一种光纤探针泄漏模谐振多元参量传感方案

01 导读

光纤表面波传感器在生化医学、环境监测、电化学检测等诸多领域具有重要应用前景。然而，对于实际传感应用，待测物质间以及待测物质与传感器之间的相互作用通常会引起传感器表界面环境与周围体环境的同时动态变化，这对于传感器多元参量传感性能提出了较高要求。近日，温州大学李志红副教授研究团队提出了一种光纤探针泄漏模谐振多元参量传感方案，基于单个光纤探针泄漏模谐振在无交叉敏感条件下实现了传感器微环境内体/面环境参量高灵敏区分测量，研究成果以“Discriminating Bulk and Surface Refractive Index Changes with Fiber-Tip Leaky Mode Resonance”为题在 Journal of Lightwave Technology 上发表，温州大学李志红副教授为论文的第一作者/通讯作者。

02 研究背景

目前报道的多数光纤表面波传感器通常是基于光纤侧壁传感结构，即传感区域位于光纤包层或去掉包层的纤芯表面，传感区域长度通常在厘米级别。例如，通过在光纤包层表面涂覆金薄膜可激发表面等离子体共振，利用其强倏逝场效应能实现高灵敏的传感检测。然而，厘米量级的传感元件不利于传感器件的微型化和集成化的发展。同时，较大尺寸的传感区域需要较大量级的试剂，意味着传感元件不同区域会探测到不同的信号强度、甚至不同物质的传感信号，导致不能准确地获取待测物的信息。

近年来，光纤端面或光纤锥型端面表面波传感方案受到关注，主要包括基于光纤端面贵金属纳米结构的局域表面等离子体共振、基于光纤端面介质纳米结构的光子晶体共振、基于光纤端面周期介质结构的布洛赫共振等方案。然而，这些方案需要精确制备特殊设计的微纳米结构或周期结构，器件制备难度高，且需要昂贵的精密加工设备等，这些因素限制了光纤端面传感方案的广泛应用。另一方面，物质间相互作用往往会导致光纤传感器件周围微环境内体参量和面参量的同时变化，表现为体环境折射率(即体折射率)和面环境表面介质层厚度的同时变化，即传感信号不可避免地受到体参量和面参量交叉敏感的影响。因此，发展能同时区分测量体、面参量变化的微型化高灵敏光纤传感器有重大应用需求。

03 创新研究

3.1 光纤探针泄漏模谐振

泄漏模为不满足波导条件的高阶模式，因其高损耗特性而长期被忽视。然而，泄漏模的模场主要分布于波导周围的外部环境中，这为高灵敏传感提供了可能。本项工作报道了一种光纤探针泄漏模谐振(leaky mode resonance，LeMR)传感方案。如图1所示，传感元件由多模光纤和涂覆在光纤端面的微纳米薄膜(titanium dioxide，TiO2)构成。其中，多模光纤仅作为入射和反射光波的传输通道，端面薄膜本质为微纳米薄膜波导，支持导模、包层模和泄漏模。传感器周围体环境参量为体折射率，面环境参量为表面介质层厚度。

图1 光纤探针LeMR原理

图源: Journal of Lightwave Technology (2022)https://ieeexplore.ieee.org/document/9811341 (Fig. 1)

入射光经多模光纤传输后以入射角θ传输至端面薄膜波导内。研究发现，由于纤芯-包层界面全反射角的限制，入射角θ非常小(远小于薄膜波导导模和包层模的激发角度)，导致只有特定波长即谐振波长处的光纤纤芯模的能量才能耦合进入薄膜波导和外界环境内，即激发光纤探针泄漏模，其模场以驻波形式主要分布于外界环境内。因谐振波长处的能量泄漏，在多模光纤反射光谱中的谐振波长处会产生相应的光纤探针LeMR，且具有弱偏振相关特性，如图2所示。

图2 光纤探针LeMR反射谱

图源: Journal of Lightwave Technology (2022)https://ieeexplore.ieee.org/document/9811341 (Fig. 3)

3.2 体环境传感特性

图3为TiO2薄膜波导厚度为400 nm时光纤探针LeMR的体环境传感特性。体环境特征参量即体折射率的增大引起了所有光纤探针LeMR谐振强度的持续增大，说明有更多的光纤纤芯模能量泄漏至外界环境内(即薄膜波导-外界环境界面的透射率增大)。在LeMR谐振强度增大的过程中，其谐振波形保持稳定，同时谐振波长一直保持不变，这清晰地说明体环境的变化仅引起LeMR谐振强度的变化，而对谐振波长没有影响。因此，可通过监测光纤LeMR谐振强度的变化来获取体环境的动态变化过程。研究发现，光纤探针LeMR的谐振强度随体折射率作线性变化，通过线性拟合即可得到相应的体环境传感灵敏度。由图可知，前三个光纤探针LeMR的体环境传感灵敏度分别达到57.63 dB/RIU、52.60 dB/RIU和48.73 dB/RIU(均取绝对值)。进一步研究表明，通过调控薄膜波导厚度，能进一步优化其传感特性，即随着薄膜厚度增加，光纤探针LeMR的体传感特性逐渐提高，如图4所示。

