保偏微纳光纤倏逝场传感器∗

2018-01-16李杰李蒙蒙孙立朋范鹏程冉洋金龙关柏鸥

物理学报 2017年7期

李杰李蒙蒙孙立朋范鹏程冉洋金龙关柏鸥

(暨南大学光子技术研究院,广东省光纤传感与通信技术重点实验室,广州 510632)

1 引言

微纳光纤是尺寸为微米或纳米量级光纤的统称,不同于传统光纤,微纳光纤拥有很高的倏逝场效应,可与外界直接形成强相互作用[1−3].此外微纳光纤还具有良好的导光性、可弯曲特性、特殊色散效应以及高非线性等一系列优点,引起了研究者的兴趣,至今已开发出包括微环/螺旋微纳光纤谐振腔[4−6]、布拉格[7]或长周期[8,9]微纳光纤光栅、干涉仪[10,11]和耦合器等[12]各种微型的光子器件,在高灵敏度生化传感[4−12]、荧光探测[13]、原子俘获与引导[14]、高非线性[15]以及激光发射[16,17]等领域表现出非常重要的应用价值.

保偏微纳光纤是一种特殊的微纳光纤,是在传统保偏光纤和微纳光纤的研究基础上发展出来的,不同于以往的传统保偏光纤[18,19]和光子晶体光纤[20,21],具有独特的双折射(色散)效应和大倏逝场效应等,它的出现为新型光纤器件的研发和传感器的应用提供了新的方法和实现手段.例如,利用保偏微纳光纤在不同偏振态的倏逝场效应和它们对周围介质折射率的不同响应,可制成高灵敏度的倏逝场传感器[22,23],在生化传感和医药研发等领域发挥重要作用.

近年来,研究者们在保偏微纳光纤及倏逝场传感器方面做出了许多研究成果,本文围绕该种传感器的研究现状和发展趋势,分别介绍了保偏微纳光纤器件的结构类型、制作方法和模式双折射等,阐述了其倏逝场传感器的构造特征和实现原理等,并探讨了其在折射率、湿度、磁场和特异性DNA分子探测等方面的应用.

2 保偏微纳光纤的结构类型、制备方法与模式双折射等特征

图1(a)—(d)所示为几种典型的保偏微纳光纤的结构.图1(a)是将传统熊猫保偏光纤通过熔融拉锥的方法制作的保偏微纳光纤[24−26],熔融拉锥法是制作微纳光纤的常用方法,即采用氢氧焰、激光或电弧放电等加热方式将光纤加热至熔融状态同时将其拉伸,通过控制加热温度和拉伸速度等参数可获得所需要的光纤形状和尺寸.实验证明[24],保偏光纤在熔融拉锥过程中光纤内结构形状和内应力产生的快慢轴方向基本保持不变,若当光纤尺寸拉细至1µm时,其两个主轴方向的偏振光发生串扰的消光比可达16 dB,其传输损耗仅为0.2 dB,该方法可进一步推广到其他类型的内应力偏振光纤.图1(b)是包层为矩形的光纤经熔融拉锥方法制成的横截面呈二维对称结构的保偏微纳光纤[22].如图所示,光纤初始的矩形边长分别为113µm和70µm,纤芯为圆形且尺寸为6µm,通过优化熔融拉锥的工艺参数,可使光纤的横截面形状基本不变,随着光纤尺寸的变细,传导模式由最初在纤芯中传输逐渐过渡到在包层中传输,并产生了较强的双折射效应.实验中,将光纤长边的尺寸拉细至a～3µm,利用拉细的保偏微纳光纤制作Sagnac环偏振干涉仪,干涉消光比可达20 dB[22].在另外一个实验中,Jung等[27]通过将熔融拉锥扁平型的光纤至约1µm附近,在波长为1550 nm处获得的双折射大小为5.3×10−3.

