基于單-多模光纖耦合的光纖端面無標(biāo)記光學(xué)傳感器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種基于單-多模光纖耦合的光纖端面無標(biāo)記光學(xué)傳感器，至少包括：?jiǎn)文９饫w；多模光纖，其端面制備有無標(biāo)記光學(xué)傳感結(jié)構(gòu)；以及單-多模光纖模場(chǎng)匹配耦合器，連接于所述單模光纖及多模光纖之間，實(shí)現(xiàn)所述單模光纖及多模光纖的模場(chǎng)匹配耦合。本發(fā)明發(fā)明了基于單-多模光纖耦合的光纖端面無標(biāo)記光學(xué)傳感器，它具有比單模光纖或多模光纖端面的無標(biāo)記光學(xué)傳感器更高的靈敏度，同時(shí)具有單模光纖導(dǎo)波系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈活方便、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。
【專利說明】基于單-多模光纖耦合的光纖端面無標(biāo)記光學(xué)傳感器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于生物傳感器領(lǐng)域，特別是涉及一種基于單-多模光纖耦合的光纖端面無標(biāo)記光學(xué)傳感器。

【背景技術(shù)】
[0002]將生物光學(xué)傳感與光纖導(dǎo)波結(jié)合可以使傳感系統(tǒng)中的光學(xué)通路由光纖實(shí)現(xiàn)，減小系統(tǒng)的復(fù)雜性和體積，提高系統(tǒng)的可靠性與便攜性。因此，近年來人們開始研究制備于光纖端面(垂直于光纖方向的平面)的無標(biāo)記生物光學(xué)傳感元件，這包括基于表面等離激元共振的貴金屬納米結(jié)構(gòu)、基于光子晶體共振的介質(zhì)納米結(jié)構(gòu)、基于波導(dǎo)耦合的結(jié)構(gòu)等等。
[0003]在已有的關(guān)于光纖端面無標(biāo)記光學(xué)傳感結(jié)構(gòu)的報(bào)道中，既有基于單模光纖的，也有基于多模光纖的。前者可以方便地與單模光纖導(dǎo)波系統(tǒng)結(jié)合，提高系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性，但是加工難度大。同時(shí)，由于單模光纖的導(dǎo)波模式具有較大的發(fā)散角，導(dǎo)致了傳感器靈敏度的降低。這是因?yàn)楣饫w端面的無標(biāo)記光學(xué)傳感結(jié)構(gòu)的光學(xué)特性通常對(duì)入射角非常敏感。例如，周期性貴金屬納米結(jié)構(gòu)是一類典型的無標(biāo)記光學(xué)傳感結(jié)構(gòu)，其通過表面等離激元共振波長(zhǎng)的移動(dòng)來檢測(cè)溶液折射率的變化，而此共振波長(zhǎng)同時(shí)也隨入射光的角度變化。因此單模光纖的大發(fā)散角就造成了不同的共振波長(zhǎng)被激發(fā)，其綜合表現(xiàn)就是展寬的反射共振譜和減小的反射共振谷的深度，造成傳感靈敏度的下降。
[0004]而多模光纖的芯徑大于單模光纖，從而其基模發(fā)散角也更小。因此當(dāng)多模光纖端面的無標(biāo)記光學(xué)傳感結(jié)構(gòu)只被多模光纖的基模激發(fā)時(shí)，反射譜寬和譜深會(huì)比單模光纖有明顯改善。但是，完全基于多模光纖的光學(xué)系統(tǒng)，很難保證在基模工作，其對(duì)光學(xué)校準(zhǔn)、光纖彎曲都非常敏感從而靈敏度下降。
[0005]為此我們注意到，單模光纖與多模光纖基模的模場(chǎng)匹配耦合已經(jīng)可以通過不同的方法實(shí)現(xiàn)。一種方法是:先將單模光纖與多模光纖的端面熔接，之后利用氫氧焰加熱熔接點(diǎn)，并將光纖向兩端拉伸，造成中間加熱段變細(xì)。Y.Jung等人在“Adiabatically taperedsplice for selective excitat1n of the fundamental mode in a multimode fiber(Optics LettersS^ 2369-2371，2009)”論文中報(bào)道了這樣的單-多模光纖模場(chǎng)匹配耦合，它使單模光纖中的基模通過中間拉錐的部分逐漸高效率耦合到多模光纖的基模而不激發(fā)其他模式。
