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D形光纤金属光栅传感器
概述：通过聚焦离子束（FIB）在D形光纤侧面制作高精度金属光栅，具体为在单模光纤一侧磨抛制作D形光纤，然后在平坦的侧面上沉积金薄膜层，最后在金膜上刻出长度为38，周期为485nm的光栅。光纤中的导波模式通过倏逝波在光栅部分和表面等离子体模式耦合，并通过表面等离子体模式（SPP）来进行传感。最后本文测量了纯水和异丙醇的折射率，并得到传感器灵敏度为917nm/RIU.
- 介绍
在光纤上引入微结构可以带来大量的新功能，从而在各种情况下带来许多有用的应用。锥形光纤和侧面磨抛光纤是通过改变原始光纤结构来实现功能的的重要方式，具体包括剥离包层光纤、侧面磨抛光纤、锥形光纤和端面磨抛光纤。其中D形光纤由于侧面平坦可以很方便的在上面搭建各种表面结构。在光纤侧面上沉积一层金薄膜，则可以激发SPP模式，并可以通过在薄膜上引入一定结构来进一步加强SPP吸收。最近，随着新的纳米制作技术和表征技术的出现，以及表面等离子体独特的光学特性和在光传感上的优势，电磁辐射与纳米结构金属（如Au和Ag）相互作用的研究已经成为热门研究课题。在上述的SPP传感器中，激发的SPP通常在可见光区。
在本文，我们通过聚焦离子束（FIB）在D形光纤（MGDF）表面制造金属光栅。由于这种结构可以支持SPP模式，因此我们对基于D形纤维的MG的感测特性进行了比较理论研究。利用SPP的激发来感测环境折射率变化。相应的灵敏度的特征是反射光谱的吸收谷波长移动和环境折射率变化之比，大约在103 nm / RIU的水平。
图1金属光栅在D形光纤示意图
图2（a）D形光纤SEM图，（b）磨抛表面金属光栅（38）
- 设计与制造
实验选择了标准单模光纤（SMF-28,直径125）。原理图如图1，其中GM表示导波模式，H是光栅高度，是光栅周期。首先磨抛去除包层，然后在光纤两端连接光源和光功率计，以便我们可以检测磨抛过程和程度，最后获得一个抛光表面距离纤芯2-10的D形光纤，这个距离可以通过图2计算得出。如图2（a）所示，此时传输损耗约为15-20dB,这主要是由于模式失配和表面散射导致的。然后，通过磁控溅射在光纤的抛光面涂覆一层20nm厚的金层。之所以选择金，是因为它在红外线中的吸收率较低，并且暴露于空气时对氧化的惰性。
图2（a）显示了D形光纤的抛光表面，其距离纤芯越6，然后通过FIB制作光栅。在我们工作中，考虑了前向模式和后包层模式之间的耦合。因此，约为2.8-3，和是纤芯模式和包层模式的折射率。根据相位耦
合条件，如果想要激发的SPP波长在=1550nm，设计的光栅周期（~）应该在500nm左右。同时占空比也会影响到吸收波长，但是占空比的影响远小于周期参数。本文使用使用基于Ga离子的FEI-201 FIB系统，只需一步即可完成铣削。 为了获得良好的铣削质量，使用了直径小于20 nm的30-kV 100-pA圆柱对称光束。 无需其他处理即可提高清晰度或准确性。 图2（b）显示了周期性结构的扫描电子显微镜（SEM）图片。 MG的周期为485 nm，占空比为50％。 光栅的总长度仅为38.8 。
- 实验与讨论
在我们表征MGDF的光学特性之前，需要先测量在其平坦表面上涂有Au膜的D形光纤的透射光谱。 无需在金膜上制造光栅。 然后使用了安藤AQ6317B光谱分析仪（OSA）和宽带光源（LDLS-EQ）。 结果如图3所示。 从图中可以看出，如果没有光栅结构，则在透射光谱中的642 nm处存在一个波谷，与正向SPP激发相对应。 另一方面，向后反射仅在整个可见-近红外波段显示出一些微弱的噪声。 对于载有金膜的D形光纤，在电信频段的两个方向都没有发现明显的SPP激励。
图3 D型光纤在其平坦表面上具有Au涂层的透射光谱（无光栅）
图4. MDGF分别在（A）纯水，（B）水和异丙醇混合物（1：1）和（C）异丙醇中的实测反射光谱。
另一方面，图1所示的MGDF的光学表征随后通过使用OSA并伴随放大的自发发射源（1525-1610 nm）来进行。 图4示出了分别浸入纯水，水和异丙醇（1：1）的混合物以及纯异丙醇中的MGDF的反射光谱。 当外部环境从纯水变为纯异丙醇时，光谱中谷的波长从1550.20 nm移至1571.21 nm，然后移至1590.12 nm。 光谱中的白噪声小于1dB。D形光纤长度，MG长度和光栅幅度也会影响光栅的透射率。
