光纤布拉格光栅辅助表面等离子体激元极化传感器外文翻译资料

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光纤布拉格光栅辅助表面等离子体激元极化传感器

摘要：我们首次提出了一种新型表面等离子体激元极化激元（SPP）光纤传感器的理论方案，该传感器首次在我们的认识中被提出，该光纤传感器具有光纤布拉格光栅，在我们的方案中，纤芯模式的能量可以通过适当设计的短周期光纤布拉格光栅（SPG）以高效率转移到SPP。为圆柱形（光纤）几何而开发，我们的方案不失一般性，可应用于平面。 我们的模拟基于耦合模式方法，并在电信波长上执行。

表面等离子体激元极化激元（SPP）是当介电和金属介电常数的实部在工作波长处具有相反符号时由单个或多个金属 - 介电界面支持的表面电磁波。用于生物传感的传统SPP传感器根据棱镜耦合原理工作，通过改变入射光束的角度来匹配SPP的传播常数。这依赖于将移动部件合并到传感器中。SPP可以在平面和圆柱形（纤维）几何形状中实现。SPP磁场组件在接口处具有其最大值，并以指数形式衰减到两个介质中。小的穿透深度使得SPP非常适合于沉积在金属表面层上的电介质样品的折射率检测。但是，SPP设备必须简单并且展现高效率才能成为传感器。

在这篇论文中，我们提出了一种简单的新型集成方案，用于SPP光纤传感器，无需使用特殊设计的光纤中的任何移动部件。我们也使用远程通信波长，因为这些信号源很容易获得，并且具有某些优点，例如比短波长更大的模场直径。在我们的传感器中，SPP激励是基于光纤纤芯中印制的布拉格光栅（图1）基于光纤纤芯模式与反向传播SPP的共振耦合。SPG的长度为L，纤芯的折射率为n_co。金属层的介电常数是由德鲁常数来建模的：ε(omega;)=ε_infin;[1-omega;2 p/omega;(omega; іГ)]，其中ε_infin;是介电常数ε(omega;)的高频值。omega;_p是等离子频率，Г是它的阻尼率。我们的SPP方案比较青睐著名的衰减全反射技术，因为它没有移动零件，否则需要控制光束的入射角。该传感器全部是光纤，可以直接插入光纤系统，以降低插入损耗。与基本纤芯模式的电磁场一样，SPP的电磁场是具有负金属层负介电常数的多层圆柱结构的标准边界条件的麦克斯韦方程组的解。许多作者描述了圆柱几何形状的电磁场计算。我们仅引用与我们的结构相关的结果，采用圆柱极坐标（r，Theta;，z）用于光纤几何。众所周知，所有现场组件都包含一个共同因素exp（ibeta;_vuz imTheta;-iomega;t）, beta;_vu是传播常数。需要强调的是，除了m = 0的特殊情况外，对于圆柱几何体，这些模式不具有纯粹的横向E或H字符。每层结构的最重要的特征是其相位参数u2 i=-omega;2 i=k2 0n2 i-beta;2 vu，其中，k₀为真空波数，n_i为i层的折射率（i分别为芯、覆层、金属和周边介质），模场的解决方案涉及真实参数的贝塞尔函数，它具有振荡性，对于u2 i＞0的情况，虚宗量贝塞尔函数是渐近函数；对于u2 i＜0的情况，结构可以支持SPP的频率范围由条件ε（omega;）lt;-n2 cl决定。SPP有效指数n_pgt;n_cl。在许多论文中详细描述的光纤布拉格光栅（FBG）的已发展的耦合模理论的基础上，模拟了SPP激发作为布拉格光栅反射率的函数的效率。

高效率SPP激励有两个主要条件。第一个条件是光纤纤芯模的传播常数与SPB传播常数之间的相位匹配，该相位匹配是由该传播常数由适当设计的FBG周期对于预定波长的感兴趣的信号提供，如已知的情况 芯包层光纤模耦合。第二种情况需要大的耦合常数来将光纤纤芯模耦合到SPP，由合适设计的光纤和光栅参数提供。由于我们在我们的设备中使用了无标题的光纤布拉格光栅，因此只有非零耦合常数位于光纤纤芯模式和具有相同方位角数的SPP之间。综上所述，SPP场分量在界面处具有其最大值，并逐渐衰减至周围介质中。为了实现SPP和纤芯模式之间的大的重叠，包层厚度必须与标准单模光纤相比较小。为了简化生产过程，增加纤维芯直径是有益的。尽管纤维包层直径明显缩小，但由于纤芯直径的增加，整体直径使得该结构易于处理。在我们的模拟中，纤芯直径为26mu;m，折射率为1.44072，光纤包层直径为30mu;m，折射率为1.44。这是一种单模光纤。 光纤芯模用于SPP激励。为了设计优化，了解SPP传播常数，结构参数和光栅之间的相关性非常重要。n_p的值对于表面介质的值[图2（a）]和金属层厚度的变化量[图2（b）]非常敏感。SPP对第一个参数np的灵敏度对于传感器应用非常有前景。正如我们在图2（b）中所看到的那样，增加金属层厚度会降低SPP传播常数的值。结构的几何参数如芯线和包层直径的变化不会显著改变SPP参数。这些变化可以在数量上改变n_p，但不能改变对n_s和△的依赖。为了减少系统损耗，我们使用金属层材料，其介电常数的实部的绝对值与电信波长的虚部相比足够大。从这个角度来看，最好的材料是黄金和白银; 我们在模拟中使用了黄金。零阻尼的限制，Г→0在我们的应用中是一种不错的近似，因为我们不做等离子共振。光栅强度（GS）是用于调整光栅周期的参数。的确，与之相关的谐振的近似谱位置带有SPG的光纤模式SPP反射由下式给出：

