[發明專利]一種基于表面等離子體準D型光子晶體光纖傳感器

有效

• 申請號: 202010777576.4
• 申請日: 2020-08-05
• 公開（公告）號: CN111929763B
• 公開（公告）日: 2021-06-01
• 發明（設計）人: 田家國;徐成;付永啟
• 申請（專利權）人: 電子科技大學
• 主分類號: G02B6/02
• 分類號: G02B6/02
• 代理公司: 電子科技大學專利中心 51203
• 代理人: 鄧黎

本發明公開了一種基于表面等離子體準D型光子晶體光纖傳感器，屬于光纖傳感器領域。本發明傳感器通過在纖芯兩側引入橢圓空氣孔增強了雙折射效應，改進了傳感器的性能；使用ITO薄膜使得傳感器的工作波長拓展到了近紅外光波段；通過引入石墨烯層增加了傳感器對生物分析的吸附能力，使得傳感器在生物傳感領域能夠應用。本發明的傳感器可探測折射率范圍、靈敏度和分辨率優于現有傳感器，而且由于采用了準D型結構，傳感器的韌度相較于傳統的D型傳感器要大很多，具備商業化應用的潛力。

技術領域

本發明屬于光纖傳感器領域，具體涉及用于低折射率傳感的表面等離子體光子晶體光纖傳感器，能夠對液體的分析物或者生物分子進行高精確度的傳感。

背景技術

在過去十幾年中，隨著光子晶體光纖拉制技術的不斷發展和成熟，基于光子晶體光纖的各類傳感器得到了蓬勃的發展。表面等離子體光子晶體光纖傳感器以其結構設計靈活多變、傳感靈敏度高、尺寸緊湊、適用面廣等優點成為了目前的研究熱點。

隨著表面等離子體光子晶體光纖傳感器的不斷發展，獲得可檢測折射率范圍大、靈敏度高、分辨率高、可商品化的傳感器成為了設計的目標。傳統的傳感器大多數都采用金或者銀作為等離子體材料，但是他們的工作波長范圍都在可見光區域(460nm—760nm)，這限制了它們作為一款傳感器的適用范圍。而且金作為一種昂貴的金屬，增加了傳感器的制造成本；銀的化學性質極不穩定，容易和外界物質發生化學反應，這容易導致傳感器的性能隨著使用時間的推移而下降。2018年童凱等人提出了一款基于銀-石墨烯復合薄膜的傳感器(Kai Tong,Meiting Wang,Peng Dang,Yunxuan Wang,Jiaru Sun,D-Shaped photoniccrystal fiber biosensor based on silver-graphene,Optik,168(2018)467-474)，其分辨率為2×10^-5RIU，靈敏度為4850nm/RIU，工作波長為560nm—640nm。但是該傳感器因為選擇銀作為傳感材料和結構設計的原因，具有工作波長只能在可見光區域、靈敏度也不高的缺陷。

發明內容

本發明針對現有技術中存在的不足，提出了一種基于石墨烯和ITO(Indium tinoxide，氧化銦錫)薄膜的表面等離子體光子晶體光纖傳感器。本發明傳感器通過引入橢圓空氣孔增強了雙折射效應，改進了傳感器的性能；使用ITO薄膜使得傳感器的工作波長拓展到了近紅外光波段；通過引入石墨烯層增加了傳感器對生物分析的吸附能力，使得傳感器在生物傳感領域能夠應用。

本發明采用的技術方案是：

一種基于表面等離子體準D型光子晶體光纖傳感器，包括纖芯、包覆于纖芯外部的包層、ITO薄膜層、石墨烯層。

所述包層具有一圓弧曲面和一拋光平面，包層內沿纖芯軸向設置有若干空氣孔。

所述空氣孔包括兩個對稱設置于纖芯左右兩側的橢圓空氣孔、以及呈正三角陣列排布的若干圓空氣孔，其中圓空氣孔包括五個大圓空氣孔和若干小圓空氣孔，且大圓空氣孔的圓心和纖芯的圓心連線為正三角形。

所述ITO薄膜層設置于包層的拋光平面上，所述ITO薄膜層上設置有一層石墨烯層。

進一步地，所述纖芯和包層的材料為折射率n＝1.45的石英。

進一步地，所述包層圓弧曲面的半徑為r₀＝6.7μm。

進一步地，所述兩個橢圓空氣孔的圓心與纖芯的圓心位于同一直線上，兩個橢圓空氣孔的圓心距為3.5μm，橢圓空氣孔的短軸平行于包層的拋光平面，短軸長d_x＝0.6μm，長軸長d_y＝1.5μm。

進一步地，所述圓空氣孔之間的圓心距為晶格常數Λ＝1.75μm，大圓空氣孔的半徑為0.8μm，小圓空氣孔的半徑為0.6μm。