为了确定金属光栅的性能，我们分析了相应的理论。众所周知，导波模式和D型表面结构中传播的SPP都包含一个公共因子，其中是传播常数，是传播方向上的频率，波长为，上标g和p分别对应于引导模式和SPP模式。根据Helmholtz方程，在圆柱形坐标系中的解为；，，其中“ a”是磁芯的半径，而“ u”是归一化的相位常数。 如果相位仅在Z传播方向上发生变化，则该解决方案也可以用于多层结构。 我们制造的结构有五层，即包层，芯层，包层（缓冲层），金属和传感材料。 结构的每一层都可以表示为：
（1）
其中k0是真空波数，ni是各层的折射率，i分别代表包层，纤芯，包层（缓冲层），金属或传感材料。刻在由缓冲层与波导层隔开的金属层表面上的波纹状MG可以看作是反射器，它将向前传播的引导模式转换为向后传播的SPP（见图1）。整个过程可以看作是布拉格布拉格反射和SPP激发的结合。光栅的振幅为H，周期为。为了分析光栅的透射率，我们使用了精确耦合模式理论，该理论也被称为局部法线模式传递矩阵法（MTT）。光栅的周期可以表示为，具有“厚”和“薄”金属层的部分的长度等于。和是导波模式和SPP的传播模式，在光栅厚的部分是为（j 1）而细的部分为（j）。在此，导波模式具有核心模式和包层模式。纤芯和包层模式的谐振波长（）由相位匹配条件给出
（2）
其中nc和ncl分别是核心模式和包层模式的有效指标，kc和kcl分别是核心区域内核心模式和包层模式的耦合系数。 该结构的发射功率为：
（3）
其中相位不匹配条件，。是纤芯模式与所涉及的包层模式之间的传播常数差，kac是纤芯区域内的纤芯模式与包层模式的模态耦合系数。我们可以通过选择光栅周期，以将结构的共振波长调谐到任何所需的值。以Durbe模型为基础，计算在1550 nm处的预定波长处的MG最小功率，nsen = 1.33。 而纯水的的折射率为1.33，在图4中，反射光谱中最小功率的波长为1550.20 nm，实验结果与理论计算值吻合良好。对于异丙醇混合物和异丙醇的测量，纯异丙醇在1.5微米时的折射率为1.3739。波长从1550.20到1571.21 nm（异丙醇混合物）转变为1590.12 nm（纯异丙醇）。除波长偏移外，对于不同的液体折射率测量，反射光谱也有一些变形。主要区别是背景反射。这是因为背景反射也受到环境指标的影响。此外，我们的光谱是SPP和光栅的组合效应。这两个部分在不同的操作条件下可能具有异步光谱响应，这进一步导致轻微的光谱变形。
图5.吸收谷波长与环境液体折射率的关系。
我们还测量了纯水和异丙醇的比例为2：1和1：2； 传输的最小波长分别为1563.9和1577.6 nm。 图5显示了该MGDF的实测波谷共振波长偏移和相应的最佳拟合曲线。图中可以看出MGDF液体折射率传感器具有良好的线性。 此性能不同于许多普通光纤光栅的非线性折射率依赖性。 众所周知，SPP的折射率敏感度是线性的，远高于光纤光栅的敏感度。我们认为，是光栅和SPP组合工艺导致了MGDF的这种独特的折射率响应。 在图5中测得的折射率范围中，SPP部分可以控制频谱偏移，从而使净偏移呈线性，但非线性响应可能会出现在更宽的折射率范围内，这仍需要进一步研究。灵敏度的定义，MGDF传感器的平均灵敏度为917nm/RIU.由于SPP激发波长的3-dB半宽约为10 nm，因此可以通过公式计算最小折射率分辨率，其约为RIU，这个值比纤维尖端上建立的MG所测得的值高得多。如果我们将结果与在可见光带中具有SPP激发的金膜D型光纤进行比较，则MGDF也显示出一些优势：（1）工作波长在1550 nm电信频段。 因此，它与广泛使用的G.652单模光纤和相关的低成本光纤组件兼容。 （2）如果我们比较图3和图4，MGDF的吸收谷的光谱带宽更整形，从而产生了更精细的最小折射率分辨率，即检测极限。 此外，商用OSA通常在电信频段具有比可见频段更高的分辨率。 我们的MGDF进一步需要此功能。
我们还尝试了MGDF结构的其他参数。 我们发现，对于周期较长的光栅，测得的光谱响应呈现出红移，而周期较短则导致蓝移。 光栅的高度也会影响响应的峰值强度。 此外，还研究了不同温度下的光谱响应。 例如，对于纯净水，反射光谱随温度测量范围是从20 到60 ，步长10 。 相应的波谷分别在1550.20、1550.10、1499.99、1499.92和1499.76 nm。 因此，传感器的温度灵敏度约为10–40 ，与先前结果[24]，[25]处于同一水平。