[0006]本專利發(fā)明了一種用單模光纖傳導(dǎo)光波(從而整個(gè)光學(xué)傳感系統(tǒng)具有單模光纖導(dǎo)波系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈活方便、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn))，通過單模光纖與多模光纖基模的模場(chǎng)匹配耦合來高效率激發(fā)多模光纖的基模，而無標(biāo)記光學(xué)傳感結(jié)構(gòu)在多模光纖的端面這樣一個(gè)高靈敏度的傳感器結(jié)構(gòu)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]鑒于以上所述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種基于單-多模光纖耦合的光纖端面無標(biāo)記光學(xué)傳感器，用于解決現(xiàn)有技術(shù)中的單模光纖端面無標(biāo)記光學(xué)傳感器的反射譜的共振谷寬、淺從而傳感靈敏度低的問題，以及多模光纖端面無標(biāo)記光學(xué)傳感器光學(xué)校準(zhǔn)復(fù)雜、穩(wěn)定性差等問題。
[0008]為實(shí)現(xiàn)上述目的及其他相關(guān)目的，本發(fā)明提供一種基于單-多模光纖耦合的光纖端面無標(biāo)記光學(xué)傳感器，至少包括:
[0009]單模光纖；
[0010]多模光纖，其端面制備有無標(biāo)記光學(xué)傳感結(jié)構(gòu)；
[0011]單-多模光纖模場(chǎng)匹配耦合器，連接于所述單模光纖及多模光纖之間，實(shí)現(xiàn)所述單模光纖及多模光纖的模場(chǎng)匹配耦合。
[0012]作為本發(fā)明的基于單-多模光纖耦合的光纖端面無標(biāo)記光學(xué)傳感器的一種優(yōu)選方案，所述無標(biāo)記光學(xué)傳感結(jié)構(gòu)為具有二維周期性網(wǎng)格狀納米線槽的貴金屬薄膜。
[0013]作為本發(fā)明的基于單-多模光纖耦合的光纖端面無標(biāo)記光學(xué)傳感器的一種優(yōu)選方案，所述二維周期性網(wǎng)格狀納米線槽的在兩個(gè)垂直方向的周期相等且為200?2000nm，納米線槽的線寬為10?200nm。
[0014]作為本發(fā)明的基于單-多模光纖耦合的光纖端面無標(biāo)記光學(xué)傳感器的一種優(yōu)選方案，所述貴金屬薄膜為Au薄膜、Ag薄膜或Al薄膜。
[0015]作為本發(fā)明的基于單-多模光纖耦合的光纖端面無標(biāo)記光學(xué)傳感器的一種優(yōu)選方案，所述貴金屬薄膜的厚度為10?lOOnm。
[0016]如上所述，本發(fā)明提供一種基于單-多模光纖耦合的光纖端面無標(biāo)記光學(xué)傳感器，至少包括:單模光纖；多模光纖，其端面制備有無標(biāo)記光學(xué)傳感結(jié)構(gòu)；以及單-多模光纖模場(chǎng)匹配耦合器，連接于所述單模光纖及多模光纖之間，實(shí)現(xiàn)所述單模光纖及多模光纖的模場(chǎng)匹配耦合。本專利發(fā)明了基于單-多模光纖耦合的光纖端面無標(biāo)記光學(xué)傳感器，它具有比單模光纖或多模光纖端面的無標(biāo)記光學(xué)傳感器更高的靈敏度，同時(shí)具有單模光纖導(dǎo)波系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈活方便、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1顯示為本發(fā)明的基于單-多模光纖耦合的光纖端面無標(biāo)記光學(xué)傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018]圖2顯示為本發(fā)明的基于單-多模光纖耦合的光纖端面無標(biāo)記光學(xué)傳感器中的無標(biāo)記光學(xué)傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。
[0019]圖3顯不為本發(fā)明的基于單-多模光纖稱合的光纖端面無標(biāo)記光學(xué)傳感器一種測(cè)試系的結(jié)構(gòu)統(tǒng)示意圖。
[0020]圖4顯示為本發(fā)明的基于單-多模光纖耦合的光纖端面無標(biāo)記光學(xué)傳感器的反射譜與單模光纖端面無標(biāo)記光學(xué)傳感器的反射譜的對(duì)比曲線圖。