delta;_co-p kappa;_co-co/2=0 (1)

其中delta;_co-p=（beta;_co beta;_p-2pi;/and;）/2，delta;_co-p和kappa;_co-co分别是纤芯模式和极化波传播常数，beta;_co-co是核心模式自耦合保真度并且它与GS成正比。与此同时，光栅长度和GS显着影响光栅反射率的优化。

为了实现器件的小型化和易于生产，光栅长度应该尽可能地减小，并且应该有最大的光栅周期。通过增加固定光栅长度的GS，可以增加光栅反射率; 这也导致光栅周期的减少。事实上，beta;_co和beta;_p独立于GS，kappa;_co-co却与GS成比例。我们从（1）式中可以知道，and;与GS的倒数成正比，所以GS的增加会导致它的减小。举个例子，当GS=10^-4，光栅折射率仅为R=2.3%，光栅周期是and;=475nm，金属层厚度为10nm，对于GS=5times;10^minus;4, 光栅反射率显著增加（R=55%），但光栅周期and;下降到了404nm，在这两种情况下，光栅长度固定为L = 8厘米。在这个例子中，我们把周围的介质看成折射率为1.33的水，就像生物体传感一样。更改GS确实会影响光栅周期，因为它影响导模的传播常数，因为芯的平均折射率也按照方程式（1）变化。光栅反射率对光栅长度的依赖关系如图3所示。n_s=1.33(折射率周围的介质)。

图4说明了波长对应于我们结构的反射率最大（峰）对周围介质折射率的灵敏度。器件灵敏度表现为三种不同的金属层厚度，10.0，13.0和15.0nm。减小金属层的厚度实质上增加了器件的灵敏度，但同时为了保持高的SPP激发效率，我们必须增加光栅长度及其强度;结果，光栅周期减少。

表1总结了来自图4的数据，其显示了作为金属层厚度的函数的传感器的灵敏度，即波长中峰值反射率固定在70％的位移。为了获得高灵敏度（在n_s中300纳米/ 10^-3变化），我们需要一个薄金属层，其传感器的长度为9厘米，且其光栅的抗干扰能力强。然而，即使对于4cm的短光栅长度，对于15.0nm的较厚金属层，也可以获得70％的反射率，但是具有一半的波长偏移灵敏度(在n_s中150pm/ 10^-3变化)。需要注意的是当反射率保持在70%的时候，光栅和GS的长度取决于金属层的厚度。这是由于SPP与核心模式的重叠增加，但它减少了对周围介质的敏感度。光栅的透射光谱可以用作用于传感器监测的询问单元的输入信号。光栅的透射率可以估算为T = 100％-R，尽管没有考虑耦合到辐射场的损耗。反射率光谱的第一个零点的带宽与光栅长度成反比，如在反射中使用的标准光纤光栅的情况。与基于棱镜耦合技术的其他SPP传感器相比，我们的FBG辅助SPP传感器的优势在于它没有移动部件，结构紧凑并具有高灵敏度。

根据已经提出的结果，假设测量分辨率为0.3 pm，我们可以估算一个用于测量数据（a）（表1）的折射率变化的设备的灵敏度约为10^-6。这种分辨率是可能的，因为传输损耗频谱边缘的斜率为3 dB / 30 pm。假定可以测量0.01dB的透射率变化，那么所对应的传感器的折射率变化则为1/10⁶,但是，与所有SPP设备一样，折射率的温度依赖性也是一个必须考虑的因素。

综上所述，我们首次提出了一种用于SPP激励的具有光纤布拉格光栅的简单的新型表面等离子体激元极化激元（SPP）光纤传感器的理论方案。使用这种方案，我们可以在预定的波长上高效率地激发SPP，金属层厚度可用于控制传感器灵敏度。折射率调制的光栅长度和振幅可用于优化光栅反射率和光栅周期。该方案导致光纤传感器的测量分辨率为10⁶分之一，以改变周围材料的折射率。该设备基于简单并且成熟的技术。 这种方案可以用光纤或平面波导几何结构来实现，而不失一般性。该设备正在我们的实验室中进行建设。

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