如图1(c)所示为利用氢氟酸化学腐蚀的办法制作保偏微纳光纤的例子.氢氟酸溶液能够和石英光纤材料发生化学反应,生成易溶于水的物质,从而可有效降低光纤的尺寸.在图1(c)中,光纤被放置于氢氟酸液滴中,液滴容积约为100µL,通过改变光纤与氢氟酸液滴的接触状态,利用液体的表面张力,形成对光纤的不对称腐蚀,最终得到横截面为“水滴”形的微纳光纤[28].实验过程中通过调节光纤的浸泡深度和氢氟酸溶液的浓度来控制光纤的横截面形状,而光纤锥区长度的控制通过改变液滴的尺寸等来实现.如图所示,采用该方法制备的尺寸为2µm的“水滴”形微纳光纤,其双折射大小可为0.017,而传输损耗低于0.7 dB[28].

图1(d)为椭圆形保偏微纳光纤,采用CO2脉冲激光扫描加工的方式,将标准单模光纤加工成横截面为椭圆形结构,再经熔融拉锥的方式获得微纳尺寸的光纤结构,通过控制加工工艺条件可优化微纳光纤横截面椭圆形状和尺寸等.实验结果显示,当椭圆微纳光纤的长轴尺寸为3.09µm和椭圆度为2.27时,获得的双折射达0.021[23].这种方法需要预先对标准光纤进行预加工并与熔融拉锥相结合,具有很强的结构设计灵活性,无需选取特殊结构的光纤,因此也具有更大的适用性.除了CO2激光加工,Xuan等[29]提出将单模光纤用飞秒激光“切削”的方式,去除包层对称的两边,经熔融拉锥获得横截面为类椭圆形的保偏微纳光纤,测得的双折射达到10−2量级;Beltrán-Mejía等[30]通过将单模光纤侧边抛磨等方式,获得一种D型保偏微纳光纤.

此外,Kou等[31]和Zhang等[32,33]还分别提出通过构建沟槽光纤和低折射率椭圆芯的微纳光纤,利用光场在光纤低折射率区的增强或削弱获得高双折射效应,然而由于制作条件的局限,目前此类器件仍仅处于理论研究的阶段.

图1 (a)熊猫型保偏微纳光纤[24];(b)矩形微纳光纤[22];(c)“水滴”形微纳光纤[28];(d)椭圆形微纳光纤Fig.1.(a)Panda-polarization maintaining optical micro fiber[24];(b)rectangular micro fiber[22];(c)dropletshape micro fiber[28];(d)elliptical micro fiber.

分析表明,大多数保偏微纳光纤是通过改变光纤截面结构来产生较高的模式双折射效应,而相较于传统保偏光纤,微纳光纤具有较大的双折射效应及特殊色散特性.以椭圆微纳光纤为例,当微纳光纤随着尺寸减小时,其传输光场逐渐从纤

芯扩散到包层,类似于一般微纳光纤,当光纤尺寸满足一定的缓变条件时,光从纤芯模式逐渐耦合到微纳光纤的基模,耦合效率几乎可达到100%[1−3].此时,原有的光纤包层构成了新的“纤芯”,而外界空气则构成了新的“包层”,“纤芯”与“包层”折射率差高达0.45,微纳光纤由于结构非对称性造成的双折射效应得到大幅提高.保偏微纳光纤的模式双折射B和群双折射G分别表示为

图2 理论计算的椭圆形微纳光纤 (a)双折射B和(b)群双折射G分别与光纤尺寸a及横截面椭圆度e的变化关系,内插图为基模的模场分布图Fig.2.(a)Birefringence B and(b)group birefringence G as functions of fiber size a at different ellipticities e for elliptical micro fibers in air.Inset is the field pro file of the fundamental mode.

3 保偏微纳光纤倏逝场传感器类型、原理及应用

3.1 超高灵敏度的偏振干涉型倏逝场传感器[22,23]

