \end{matrix}) (\begin{matrix} ΔT \\ ΔB \end{matrix}) 。 (9) \end{matrix}

根据(9)式和矩阵与逆矩阵的关系,可得到温度和磁感应强度的传感矩阵表达式:

\begin{matrix} (\begin{matrix} ΔT \\ ΔB \end{matrix}) = {(\begin{matrix} K_{1} & K_{2} \\ K_{3} & K_{4} \end{matrix})}^{- 1} (\begin{matrix} Δ λ_{1} \\ Δ λ_{2} \end{matrix}) = (\begin{matrix} K'_{1} & K'_{2} \\ K'_{3} & K'_{4} \end{matrix}) (\begin{matrix} Δ λ_{1} \\ Δ λ_{2} \end{matrix}), (10) \end{matrix}

式中:Δλ₁和Δλ₂分别表示通道1和通道2的共振波长偏移量;ΔT和ΔB分别表示温度和磁感应强度的改变量;K₁和K₃分别表示通道1和通道2的温度灵敏度;K₂和K₄分别表示通道1和通道2的磁场灵敏度。

3 计算和分析

为获得优化的传感器性能,首先分析PCF结构参数对传感器性能的影响,优化PCF结构,优化过程如图2所示。由图2(a)可知,随着纤芯空气孔直径的增加,损耗峰峰值增加;由图2(b)和图2(e)可知,随着包层空气孔直径和空气孔间距的增加损耗峰峰值减小;图2(c)和图2(d)分别描述了通道1和通道2直径对传感器磁场灵敏度和温度灵敏度的影响。随着通道1直径的增加,磁场灵敏度波动上升,在通道1直径为1.6 μm时,磁场灵敏度最大为82.69 pm/Oe;温度灵敏度随着通道2直径的增加而增大,通道2直径为1.8 μm时,温度灵敏度最大为-493.6 pm/℃。通过对图2(a)~(e)分析可确定PCF的结构参数,即d₁=0.8 μm,d₂=1.2 μm,d₃=1.6 μm,d₄=1.8 μm和Λ=2.4 μm。在上述参数下传感器性能较优,因此,采用上述尺寸的PCF对该传感器进行传感器性能的讨论。

图 2. 传感器结构参数对其性能的影响。(a)纤芯空气孔直径d1对损耗谱的影响;(b)包层空气孔直径d2对损耗谱的影响;(c)通道1直径d3对磁场灵敏度的影响;(d)通道2直径d4对温度灵敏度的影响;(e)空气孔间距对损耗谱的影响

Fig. 2. Influence of sensor structure parameters on its performance. (a) Influence of diameter of central hole d1 on loss spectra; (b) influence of diameter of air hole d2 in cladding on loss spectra; (c) influence of diameter of ch1 d3 on magnetic field sensitivity; (d) influence of diameter of ch2 d4 on temperature sensitivity; (e) influence of distance of air hole Λ on loss spectra

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由于SPW对金属涂覆层厚度的变化敏感,故在上述优化的PCF尺寸下,分别讨论通道1和通道2金属涂覆层厚度对y偏振损耗谱的影响。如图3所示,当通道1的Au层厚度由30 nm增至50 nm时,相应通道的共振波长由580 nm增至618 nm,损耗峰值由43.167 dB/cm减少到11.023 dB/cm。即通道1的损耗峰值随着Au层厚度的增加而减小,同时共振波长向长波长方向移动,而通道2的损耗峰值和共振波长基本不受通道1的Au层厚度影响。由于t_Au1=30 nm时损耗峰值最大且两个传感通道波长间距最大,所以通道1的Au层优化厚度为30 nm。

图 3. 通道1金属层厚度tAu1对y偏振损耗曲线的影响

Fig. 3. Influence of ch1 metal layer thickness tAu1 on y-polarized loss curve

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如图4所示,当通道2的 Au层厚度由30 nm增至50 nm时,相应通道的共振波长由777 nm增至853 nm,损耗峰值由61.7 dB/cm减小到24.68 dB/cm,即通道2损耗峰值随着Au层厚度的增加而减小,共振波长向长波长方向移动,而通道1损耗峰值和共振波长基本不受通道2的Au层厚度影响。通过对通道1和通道2的Au层厚度讨论,再次印证了两个通道之间基本不存在交叉干扰。虽然t_Au2=30 nm时通道2损耗峰值达到最大,但是在500~850 nm之间即将出现下一个损耗峰,所以通道2的Au层优化厚度为35 nm。

