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光波导振荡场传感器 第4卷第5期 2006年1O月 光学与光电技术 OPTICSamp;OPTOELECTRONICTECHNOL(Y~Y Vo1.4,No.5 October,2006 文章编粤:1672—3392(2006)05—0029—03 光波导振荡场传感器 曹庄琪吴至境 (1上海交通大学导波光电子器件实验室,上海200240;2江西师范大学物理与通信电子学院,南昌330022) 摘要针对消逝场传感器的不足,提出了一种传感介质处于波导芯层,且以超高阶导模为探针 的光波导振荡场传感器.由于其波导芯层处于功率密度极高的振荡场区域,而超高阶导模又具 有对芯层参数极为灵敏的性质,因此这种新型传感器的灵敏度大大增强.实现了超越消逝场传 感器灵敏度极限值几个量级的位移传感器. 关键词光波导;传感器;振荡场 中图分类号T252文献标识码A 1引言 随着环境污染以及煤矿安全问题的日益突出, 如何快速方便地检测出诸如室内空气中的甲醛,饮 用水中的六价铬,食品中的农药残存等有毒物质, 以及煤矿中的瓦斯浓度等,已成为当前急需解决的 问题.作为关键技术的高灵敏度,小型化的传感器 将在这些领域发挥重要的作用. 自上世纪80年代后期以来,以表面等离子共 振(SPR)l】],光波导_2]和光纤[3]技术为基础的小型 化传感器受到了人们的广泛关注.这类传感器的 一 个共同特点是待测样品处于共振模(表面等离子 波和光导波)的消逝场区域,因此这类传感器也被 称为消逝场传感器.由于其结构简单,使用方便可 靠,已被应用于生物,化学,物理,航天,遥感和环境 监察等多个领域.近年来,有关这类传感器的学术 论文越来越多].目前已有多家公司生产的SPR 生化传感器实现了商品化j. 以探测液体和气体浓度的传感器为例,消逝场 传感器的灵敏度可由下式表示l6j: 一f-(1)一 式中,为待测介质的折射率,P为待测区域共振 模的功率,N为共振模有效折射率,P...为共振模 总功率.根据消逝场传感器的特点,有Ngt;和 《P.ta】.近年来,为提高灵敏度,发展了一种反对 称波导(RSW)消逝场传感器l6],目的是使n/N 和P/P...两个因子尽可能趋近于1.但由于原理 上的限制,这类传感器的灵敏度不可能超越1的极 限值. 如果把待测样品置于波导的芯区,由于芯区处 于导模的振荡场区域,因而具有很大的功率密度, 即式(1)右边第二个因子很容易接近1.而芯区的 折射率gt;N,由此可见,这种振荡场传感器的灵 敏度完全可以超越1的极限值.但传统的介质平 板波导的芯层仅为m量级,这样小的空间难以放 置待测样品;其次芯区折射率应大于波导衬底折射 率,而介质波导的衬底折射率一般都超过1.45,这 就使得绝大部分折射率小于1.45的气体和液体样 品不能作为芯层材料,严重限制了传感器的探测 范围. 2亚毫米尺度金属包覆光波导 针对介质平板波导消逝场传感器的缺点,我们 提出了一种如图1所示的亚毫米尺度金属包覆光 波导.这种波导的特点是波导芯层介质(e)的厚 度h为亚毫米尺度,覆盖层和衬底为贵金属(ez), 由于在光谱范围内,贵金属介电常数的实部小于 零,因此在这种波导中,导模有效折射率的取值范 围为 0lt;Nlt;(2) 根据式(2),我们发展了一种自由空间耦合技 术[8],这种耦合可脱离棱镜或光栅,使光直接从空 收稿日期2006—05—20;收到修改稿日期2006—06—23 作者简介曹庄琪(1945一),男,教授,主要研究方向为导波光学与光波导器件.E-mail:zqcao@sjtu.edu.cn 30光学与光电技术第4卷 气入射于上层金属膜的表面.设￡.一1.0,则这种 耦合方法可激发有效折射率Nlt;1.0的导模. \./ 8 图1亚毫米尺度金属包覆光波导 Fig1Metal-claddingopticalwaveguidewith SUb-millimeterscale 3超高阶导模.] 亚毫米尺度金属包覆波导的色散方程为 A痢一丌an1(P√),\,/P1——/一, (一0,1,2,……)(3) 式中,为光波长,而与偏振有关的参数 P一 1 /.毳㈩lD一{￡￡2TM模 由于h为亚毫米量级,而波长仅为m量级,因 此这类波导中通常可容纳上千个导模.对N一0 时的超高阶导模存在以下特殊性质. 3.1偏振不灵敏性 由于N一0,通常大于l000,而式(3)右边 与偏振有关的相移项的绝对值小于丌,因此可近似 忽略,于是式(3)改写为 _Znh■—m7r(5) 式(5)是偏振无关的,实验结果如图2所示. 图2ATR谱,波导参数￡l一2.25.￡2一一1O+1.0i, h一100f』m,一0.65um Fig.2Attenuatedtotalreflectionspectrum parame