图3 光纤探针LeMR体环境传感特性

图源: Journal of Lightwave Technology (2022)https://ieeexplore.ieee.org/document/9811341 (Fig. 4)

图4 光纤探针LeMR体环境传感特性随薄膜波导厚度的变化

图源: Journal of Lightwave Technology (2022)

https://ieeexplore.ieee.org/document/9811341 (Fig. 5)

3.3 面环境传感特性

图5为TiO2薄膜波导厚度为400 nm时光纤探针LeMR的面环境传感特性。面环境特征参量即表面介质层厚度的增大引起所有光纤探针LeMR谐振波长发生红移。在LeMR波长红移的过程中，其谐振波形保持稳定，同时谐振强度有较小的变化，但第一个光纤探针LeMR谐振强度变化最小(仅变化约0.12 dB，处于背景噪声水平)，这说明面环境的变化主要引起LeMR谐振波长漂移，而对谐振强度影响很小。因此，可通过监测光纤探针LeMR谐振波长漂移来获取面环境的动态变化过程。研究发现，光纤探针LeMR谐振波长随表面介质层厚度作线性变化，通过线性拟合即可得到相应的传感灵敏度。由图可知，前三个光纤探针LeMR的面环境传感灵敏度分别达到0.589 nm/nm、0.274 nm/nm和0.161 nm/nm。

图5 光纤探针LeMR面环境传感特性

图源: Journal of Lightwave Technology (2022)https://ieeexplore.ieee.org/document/9811341 (Fig. 6)

同时，通过调控薄膜波导厚度，能进一步优化光纤探针LeMR的面环境传感特性。如图6所示，随着薄膜波导厚度增加，光纤探针LeMR的面环境传感灵敏度逐渐提高，且对谐振强度的影响近似以指数规律减小(在薄膜波导厚度增大至440 nm时，面环境变化仅引起约0.1 dB谐振强度变化，低于背景噪声水平)。这清晰地说明通过调控薄膜波导厚度，能极大减弱甚至消除体环境和面环境的交叉敏感，从而基于单个光纤探针LeMR在无交叉敏感的条件下实现体环境和面环境的高灵敏区分测量。

图6 光纤探针LeMR面环境传感特性随薄膜波导厚度的变化

图源: Journal of Lightwave Technology (2022)https://ieeexplore.ieee.org/document/9811341 (Fig. 7)

04 应用与展望

本文提出了一种光纤探针LeMR体/面环境多元参量传感方案，基于单个光纤探针LeMR在无交叉敏感的条件下实现了传感器微环境内体/面参量高灵敏区分测量。相比于传统器件，该方案不需要在光纤侧壁或端面加工微纳结构，器件结构简单稳定，微纳米薄膜材料选择范围广。相比于现有的多通道、多次测量等传感技术，该方案仅通过单次检测单个光纤探针LeMR的谐振波长和强度动态变化过程，就能同时实现传感器微环境内体环境和面环境多元参量的高灵敏区分测量，且交叉敏感小，不需要多通道或参照系统。同时，该方案为典型的反射式传感系统，输入信号和传感信号均在低损耗全光纤结构中传输，光路简单，非常适用于远程在线原位检测，进一步结合波分、时分等信息处理技术以及功能薄膜材料的特异性响应特性，能方便地实现多点分布式特异性传感组网。

05 作者简介

李志红(论文第一/通讯作者) 副教授/硕士生导师

李志红，博士，副教授，新湖青年学者，硕士生导师，主要从事光纤传感技术、激光与光电子技术等方面的研究工作，特别在光波导理论、光场调控、光纤传感理论与技术等方面有深入研究。主持国家自然科学基金、浙江省自然科学基金、温州市基础研究计划等项目3项，参与国家自然科学基金、浙江省重点研发计划、浙江省自然科学基金等纵向项目7项。近年来在Optics Letter、Optics Express、IEEE/Optica Journal of Lightwave Technology、IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics、IEEE Sensors Journal、Optics and Laser Technology、IEEE Photonics Journal、Applied Physics Express、Journal of Applied Physics等学术期刊发表SCI论文30余篇，含《光学学报》专题“光纤传感技术及应用”特邀论文1篇，申请国家发明专利20余项(已授权15项)。担任Frontiers in Sensors 期刊Review Editor，长期担任Optics Letter、IEEE/Optica Journal of Lightwave Technology、Annalen der Physik、IEEE Access、Applied Optics等期刊审稿人。目前依托浙江省光电功能与数字化检测国际科技合作基地、微纳光电子器件温州市重点实验室、温州大学微纳结构与光电器件研究所等省市校科研平台开展科研工作。

审核编辑：汤梓红