[0021]元件標(biāo)號(hào)說明
[0022]10 單模光纖
[0023]20 多模光纖
[0024]201 無標(biāo)記光學(xué)傳感結(jié)構(gòu)
[0025]30 單-多模光纖模場(chǎng)匹配耦合器

【具體實(shí)施方式】
[0026]以下通過特定的具體實(shí)例說明本發(fā)明的實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可由本說明書所揭露的內(nèi)容輕易地了解本發(fā)明的其他優(yōu)點(diǎn)與功效。本發(fā)明還可以通過另外不同的【具體實(shí)施方式】加以實(shí)施或應(yīng)用，本說明書中的各項(xiàng)細(xì)節(jié)也可以基于不同觀點(diǎn)與應(yīng)用，在沒有背離本發(fā)明的精神下進(jìn)行各種修飾或改變。
[0027]請(qǐng)參閱圖1?圖4。需要說明的是，本實(shí)施例中所提供的圖示僅以示意方式說明本發(fā)明的基本構(gòu)想，遂圖式中僅顯示與本發(fā)明中有關(guān)的組件而非按照實(shí)際實(shí)施時(shí)的組件數(shù)目、形狀及尺寸繪制，其實(shí)際實(shí)施時(shí)各組件的型態(tài)、數(shù)量及比例可為一種隨意的改變，且其組件布局型態(tài)也可能更為復(fù)雜。
[0028]如圖1?圖2所示，本實(shí)施例提供一種基于單-多模光纖耦合的光纖端面無標(biāo)記光學(xué)傳感器，至少包括:
[0029]單模光纖10 ；
[0030]多模光纖20,其端面制備有無標(biāo)記光學(xué)傳感結(jié)構(gòu)201 ；
[0031]單-多模光纖模場(chǎng)匹配稱合器30,連接于所述單模光纖10及多模光纖20之間，實(shí)現(xiàn)所述單模光纖10及多模光纖20的模場(chǎng)匹配耦合。
[0032]作為示例，所述無標(biāo)記光學(xué)傳感結(jié)構(gòu)201具體為一種基于表面等離激元共振原理的無標(biāo)記生物光學(xué)傳感元件。如圖2所示，所述無標(biāo)記光學(xué)傳感結(jié)構(gòu)201為具有二維周期性網(wǎng)格狀納米線槽的貴金屬薄膜。當(dāng)然，在其它的實(shí)施例中，所述無標(biāo)記光學(xué)傳感結(jié)構(gòu)201可以為具有一維或二維周期性光柵結(jié)構(gòu)的貴金屬或介質(zhì)薄膜、二維周期性多孔結(jié)構(gòu)的貴金屬薄膜等，且并不限于此處所列舉的幾種結(jié)構(gòu)。
[0033]作為示例，所述二維周期性網(wǎng)格狀納米線槽的在兩個(gè)垂直方向的周期相等且為200?2000nm，納米線槽的線寬為10?200nm。當(dāng)然，在實(shí)際應(yīng)用中納米線槽的周期可以根據(jù)所需要的光波長(zhǎng)而更改。
[0034]作為示例，所述貴金屬薄膜為Au薄膜、Ag薄膜或Al薄膜，且并不限于此處所列舉的幾種。
[0035]作為示例，所述貴金屬薄膜的厚度為10?lOOnm。
[0036]作為示例，所述無標(biāo)記光學(xué)傳感結(jié)構(gòu)201的制作方法為，先采用電子束蒸發(fā)的方法于所述多模光纖20的端面上沉積一層金薄膜，然后采用聚焦離子束刻蝕方法于所述金薄膜上刻出二維周期性網(wǎng)格狀的納米線槽結(jié)構(gòu)。
[0037]如圖3?圖4所示，在完成如上傳感器件結(jié)構(gòu)后，本實(shí)施例進(jìn)行了反射譜測(cè)試。測(cè)試采用150W溴鎢燈作為光源，并通過一個(gè)50X顯微物鏡將光耦合入單模光纖之中。通過一個(gè)2 X 2的光纖耦合器來連接所述單模光纖、本發(fā)明的基于單-多模光纖耦合的光纖端面無標(biāo)記光學(xué)傳感器、以及光譜儀，如圖3所示。此2X2的光纖耦合器有兩個(gè)輸入端和兩個(gè)輸出端，光從任一個(gè)輸入端進(jìn)入后，以50%的功率從兩個(gè)輸出端分別輸出；反過來也一樣，即光從任一個(gè)輸出端(反向)進(jìn)入后，以50%的功率從兩個(gè)輸入端分別輸出。I禹合器的輸入I連接光源一側(cè)的單模光纖，輸入2連接光譜儀，輸出I與基于單-多模光纖耦合的光纖端面無標(biāo)記光學(xué)傳感器相連，輸出2空置。