如果将保偏微纳光纤直接熔接到由3 dB光纤耦合器和其他单模光纤构成的光纤Sagnac环形镜中,即构成偏振干涉的倏逝场传感器.如图3(a)所示,我们报道了采用矩形微纳光纤构成的该类传感器[22],宽带光源出射的光经耦合器进入Sagnac环中,偏振控制器起到调节偏振态的作用,经偏振控制器后光的快慢轴发生转换,当两个不同偏振方向的光在耦合器处重新交汇后,形成偏振相位差,通过输出端的光谱分析仪(OSA)测得干涉光谱.与之类似的结构是采用将两个起偏器和保偏微纳光纤熔接构成的偏振干涉结构,但传输损耗较大.图3(b)为Sagnac环偏振干涉仪产生的透射光谱,通过调节偏振控制器可使干涉仪消光比达20 dB以上,干涉条纹的间距由保偏微纳光纤的双折射大小和干涉长度等共同决定.经比较发现,若将保偏微纳光纤由空气中移至水中,干涉条纹间距将会变大,在1450 nm附近的损耗主要是由水的吸收引起的[22].

图3 (a)基于矩形微纳光纤的偏振干涉型传感器示意图;(b)矩形微纳光纤分别在空气中和水中的干涉光谱图;(c)理论计算所得的折射率灵敏度随微纳光纤尺寸a的变化关系,波长为1550 nm,其中圆点为实验测得的结果[22]Fig.3.(a)Schematic of the refractive index sensor based on our rectangular micro fiber;(b)typical transmission spectra for the micro fiber placed in air and aqueous liquid,respectively;(c)modeled sensitivity as a function of the fiber size a at 1550 nm.The measured point for our experiment is marked[22].

在上述偏振干涉中,干涉条纹的相位差表达式为

其中,L为光的干涉长度,光谱透过率为T=sin2(Φ/2).需要说明的是,由于光纤锥形过渡区的双折射较小,相位差主要由微纳尺度的光纤所提供.此时,当外界折射率发生改变时,基于不同偏振方向的倏逝场效应,模式有效折射率发生不同程度的变化,从而改变了双折射的大小并进而使干涉光谱发生漂移.将方程(2)进行数学上的微分,并假定相位差Φ保持不变,即可得到灵敏度公式:

其中,n为外界折射率.由(3)式可知,保偏微纳光纤传感器的折射率灵敏度主要由工作波长λ、外界折射率诱导的双折射变化∂B/∂n和群双折射G共同决定.在(3)式中,一般情况下,双折射大小随外界折射率的升高而降低,即∂B/∂n＜0,因此折射率灵敏度S的符号由群双折射G决定,当G＞0时,S为正数,光谱随折射率增大而红移,反之S为负数,光谱蓝移.研究表明,群双折射主要与微纳光纤的形状与尺寸(如图2所示)以及光波长等密切相关,通过调节保偏微纳光纤的结构参数,可实现对传感器灵敏度的优化.特别地,当G→0时,其折射率灵敏度将得到极大提升.

在实验中,采用矩形微纳光纤的尺寸为3.29µm,长宽比为1.50,测得的折射率灵敏度高达18987 nm/RIU(RIU:单位折射率大小)[22].图3(c)记录了在波长为1550 nm和折射率为1.33附近时,折射率灵敏度与光纤尺寸的对应关系,折射率最大值出现于a～2.24µm,实验与理论结果相一致[22].

进一步,我们实验室通过CO2激光加工与熔融拉锥相结合的方法制作了椭圆形保偏微纳光纤,大大克服了光纤结构的局限,提高了光纤设计的自由度和灵活性,从而从改善光纤结构方面实现了对传感器的优化[23].如图4(a)所示为我们实验室所测得的椭圆光纤度随CO2激光出射功率的变化关系,采用的二氧化碳激光器型号为SYNRAD 48-5,输出功率最大为50 W,激光扫描速度为300 mm/s,重复频率为5 kHz.由图可知,随激光功率改变,光纤椭圆度实现了从1.0至2.5的连续调节.我们随后利用椭圆形微纳光纤制作了Sagnac环偏振干涉型倏逝场传感器,并测量了透射光谱随外界折射率的变化关系,如图4(b)和图4(c)所示,实验选用的光纤参数分别为:Micro fiber A:a=4.49µm,e=2.27,L=8 mm;Micro fiber B:a=3.84µm,e=2.5,L=9.4 mm.分析测试结果可知,通过优化保偏微纳光纤的横截面椭圆度和尺寸等参数,可使其传感器灵敏度性能得到极大提升,实验获得的灵敏度接近2.0×105nm/RIU,为目前所测得的最大值[23].另外,还通过调节光纤参数,观察到了光谱随折射率增大而发生蓝移的情况,实验与理论结果相一致,发生蓝移光谱的灵敏度达−91244 nm/RIU[23].另外,Jin等[34]利用飞秒激光“切削”和熔融拉锥结合的方式制作的保偏微纳光纤,构成Sagnac环偏振干涉型传感器,测得的灵敏度约为20788 nm/RIU,结构设计具有较大的灵活性.

