[发明专利]一种增强型导模共振光纤传感器的制备方法

说明书

本发明公开了一种增强型导模共振光纤传感器的制备方法，包括如下步骤：步骤A，在单模光纤上切割出一个与光纤轴向呈90°垂直的端面，并对所述端面进行打磨抛光；步骤B，利用溅射或化学气相沉积方法在所述端面上生长一层高折射率均匀薄膜，作为波导层；步骤C，利用光刻加刻蚀方法在波导层的表面制备光栅结构；所述光栅结构的区域尺寸不小于20×20微米；步骤D，利用聚焦离子束系统在光栅区两个相对位置分别刻蚀一个沟槽；步骤E，利用聚焦离子束系统在两个沟槽的内侧壁上沉积一层约300nm厚度的贵金属薄膜。该方案可以有效提高光纤RWG结构的共振信号，提高信噪比，从而可以达到实用化要求。

技术领域

本发明属于光学传感领域，特别涉及到一种增强型导模共振光纤传感器的制备方法。

背景技术

光纤传感器具有结构紧凑、灵敏度高、可实现远程传感等优势，在生化探测、气体检测、温度传感等领域已经有较为广泛的应用。按照工作原理，光纤传感器主要分为倏逝场作用型（包括干涉型、布拉格光栅型等）光纤传感器、法布里-泊罗谐振腔型光纤传感器（以下称为F-P型）以及表面等离子体共振型光纤传感器（以下称为SPR型）等类型。倏逝场作用型光纤传感器为了引出倏逝波，需要去除光纤包层，或采用拉锥、熔接不同类型光纤等方法激发包层模式，这些方法对光纤的机械性能会造成很大损害，光纤容易变形或断裂，从而影响传感器工作的稳定性，且传感作用区域通常较长（数厘米），需要较大体量的待测样本；F-P型光纤传感器的探测范围与传感灵敏度成反比，从而限制了其性能的进一步提升；SPR型传感器则往往需要拉锥、磨锥等复杂工艺，或使用昂贵的多芯光纤，另外，其共振波长通常处于可见光波段而非常用光纤通讯波段，吸收峰的线宽也较宽，从而对传感性能具有不利影响。

导模共振（Resonant Waveguide Grating，后文中简称RWG）是一种基于波导光栅的共振现象。当平面波入射到表面刻有亚波长光栅的波导表面时，如果其一阶散射与某一波导模式恰好满足相位匹配条件，则该散射信号会转换会波导模式并继续通过光栅向外辐射，该辐射信号与平面波的零阶透射信号具有相反的相位，从而导致总的透射信号为零，能量被全部反射回来。这一共振现象仅发生于特定的波长和入射角度，因此，如果入射光为宽谱光源，则测量其反射信号，可以在光谱图上得到一个反射率为百分之百的共振峰。当外界环境变化引起折射率发生改变，或光栅的厚度等结构参数发生变化时，共振峰发生移位，从而可以实现传感功能。

目前，RWG结构已经在平面的玻璃、晶体或聚合物等基片上实现了滤波、传感等功能。如果能够在光纤上引入该结构，则可以实现光纤传感功能。相对于传统光纤传感器，这种基于RWG效应的光纤传感器具有如下优势：（1）传感区较小（尺寸仅二十微米左右），适用于微量物质的检测；（2）不需要拉锥、熔接等工艺，可保持光纤的良好机械性能，且传感器整体结构紧凑，非常适合于刺入人体血管或组织进行实时医学诊断；（3）同时实现较高的传感灵敏度和较宽的探测范围；（4）不易受到温度等其他因素的扰动，结果稳定可靠；（5）非常容易与多芯光纤结合，实现不同物质成分或多物理量的同时检测。

然而，目前在光纤结构中仍然很难实现有效的RWG效应，其主要困难在于：光纤中传输的电磁波具有较小的模式尺寸（10微米左右），因此光栅散射信号中只有很少一部分可以耦合回光纤模式，即可以简单理解为：仅有纤芯附近一个很小区域内的光栅周期对RWG效应有贡献，这是和平面RWG器件的最大区别。其结果为，在光纤RWG结构中，反射信号的共振峰较弱，信噪比低，从而达不到应用需求。

例如：D. Wawro等曾经报道了在光纤头上利用紫外激光干涉法制备RWG结构，但反射谱中共振峰的强度仅为18%，信噪比低，从而难以达到实用化要求；2018年，H. Hemmati等报道了在光纤头上制备RWG传感器，其共振峰强度约达到40%水平，但采用的方法是在单模光纤后端熔接直径超过200微米的多模光纤，由于多模光纤信号难以返回单模光纤，因此只能采用测量透射谱的方式工作。而在许多实用场合，例如远距离传感、实时医学诊断等领域，要求光纤传感器必须采用反射谱测量方式工作。

发明内容