图 4. 通道2金属层厚度tAu2对y偏振损耗曲线的影响

Fig. 4. Influence of ch2 metal layer thickness tAu2 on y-polarized loss curve

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由以上分析可知,电磁波在金属中以指数衰减规律传播,金属层越厚,电磁波在金属中传播能量衰减越大,到达金属与填充物界面的能量越小,激发的SPP模式减弱,SPP模式与基模的共振效应减弱,导致共振峰值减小。同时,激发的SPP模式与金属层厚度有关,随着金属层厚度的增加,SPP模式有效折射率发生改变,导致SPP模式与基模共振波长向长波长方向移动。

通道2中Ta₂O₅层厚度对y偏振损耗谱的影响如图5所示,当Ta₂O₅层厚度由20 nm增至40 nm时,通道2的共振波长由724 nm增至803 nm,损耗峰值由24.341 dB/cm增加到46.176 dB/cm,即损耗峰值随着Ta₂O₅层厚度的增加而增加,同时共振波长向长波长方向移动,而通道1的损耗峰值和共振波长基本不受影响。这主要由Ta₂O₅具有较高介电常数,随着Ta₂O₅厚度的增加,通道2的等效折射率增加引起。由于t_ao=40 nm时,通道2的损耗峰值最大,同时远离通道1的损耗峰,所以Ta₂O₅膜层的优化厚度为40 nm。

图 5. 涂覆层Ta2O5厚度tao对y偏振损耗谱的影响

Fig. 5. Influence of Ta2O5 thickness tao on y-polarized loss curve

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在优化的传感器结构参数下,由器件长度与限制损耗的关系可知,传感器器件长度约为5 mm,具有较小的器件尺寸。同时,在温度T=20 ℃,磁感应强度B=20 Oe的条件下,y偏振模式的电场分布如图6所示。图6(a)为波长λ=735 nm时y偏振模式的电场分布。图6(b)为λ=580 nm时y偏振模式的电场分布,在该波长附近,基模与通道1激发的SPP模式发生耦合。图6(c)为λ=803 nm时y偏振模式的电场分布,在该波长附近,基模与通道2激发的SPP模式发生耦合。通过对比图6发现,图6(a)中模场能量主要限制在纤芯,而图6(b)和图6(c)中模场能量除限制在纤芯外,还有少部分能量耦合到金属薄膜表面,即发生SPR效应。

图 6. 不同波长处y偏振模式的电场分布。(a) λ=735 nm; (b) λ=580 nm; (c) λ=803 nm

Fig. 6. Electric field distributions of y polarization under different wavelengths. (a) λ=735 nm; (b) λ=580 nm; (c) λ=803 nm

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y偏振模式有效折射率实部Re(n_eff),通道1和通道2激发的SPP模式有效折射率实部Re(n_SPP-ch1)和Re(n_SPP-ch2)以及通道2涂覆与不涂覆Ta₂O₅时y偏振损耗随波长的变化曲线如图7所示。通过对比通道2中涂覆Ta₂O₅与不涂覆Ta₂O₅两种情况下基模的损耗谱可知:当通道2没有涂覆Ta₂O₅时,在较小的波长范围内,有多个损耗峰,进行传感参量测量时,容易发生通道间的交叉干扰,影响测量结果;当涂覆Ta₂O₅时,损耗谱波形得到调节,较为平滑,两个损耗峰距离较远,利于外界参量的测量。这主要是由于Ta₂O₅具有较高的介电常数,能有效地使通道2共振波长向长波长方向移动,同时增大共振峰值。当通道2中涂覆Ta₂O₅时,在580 nm附近Re(n_SPP-ch1)与Re(n_eff)相等,损耗达到极大值,出现第一个共振峰,在803 nm附近Re(n_SPP-ch2)与Re(n_eff)相等,损耗达到极大值,出现第二个共振峰。

图 7. y偏振模式和SPP模式的有效折射率实部随波长的变化及不同条件下的y偏振损耗谱

Fig. 7. Real part of effective refractive index of y-polarized mode and SPP mode, and y-polarized loss spectra under different conditions

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当外界环境温度改变时,PDMS和MF的折射率也会发生变化,因此,PCF-SPR器件的损耗谱会随之改变,共振波长发生漂移。图8(a)为不同温度下器件的损耗谱。由图8(a)可知,通道1和通道2的共振峰值都随温度的增加而减小,同时共振波长向短波长方向移动。通道1和通道2的共振波长偏移量随温度的变化如图8(b)所示。通道1的线性拟合表达式为Δλ₁=-0.3171T+6.329,温度灵敏度为-317.1 pm/℃,线性度达到0.9996。通道2的线性拟合表达式为Δλ₂=-0.4936T+9.832,温度灵敏度为-493.6 pm/℃,线性度接近1。

图 8. PCF-SPR器件性能随温度的变化。(a)损耗谱;(b)共振波长偏移量

Fig. 8. Performance of PCF-SPR device as a function of temperature. (a) Loss spectra; (b) resonant wavelength shift