图4 (a)光纤椭圆度随CO2激光加工功率的变化关系;(b)两种不同椭圆微纳光纤传感器的透射光谱随外界折射率的变化关系[23]Fig.4.(a)Ellipticity of the fiber as a function of the CO2-laser power;(b)interferometric wavelengths as functions of external refractive index for micro fibers A and B,respectively[23].

3.2 灵敏度增强的保偏微纳光纤倏逝场传感器[35]

为了产生较高的传感器灵敏度,往往需要使用具有较小尺寸的光纤,然而太小的光纤尺寸又容易造成较大的损耗,且由于光纤易断,给操作带来了诸多不便,为此,我们提出通过在干涉臂中插入一段保偏光纤作为参考光纤,以实现对传感器的增敏[35].

在实验中,如图5所示,我们在保偏微纳光纤传感器的基础上插入了一段领结型保偏光纤,而传感信号的采集仍由保偏微纳光纤完成,其中偏振控制器PC1用来调节干涉条纹可见度,偏振控制器PC2用来调节两根保偏光纤快慢轴的相对角度,使其“平行”或“垂直”,它和领结保偏光纤一起起到调节灵敏度的作用.假设B′和L′分别为传统保偏光纤的双折射大小和光纤长度,产生干涉光谱的相位差则为Φ=(2π/λ)(BL±B′L′),其中,“+”和“−”分别对应两根保偏光纤的快慢轴相互平行或垂直的情况.通过对上式进行微分且假定相位差Φ保持不变,可获得折射率灵敏度的表达式为[35]

其中,G′表示参考保偏光纤的群双折射.由(4)式可知,通过选取微纳光纤和参考光纤的相对群双折射大小,或通过调节两条保偏光纤的相对长度大小,可使G±G′(L′/L)趋近于零,从而使感测灵敏度S大幅增强.在实验中,我们通过调节领结型光纤的长度和快慢轴旋转角度,使保偏微纳光纤传感器灵敏度在原来的基础上提高了五倍,达到34772 nm/RIU[35].

图5 灵敏度增强的保偏微纳光纤倏逝场传感器Fig.5. Sensitivity-enhanced refractive index sensor utilizing polarization-maintaining micro fiber.The conventional bow-tie fiber is used as a reference.

3.3 基于自耦合的保偏微纳光纤Sagnac环传感器[36]

保偏微纳光纤同时拥有大双折射特性和良好的机械可弯曲性能,特别适用于制作微小型光子器件,如图6(a)所示,我们利用保偏微纳光纤构成了高度集成的Sagnac环偏振干涉仪型传感器.我们选用尺寸仅为几个微米的矩形微纳光纤,通过扭转的方式使其自相缠绕形成耦合区,光模式通过近场相互作用发生耦合,而未缠绕部分则构成了微纳光纤环.当入射光进入光纤环之后,不同偏振态的光在环内传输时累积足够的相位差,再次经过耦合区发生光纤之间和偏振态之间的相互耦合,从而在输出端可测得偏振干涉光谱.通过改变扭转角度可以调节光纤耦合区的长度,如图6(a)中的内插图为实际制作的干涉仪实物图,图6(b)为实验测得的干涉光谱随着扭转角度的变化关系图,通过调整扭转角度可使干涉光谱的消光比达20 dB以上[36].