- 结论
在本文中，我们展示了FIB研磨的MGDF，用于折射率传感应用。 MG的实验结果与计算结果非常吻合。 我们选择合适的光栅周期和其余包层的厚度，并使SPP在通信频带激发。这种光栅对金属-电介质-混合包层结构的SPP共振模式显示出很高的折射率敏感性。通常，我们的光栅同时利用了布拉格光栅的波长灵敏度和D形光栅的大倏逝场，这种结构非常适合于感测液体样品。但是，共振波长主要取决于折射率。对于我们的光栅而言，很难区分具有相同折射率的不同液体。为了进一步提高光栅的性能，还可以测量样品的吸收光谱。由于D形表面的消逝场较大，因此这并不困难。在这种情况下，即使它们的指数相同，也可以区分不同的液体。将来将成为一个有趣的课题。
基于波纹金属光栅的紧凑型集成平面波导折射率传感器（仅理论）
图1. 结构原理图
为了获得最佳的传感器性能，重要的是全面研究引导模式和SPP在五层平面结构中传播的特性，该结构包含折射率为的基板，厚度为a和折射率为的波导层，缓冲层为厚度b和折射率，沉积在缓冲液顶部且没有光栅结构的金属层和周围的材料，即折射率与金属层接触的被感测介质（图1） 。为了减少系统损耗，我们使用介电常数的实部的绝对值比其虚部足够大的金属层材料，这是导致工作波长lambda;= 1.55 micro;m时结构损耗的原因。从这个角度来看，最好的材料是电信波长范围内的金和银，这与其他基于SPP的传感器中使用的更传统的可见波长相反；此外，由于金是化学稳定和被动的，因此我们在模拟中使用了金。金属层的介电常数用Drude公式建模，其中εinfin;是ε（omega;）
的高频值，omega;p是等离子频率，而Gamma;是其阻尼率。在接下来的两章（第II-A和B节）中，我们将研究感测介质的折射率和结构的几何参数对导模和SPP特性的影响。我们将显示，尽管在具有金属层的结构中传播的引导模式具有混合特性（它由介电层支持的引导模式与金属层支持的“弱”极化子组成），但是它对感测介质的折射率的微小变化几乎不敏感。然而，其能量几乎完全集中在金属边界附近的SPP对被测介质的折射率的微小变化极为敏感。遵循这些引导模式和SPP属性，我们将使用SPP作为设备的传感器工具，并在布拉格光栅的帮助下将引导模式用作SPP激发的能量源。
- 平面多层结构中的混合引导模式
为了证明导波模式是激励SPP的理想来源，但不能用作设备中的传感器元件，我们将研究两个模式的混合引导模式对感测介质折射率的微小变化有多敏感 。并且为了设备优化，我们还将分析导波模式如何取决于结构的几何参数。
为简单起见，我们将考虑一个平面结构，该结构在垂直于xz平面的方向上是无限且均匀的（图1）。该结构在y方向上没有变化，因此，其模式可以分类为TE和TM。在不失一般性的前提下，我们的方案可以针对圆柱形（光纤）几何形状（波导层为纤芯）或针对在y方向受限制的平面结构而开发。在我们的结构中，由于所有层的磁导率等于1，因此只能实现TM SPP。 TE引导模式和TM SPP之间的重叠积分等于零；因此，只有TM模式值得关注。众所周知，引导模式以及SPP是在结构层具有标准边界条件的麦克斯韦方程组的解。众所周知，模式的所有场分量和沿z轴在平面结构中传播的SPP都包含一个公因子，其中是传播常数，而omega;是辐射的径向频率与波长lambda;=2pi;c/omega;有关。上标g和p分别对应于引导模式和SPP。结构的每一层都可以通过相位参数来表征。
在本文中，我们提出了一种SPP平面传感器的替代，新颖且简单的集成方案，该方案不含任何运动部件，在与感应介质接触的金属层表面上刻有波纹状的金属布拉格布拉格光栅（图1）。当，为衰减模式，当gt;0为振荡模式，所以导模满足：
正如在本文开始时已经强调的那样，对于无噪声操作而言，单模模式不受多模干扰非常重要。 对于计算机仿真，使用以下单模态结构参数： 波导层的厚度a ＝3mu;m，折射率 ＝ 1.47。 折射率为 = 1.45的缓冲层将波导层与金属层分开，厚度为∆。 无限大的衬底（在x =-infin;方向上）的折射率 = 1.45。 考虑到生物传感器的应用，我们认为被感测的介质主要是水，折射率在 = 1.33附近。
在研究和之间的相关性（即，引导模式对感测介质的折射率的敏感性），引导模式的有效
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