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当外界温度保持20 ℃不变时,器件的损耗随磁感应强度变化的曲线如图9(a)所示。通道1的共振峰值随磁感应强度的增加而增加,同时共振波长向长波长方向移动,而通道2的共振峰不受磁感应强度的影响。磁感应强度与共振波长偏移量的线性拟合如图9(b)所示,通道1的线性拟合表达式为Δλ₁=0.08269B-1.926,磁场灵敏度为82.69 pm/Oe,线性度达到0.9990。通道2的共振波长与磁感应强度无关。

图 9. PCF-SPR器件性能随磁感应强度的变化。(a)损耗谱;(b)共振波长偏移量

Fig. 9. Performance of PCF-SPR device as a function of magnetic induction intensity. (a) Loss spectra; (b) resonant wavelength shift

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将仿真分析所得灵敏度系数K₁,K₂,K₃,K₄带入(10)式,可得到温度和磁感应强度改变量与共振波长偏移量的关系矩阵:

(\begin{matrix} ΔT \\ ΔB \end{matrix}) = {(\begin{matrix} - 0.3171 & 0.08269 \\ - 0.4936 & 0 \end{matrix})}^{- 1} (\begin{matrix} Δ λ_{1} \\ Δ λ_{2} \end{matrix}) = (\begin{matrix} 0 & - 2.026 \\ 12.093 & - 7.769 \end{matrix}) (\begin{matrix} Δ λ_{1} \\ Δ λ_{2} \end{matrix}), (11)

由以上分析可知,通过检测通道1和通道2的共振波长偏移量可以实现温度和磁感应强度的同时测量,通道1的温度灵敏度是-317.1 pm/℃,磁场灵敏度是82.69 pm/Oe,通道2的温度灵敏度是-493.6 pm/℃。

将本研究提出的传感器性能与其他类型传感器性能比较,结果如表1所示,由此可知,提出的传感器不仅同时具有磁场和温度传感特性,更具有较高的磁场灵敏度和温度灵敏度,而且该传感器结构的器件尺寸更小,有利于光器件的集成。

另外,还分析了传感器的制作容差,由于通道1主要用于磁场传感,通道2主要用于温度补偿,因此,主要分析在制作容差下通道1的磁场灵敏度和通道2的温度灵敏度。设参数的容差为Δ_i(i=1,2,…,8),对应参数如表2所示,当传感器的制作容差Δ_i=±1.5%时,传感器仍可实现470 pm/℃以上的温度灵敏度和80 pm/Oe以上的磁场灵敏度。由此可知,本研究提出的传感器具有较好的制作容差。

表 1. 各类光纤传感器的性能比较

Table 1. Performance comparison of various optical fiber sensors

Sensor type	Magnetic fieldsensitivity /(pm·Oe^-1)	Temperaturesensitivity /(pm·℃^-1)	Length /cm
Tapered opticalfiber^[2]	-7.17		1.0-1.5
MZI and FBG^[3]	11	401.5	2.4
Sagnac loop^[4]	8.23		78
SMS^[5]	-16.86		1.2
MZI^[6]	30.114	518.86	2.7
Proposed sensor	82.69	-493.6	0.5

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表 2. 传感器制作容差Δi=±1.5%时的灵敏度误差

Table 2. Sensitivity error of sensor with tolerance Δi=±1.5%

Parameter	Δ_i	Difference oftemperaturesensitivity ofch2 /(pm·℃^-1)	Difference ofmagnetic fieldsensitivity ofch1 /(pm·Oe^-1)
t_Au1	±1.5%		0.3/-0.11
t_Au2	±1.5%	0.4/-0.6
t_ao	±1.5%	2.6/-17.4
d₁	±1.5%	2.6/-2.4	0.63/-0.11
d₂	±1.5%	-2.4/2.6	0.63/-0.13
d₃	±1.5%		0.63/-0.13
d₄	±1.5%	-13.4/10.6
Λ	±1.5%	0.6/15.6	0.26/3.16

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4 结论

提出了一种基于PCF-SPR的温度与磁场双参量传感器。采用耦合模理论和全矢量有限元方法对该理论模型进行分析。当无外加磁场、温度在20~50 ℃范围内时,通道1和通道2的温度灵敏度分别是-317.1 pm/℃和-493.6 pm/℃;当环境温度为20 ℃、磁感应强度在20~300 Oe范围内时,通道1和通道2的磁场灵敏度分别是82.69 pm/Oe和0 pm/Oe。所设计的传感器结构原理简单,且有效地解决了磁感应强度测量中温度交叉敏感的问题。此外,该传感器不仅具有较高的磁场灵敏度,较小的器件尺寸(器件长度约为5 mm),而且具有较好的制作容差,可以有效地应用于光器件集成和双参量传感领域。