我们测量了该传感器的折射率灵敏度特性,将制作的保偏微纳光纤Sagnac环置于待测溶液中,选取的微纳光纤尺寸为3.65µm,光纤环直径为4.3 mm,测得干涉光谱随溶液折射率的变化迅速发生漂移,在折射率为1.355至1.3586范围内,测得的灵敏度为24373 nm/RIU[36].同时,温度灵敏度仅约为5 pm/°C,这是由于微纳光纤尺寸较小,不同偏振态模场的主要集中分布于光纤的石英材料区,具有较低的温度响应[36].该器件具有较高的集成度,即采用自耦合的微纳光纤取代了传统光纤3 dB耦合器及偏振控制器等,大幅缩减了结构的尺寸,适用于制作生化传感器和可调谐滤波器等微型光器件.

图6 (a)基于自耦合的保偏微纳光纤Sagnac环干涉型传感器的示意图和实物照片;(b)干涉光谱随光纤扭转角度的变化关系[36]Fig.6. (a)Schematic of the miniature highlybirefringent micro fiber loop interferometer-based sensor.The cross-sectional fiber view and the photograph of a fabricated structure are also provided as insets;(b)transmission spectra in respect of the turn angle[36].

3.4 基于保偏微纳光纤布拉格光栅的温度不敏感折射率传感器[37]

温度是常见的环境参量,在实际应用中,当外界折射率或其他生物化学量等发生变化时常常伴随着温度的改变,因此传感器对温度的响应可能使其对其他参量的测量结果造成串扰,我们提出了利用保偏微纳光纤的不同偏振光对外界的不同响应特性来消除串扰的方法.如图7所示,我们采用波长为193 nm的ArF准分子激光器作为刻写光源,将紫外刻写法和相位模版法相结合,成功地在矩形微纳光纤上写入了布拉格光栅[37].图中列举了几个不同光纤尺寸的布拉格反射谱,光栅周期约为536.91 nm,其中不同的反射峰,分别对应矩形微纳光纤的不同偏振态,反射峰的间距与双折射大小有关.如图所示,当矩形微纳光纤尺寸为4.8,4.1和3.5µm时,产生的反射峰间距分别为1.84,2.58和4.38 nm,这是因为随着光纤尺寸的减小,光纤双折射增大的结果.

我们随后检测了矩形微纳光纤光栅在水溶液中的折射率响应特性,发现随着折射率增大,两个偏振态对应的光谱均发生红移,但其反射峰间距逐渐变小,选用的微纳光纤尺寸为4.8µm,可测得在折射率为1.36附近,光纤快慢轴对应的波长灵敏度分别为45.1 nm/RIU和39.5 nm/RIU,反射峰间距变化的灵敏度则为−5.6 nm/RIU;同时,当温度改变时,两个偏振态对应光谱的响应度基本相同,均约为12.01 pm/°C,这是由于不同偏振态的模场均主要分布于微纳光纤石英材料区,分布特性大体相同.因此，通过检测反射峰间距的变化,温度变化引起的串扰得到了抑制[37].

图7 几种不同矩形微纳光纤尺寸对应的布拉格光栅反射光谱[37]Fig.7.Re flection spectra of the mFBGs in rectangular micro fibers with different fiber sizes[37].

3.5 保偏微纳光纤湿度传感器[38]

相对湿度检测在环境监测、化学工程、食品安全以及半导体工业等领域都有着重要意义.传统的光纤湿度传感器往往受到自身条件局限,需要修饰化学功能膜以提高其传感灵敏度,而基于保偏微纳光纤的传感器则不受限于这一点,即不需要进行器件表面修饰仍可获得较高的湿度灵敏度,因而也具有较高的响应速度.我们实验室利用椭圆微纳光纤偏振干涉仪构成了湿度传感器[38],湿度的改变伴随了光纤材料与水分子作用的过程,我们在30%RH到90%RH湿度变化范围内,测得的相对湿度灵敏度可达201.25 pm/%RH;并通过在光纤环中级联熊猫保偏光纤的办法实现了器件的增敏,使湿度感测敏感性可进一步提高至422.2 pm/%RH.实验测得传感器响应速度优于60 ms,优于以往报道的结果[38].

