[發(fā)明專利]一種光子晶體光纖和光子晶體光纖傳感器

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410610486.0
• 申請日: 2014-11-03
• 公開（公告）號: CN104297839B
• 公開（公告）日: 2018-02-23
• 發(fā)明（設計）人: 邴丕彬;李忠洋;袁勝;周玉;段愛霞;朱安福;楊陽
• 申請（專利權）人: 華北水利水電大學
• 主分類號: G02B6/02
• 分類號: G02B6/02;G01N21/552
• 代理公司: 鄭州睿信知識產權代理有限公司41119
• 代理人: 胡泳棋

技術領域

本發(fā)明涉及一種光子晶體光纖和光子晶體光纖傳感器，屬于光子晶體光纖傳感技術領域。

背景技術

上世紀80年代以來，光纖低損耗傳輸成為現(xiàn)實，將光纖技術用于傳感逐漸成為傳感器技術發(fā)展的前沿課題。與傳統(tǒng)傳感器相比，光纖傳感器具有體積小、重量輕、抗電磁干擾、靈敏度高、易于組成光纖傳感網絡等特點，在國防、通信、工業(yè)生產加工、生物醫(yī)藥的精密檢測、光網絡建設等領域展現(xiàn)出其強大優(yōu)勢。

光子晶體光纖又稱為微結構光纖，通常含有不同排列形式的空氣孔，因此其橫截面上的折射率分布有可能比較復雜，是一種特殊形式的光纖。相對于普通光纖來說，光子晶體光纖具有許多優(yōu)良特性，比如無截止單模傳輸、設計靈活、模場面積和非線性系數(shù)可控等。另外，由于光子晶體光纖內部含有空氣孔，利用光子晶體光纖作為傳感器，還具有無需封裝、易于實現(xiàn)相位匹配等優(yōu)勢。目前，采用光子晶體光纖作為傳感器的設計是國內外傳感領域研究的一大熱點。

光在金屬與介質界面?zhèn)鞑r，能夠激發(fā)產生表面等離子體。當滿足一定條件時，光纖的傳導模式與產生的等離子體模式就能產生共振，表現(xiàn)為信號光被強烈吸收，傳輸?shù)哪芰考眲∠陆担谑窃谕干涔庾V上就會出現(xiàn)非常明顯的吸收峰。表面等離子體共振對介質環(huán)境十分敏感，當鄰近的待測微流體的折射率發(fā)生微小變化時，吸收峰的位置將隨之產生非常明顯的移動。通過測量吸收峰的位置就能夠實現(xiàn)對介質環(huán)境的實時傳感。利用金屬表面等離子體共振的高靈敏特性制成的傳感器同樣具有非常高的靈敏度，同時，由于大部分生物分子的折射率都介于1.33-1.42之間，因此該傳感器可以廣泛應用于生物醫(yī)學目標生物分子的含量、分析生物分子結合過程的動力學以及藥物與生物分子之間相互作用等的相關過程的檢測，對傳感器的發(fā)展具有非常重要的實際意義。

2006年A.Hassani等人首先提出基于光子晶體光纖表面等離子體共振傳感的設計，其靈敏度能夠達到10^-4RIU。隨后，各種基于此思想的設計被逐漸提出來。然而，在眾多的設計結構中，均存在需要在微米量級的空氣孔中鍍金屬納米薄膜和填充待測微流體的問題。然而,現(xiàn)有的基于光子晶體光纖的傳感技術中，作為微流體通道的空氣孔的直徑過小或者過大。當空氣孔的直徑過小時，金屬納米鍍膜和待測微流體的填充比較困難；當空氣孔直徑過大時，光子晶體光纖在測量波段的損耗將明顯增大，不利于信號的傳輸。

發(fā)明內容

本發(fā)明的目的是提供一種光子晶體光纖和光子晶體光纖傳感器，用以解決作為微流體通道的空氣孔的直徑過小時，金屬納米鍍膜和待測微流體的填充比較困難；當空氣孔直徑過大時，光子晶體光纖在測量波段的損耗將明顯增大，不利于信號的傳輸?shù)膯栴}。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的方案包括一種光子晶體光纖，包括：包層、纖芯、至少一個位于包層中的空氣孔。空氣孔的橫截面為扇形，空氣孔的弧形面遠離纖芯設置，空氣孔的內壁上先鍍有氟化鈣薄膜，后鍍有金納米薄膜。

該光子晶體光纖包括4個大小相同的空氣孔，空氣孔圍繞纖芯均勻分布。

空氣孔的橫截面為90°的扇形。

空氣孔內側靠近纖芯的部分的曲率半徑為2μm，相鄰空氣孔間隔為200nm。

氟化鈣薄膜的厚度為1μm，金納米薄膜的厚度為40nm。

本發(fā)明的方案還包括一種光子晶體光纖傳感器，包括光子晶體光纖，該光子晶體光纖包括：包層、纖芯、至少一個位于包層中的空氣孔。空氣孔的橫截面為扇形，空氣孔的弧形面遠離纖芯設置，空氣孔的內壁上先鍍有氟化鈣薄膜，后鍍有金納米薄膜。

光子晶體光纖包括4個大小相同的空氣孔，空氣孔圍繞纖芯均勻分布。

空氣孔的橫截面為90°的扇形。

空氣孔內側靠近纖芯的部分的曲率半徑為2μm，相鄰空氣孔間隔為200nm。

氟化鈣薄膜的厚度為1μm，金納米薄膜的厚度為40nm。

本發(fā)明具有以下優(yōu)點：

(1)光子晶體光纖為與常規(guī)光纖的外徑尺寸一致,均為125μm，使得在光網絡中光纖之間的耦合、熔接等操作能夠非常方便的實現(xiàn)。

(2)由于大幅增大正方晶格光子晶體光纖包層中空氣孔的直徑，能夠有效解決其它傳感器中空氣孔過小難以操作的問題，有利于實現(xiàn)金屬納米鍍膜以及待測微流體填充，且操作中無需選擇性鍍膜，保證傳感準確性。操作過程簡單快速，能夠實現(xiàn)對環(huán)境介質的實時傳感測量。