光子晶体光纤表面等离子体共振传感器的研究

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光纤性能和制造技术的不断发展,使光纤传感器的研究越来越有价值,也使光纤传感器能应用到的领域越来越多。光子晶体光纤(Photonic Crystal Fiber,PCF)的问世与发展,极大推动了光纤传感器的研究与应用。光子晶体光纤的多孔结构灵活多变,为了能够实现表面等离子体共振(Surface Plasmon Resonance,SPR)效应,可以在光子晶体光纤上镀金属层或者直接添加金属棒。本文首先设计了一种新型光子晶体光纤,该PCF包层空气孔呈正十六边形排列。通过COMSOLMultiphysics软件对其有效折射率、限制损耗、模场有效面积、非线性系数、色散等特性进行仿真分析。并仿真计算了其在不同工作波长、不同占空比条件下以上特性的变化情况,通过对其不同结构参数下各种参量的对比,达到优化结构的目的。该结构具有低损耗与低非线性效应特性。通过对比优化,发现当占空比为0.5时最为合理,此时既能保证光信号的低损耗传输,又能够实现低的非线性效应。占空比0.5条件下,在500nm-2000nm工作波长范围内,损耗为10-11-10-9 dB/m,限制损耗随工作波长的增大而增大。占空比0.5条件下,非线性系数低至10-5m-1·W-1,非线性系数随工作波长的增大而减小。其次,根据理论原理设计了新型光子晶体光纤传感器结构,并对其进行了模拟计算。设计的新型光子晶体光纤表面等离子体共振传感器有两个检测的通道,D形平面涂m1=40nm的金层作为通道Ⅰ,与折射率(Refractive Index,RI)分析物直接接触。在纤芯附近选择一个空气孔作为通道Ⅱ,空气孔内部涂敷m2=40nm厚度的金层,该气孔中心充满氯仿用以检测温度。相互独立的折射率与温度检测通道和非对称结构引起的双折射使传感器能独立检测折射率和温度的变化,从而避免了交叉敏感问题。结果表明,y偏振光在通道Ⅰ中的损耗峰值仅随折射率的变化而发生偏移,不受温度浮动的影响。同样地,x偏振光在通道II中的损耗峰值只受外界环境温度变化的影响,不受折射率变化的影响。最后,对比研究了金层厚度、占空比对传感器灵敏度的影响,对传感器结构进行进一步优化,实现了较大范围内折射率和温度的独立动态检测。可以同时实现折射率1.230-1.355、温度5℃-85℃范围内的检测。结果显示,折射率在1.330-1.355范围内时,灵敏度为1645.7nm/RIU;在整个可测范围内最大灵敏度为1497.6nm/RIU。温度范围在20℃-60℃时,灵敏度最高可达-2.68nm/℃;在整个可测范围内灵敏度为-3nm/℃。此结构的优势是在较大范围内独立检测RI和温度的同时又能保证相对较高的灵敏度。
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