如此,從光源I禹合入單模光纖的光經(jīng)由I禹合器的輸入1-輸出I到達(dá)基于單-多模光纖耦合的光纖端面無標(biāo)記光學(xué)傳感器，而傳感器的反射光經(jīng)由耦合器的輸出1-輸入2到達(dá)光譜儀。我們分別測(cè)試了將傳感器浸入水中時(shí)的反射光譜，并將之除以光纖端面為25nm厚連續(xù)金薄膜時(shí)的反射譜，得到如圖4所示的歸一化反射光譜。圖4同時(shí)給出了端面制作有相同的二維周期性金薄膜納米線槽無標(biāo)記光學(xué)傳感器的單模光纖的反射譜測(cè)量結(jié)果?？梢钥吹絾文９饫w端面無標(biāo)記光學(xué)傳感器的反射谷半高寬為85nm,而基于單-多模光纖稱合的光纖端面無標(biāo)記光學(xué)傳感器的反射谷半高寬為40nm,是前者的一半不到，而且反射谷明顯更深。
[0038]綜上所述，本發(fā)明提供一種基于單-多模光纖耦合的光纖端面無標(biāo)記光學(xué)傳感器，至少包括:單模光纖；多模光纖，其端面制備有無標(biāo)記光學(xué)傳感結(jié)構(gòu)；以及單-多模光纖模場(chǎng)匹配耦合器，連接于所述單模光纖及多模光纖之間，實(shí)現(xiàn)所述單模光纖及多模光纖的模場(chǎng)匹配耦合。本專利發(fā)明了基于單-多模光纖耦合的光纖端面無標(biāo)記光學(xué)傳感器，它具有比單模光纖或多模光纖端面的無標(biāo)記光學(xué)傳感器更高的靈敏度，同時(shí)具有單模光纖導(dǎo)波系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈活方便、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。所以，本發(fā)明有效克服了現(xiàn)有技術(shù)中的種種缺點(diǎn)而具高度產(chǎn)業(yè)利用價(jià)值。
[0039]上述實(shí)施例僅例示性說明本發(fā)明的原理及其功效，而非用于限制本發(fā)明。任何熟悉此技術(shù)的人士皆可在不違背本發(fā)明的精神及范疇下，對(duì)上述實(shí)施例進(jìn)行修飾或改變。因此，舉凡所屬【技術(shù)領(lǐng)域】中具有通常知識(shí)者在未脫離本發(fā)明所揭示的精神與技術(shù)思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應(yīng)由本發(fā)明的權(quán)利要求所涵蓋。
【權(quán)利要求】
1.一種基于單-多模光纖耦合的光纖端面無標(biāo)記光學(xué)傳感器，其特征在于，至少包括: 單模光纖； 多模光纖，其端面制備有無標(biāo)記光學(xué)傳感結(jié)構(gòu)； 單-多模光纖模場(chǎng)匹配耦合器，連接于所述單模光纖及多模光纖之間，實(shí)現(xiàn)所述單模光纖及多模光纖的模場(chǎng)匹配耦合。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于單-多模光纖耦合的光纖端面無標(biāo)記光學(xué)傳感器，其特征在于:所述無標(biāo)記光學(xué)傳感結(jié)構(gòu)為具有二維周期性網(wǎng)格狀納米線槽的貴金屬薄膜。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于單-多模光纖耦合的光纖端面無標(biāo)記光學(xué)傳感器，其特征在于:所述二維周期性網(wǎng)格狀納米線槽的在兩個(gè)垂直方向的周期相等且為200?2000nm，納米線槽的線寬為10?200nm。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于單-多模光纖耦合的光纖端面無標(biāo)記光學(xué)傳感器，其特征在于:所述貴金屬薄膜為Au薄膜、Ag薄膜或Al薄膜。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于單-多模光纖耦合的光纖端面無標(biāo)記光學(xué)傳感器，其特征在于:所述貴金屬薄膜的厚度為10?lOOnm。
【文檔編號(hào)】G01N21/01GK104165840SQ201310182823
【公開日】2014年11月26日 申請(qǐng)日期:2013年5月16日 優(yōu)先權(quán)日:2013年5月16日
【發(fā)明者】楊天, 賀曉龍 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)