3.6 保偏微纳光纤磁场传感器[39]

光纤磁场传感器在科研、生产和生活当中有着广泛的应用前景,可被用于探测磁场变化或传递与磁场有关的其他信息,由于光纤器件具有体积小、传输距离远和复用性好等优点,将光纤与磁液相结合是构成磁场传感器的有效手段之一.其中磁液是一种新型的纳米功能材料,主要由四氧化三铁纳米颗粒和溶剂等构成,当外界磁场发生变化时,纳米颗粒可能发生团簇等形态变化,从而引起溶液折射率发生相关改变,通过检测这种改变可实现对外界磁场的测量.结合保偏微纳光纤倏逝场传感器的特点,我们将矩形保偏微纳光纤与磁液通过玻璃毛细管进行封装,封装后的示意图如图8所示,我们随后将经封装的装置插入到Sagnac环偏振干涉仪中进行磁场测量.采用的微纳光纤尺寸为10.5µm,长度约为2.1 mm,实验测得当磁场强度从0到85 Oe变化时,干涉光谱随磁场变化的灵敏度约为−98 pm/Oe;当磁场强度继续增大到一定程度时,磁液将逐渐趋于饱和,磁场感测灵敏度下降[39].

图8 将微纳光纤和磁液用毛细玻璃管进行密封的示意图Fig.8.Con figuration of a micro fiber and magnetic fluid packaged inside a capillary tube to prepare the fabrication of magnetic field sensors.

3.7 保偏微纳光纤DNA传感器

光纤倏逝场传感器可被用于提取生命体中重要的物质组成信息,在疾病诊断、药物研发和健康监控等许多领域有着重要意义.在这一领域中,可通过在光纤结构上构造具有特异性识别功能的受体,当受体与液体中特异性物质如免疫性抗体或抗原等结合,引起结构表面的折射率改变,从而实现实时快速检测,具有良好的适用性.在实验中,我们采用多聚赖氨酸(poly-L-lysine)对椭圆保偏微纳光纤进行功能化修饰,然后在其表面链接探针分子,从而实现对目标DNA分子的特异性检测[40].当待测单链DNA分子浓度发生变化时,基于椭圆微纳光纤的偏振干涉光谱发生漂移,通过检测光谱漂移量可推知DNA分子浓度的变化值.实验发现在DNA分子浓度为100 pM到1µM之间时,干涉光谱随浓度改变呈现良好的线性关系,测得的检测极限为75 pM;我们同时对非检测目标的其他两种单链DNA分子进行了对比实验,结果显示,该传感器对其他分子的响应只有待测分子响应度的6.2%和6%,说明该传感器表现出了良好的分子检测特异性.

图9 基于保偏微纳光纤DNA传感器的工作原理图Fig.9.Schematic for label-free DNA quanti fication with polarization-interferometric micro fiber sensors.

此外,保偏微纳光纤还被用来制作了可调谐梳状滤波器[34]、摇摆滤波器[41]和偏振转换器[42]等其他光学器件.通过对比发现,相较于其他类型的传感器,例如基于等离子体共振[43]或回音壁模式[44]等的传感器,保偏微纳光纤传感器具有结构设计相对简单、传感灵敏度高且制作成本低等优点.由于传感器的性能一般由光纤的横截面结构所决定的,通过结构优化可实现对器件性能的提升,该传感器具有较高的可靠性和稳定性.在实际应用中,可采用光纤封装技术进一步提高其实用性,以满足不同场合的应用需求.随着科研的发展,微纳光纤传感技术将会越来越成熟,相信会有更多的器件被开发出来,而保偏微纳光纤也将发挥越来越重要的作用.

4 结论

近年来,研究者在保偏微纳光纤传感器方面做了大量的研究工作,本文从分析保偏微纳光纤传感器的研究现状和发展趋势出发,回顾了保偏微纳光纤的结构类型、制备方法和模式双折射等特点.阐述了几种不同保偏微纳光纤倏逝场传感器的构成类型和实现方法,深入探究了包括高折射率灵敏度等产生的内在机理,且讨论了该类传感器在折射率、湿度、磁场和特异性DNA分子探测等方面的应用,其研究结果对保偏微纳光纤及其传感器的发展具有重要意义.

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