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基于光子晶体光纤表面等离子体共振的温度和磁场双参量传感器下载： 1355次

1 引言

2 理论模型与工作原理

图 1. PCF的横截面示意图

Fig. 1. Schematic of cross section of PCF

3 计算和分析

图 2. 传感器结构参数对其性能的影响。(a)纤芯空气孔直径d1对损耗谱的影响;(b)包层空气孔直径d2对损耗谱的影响;(c)通道1直径d3对磁场灵敏度的影响;(d)通道2直径d4对温度灵敏度的影响;(e)空气孔间距对损耗谱的影响

图 3. 通道1金属层厚度tAu1对y偏振损耗曲线的影响

Fig. 3. Influence of ch1 metal layer thickness tAu1 on y-polarized loss curve

图 4. 通道2金属层厚度tAu2对y偏振损耗曲线的影响

Fig. 4. Influence of ch2 metal layer thickness tAu2 on y-polarized loss curve

图 5. 涂覆层Ta2O5厚度tao对y偏振损耗谱的影响

Fig. 5. Influence of Ta2O5 thickness tao on y-polarized loss curve

图 6. 不同波长处y偏振模式的电场分布。(a) λ=735 nm; (b) λ=580 nm; (c) λ=803 nm

Fig. 6. Electric field distributions of y polarization under different wavelengths. (a) λ=735 nm; (b) λ=580 nm; (c) λ=803 nm

图 7. y偏振模式和SPP模式的有效折射率实部随波长的变化及不同条件下的y偏振损耗谱

Fig. 7. Real part of effective refractive index of y-polarized mode and SPP mode, and y-polarized loss spectra under different conditions

图 8. PCF-SPR器件性能随温度的变化。(a)损耗谱;(b)共振波长偏移量

Fig. 8. Performance of PCF-SPR device as a function of temperature. (a) Loss spectra; (b) resonant wavelength shift

图 9. PCF-SPR器件性能随磁感应强度的变化。(a)损耗谱;(b)共振波长偏移量

Fig. 9. Performance of PCF-SPR device as a function of magnetic induction intensity. (a) Loss spectra; (b) resonant wavelength shift

表 1. 各类光纤传感器的性能比较

Table 1. Performance comparison of various optical fiber sensors

表 2. 传感器制作容差Δi=±1.5%时的灵敏度误差

Table 2. Sensitivity error of sensor with tolerance Δi=±1.5%

4 结论

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1 引言

2 理论模型与工作原理

图 1. PCF的横截面示意图

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3 计算和分析

图 2. 传感器结构参数对其性能的影响。(a)纤芯空气孔直径d1对损耗谱的影响;(b)包层空气孔直径d2对损耗谱的影响;(c)通道1直径d3对磁场灵敏度的影响;(d)通道2直径d4对温度灵敏度的影响;(e)空气孔间距对损耗谱的影响

图 3. 通道1金属层厚度tAu1对y偏振损耗曲线的影响

Fig. 3. Influence of ch1 metal layer thickness tAu1 on y-polarized loss curve

图 4. 通道2金属层厚度tAu2对y偏振损耗曲线的影响

Fig. 4. Influence of ch2 metal layer thickness tAu2 on y-polarized loss curve

图 5. 涂覆层Ta2O5厚度tao对y偏振损耗谱的影响

Fig. 5. Influence of Ta2O5 thickness tao on y-polarized loss curve

图 6. 不同波长处y偏振模式的电场分布。(a) λ=735 nm; (b) λ=580 nm; (c) λ=803 nm

Fig. 6. Electric field distributions of y polarization under different wavelengths. (a) λ=735 nm; (b) λ=580 nm; (c) λ=803 nm

图 7. y偏振模式和SPP模式的有效折射率实部随波长的变化及不同条件下的y偏振损耗谱

Fig. 7. Real part of effective refractive index of y-polarized mode and SPP mode, and y-polarized loss spectra under different conditions

图 8. PCF-SPR器件性能随温度的变化。(a)损耗谱;(b)共振波长偏移量

Fig. 8. Performance of PCF-SPR device as a function of temperature. (a) Loss spectra; (b) resonant wavelength shift

图 9. PCF-SPR器件性能随磁感应强度的变化。(a)损耗谱;(b)共振波长偏移量

Fig. 9. Performance of PCF-SPR device as a function of magnetic induction intensity. (a) Loss spectra; (b) resonant wavelength shift

表 1. 各类光纤传感器的性能比较

Table 1. Performance comparison of various optical fiber sensors

表 2. 传感器制作容差Δi=±1.5%时的灵敏度误差

Table 2. Sensitivity error of sensor with tolerance Δi=±1.5%

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