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本课题是整理我本科时所做的一些工作。由于研究生阶段将改变方向，所有知识将更新至2019年6月，后续进展不会更新。
本专题默认读者为高年级本科生或研究生，也欢迎一些有余力的低年级本科生和高中生与我交流。
1 引言
最近这些年，基于普通光纤的SPR传感器逐渐引起人们的注意。由于光纤传感器可以现小型化、高集成度、远距离传感。此外，它对电磁场免疫，制作灵活小巧，可见光和近红外波段损耗低。然而，普通光纤可以改变的参数有限，在这些传感器中很难调节灵敏度。因此，由于光子晶体光纤具有单模导通、模场面积大、设计灵活、可控双折射等一系列独特的光学特性，引入了光子晶体光纤。通过优化PCF高灵敏度和宽传感范围的传感器结构参数。为了提高PCF本章提出了高双折射的灵敏度PCF传感器。此外， 为了激发SPR，需要在PCF金属膜涂在墙上。金银被广泛用于刺激SPR中。金化学性质稳定，共振波长移动范围大，但有几个限制，如高吸收系数（会导致共振峰的宽度），在非常薄的金膜表面形成金颗粒的团聚。与金会相比，银会有更尖的峰值，这将提高探测的准确性。但缺点是银在潮湿的环境中很容易氧化，降低了准确性，增加了储存成本。所以我们引入了石墨烯来克服这些问题。石墨烯相对表面积高，可提高信噪比。此外，由于石墨烯具有高电子密度，石墨烯可以隔离氧气和水蒸气等气体分子，从而保护银免受氧化。最后，石墨烯有π-π键能高度吸收分子，广泛应用于生物传感。
传统的PCF-SPR传感器镀金属膜PCF空气孔内壁。然而，液芯很难去除和填充样品，这使得传感器无法实时监测和快速反应。此外，由于空气孔尺寸为毫米，因此在空气孔中涂层和填充样品是一项耗时的工作。尽管D型PCF-SPR传感器易于清洁和替换样品 ，抛光刻蚀准确PCF预定区域仍然是一个挑战。
本章提出了石墨烯包裹银膜的椭圆孔SPR传感器。石墨烯用于保护银膜，防止氧化，提高传感器的性能。对PCF基于有限元法对结构参数和折射率的数值研究。我们提出的传感器采用波长调谐法在折射率范围1.33-1.39能提供最高10000nm/RIU灵敏度和折射率分辨率为2×10-5 RIU。
2.设计结构
我们设计的PCF-SPR如图2-1所示。芯层和包层的材料是二氧化硅。PCF有一个椭圆孔来产生双折射。晶格常数Λ=2μm, 椭圆孔长轴和短轴直径a=0.3Λ, b=0.15Λ。包层空气孔直径 d=0.7Λ。PCF可采用毛细管堆砌法拉制而成。为了产生SPP模式，PCF银膜涂在外壁墨烯防止银膜氧化。银膜和石墨烯的厚度为 tAg=40nm、 tg=3nm。我们采用有限元法(FEM)模拟光纤外用完美匹配层(PML)吸收散射光。光纤材料的参数由Sellmeier 方程得:
3.模拟结果和讨论 以下公式可以获得传输损失：
图2-3到图2-6显示PCF损失谱不同于结构参数。图2-3显示了晶格常数不同时的损耗谱。从图中可以看出，当晶格常数为1时.8μm当共振波长为600时nm,损耗为173.43 dB/cm，晶格常数为2.2μm当共振波长为595时nm,损耗为99.69 dB/cm。这说明随着晶格常数的增大，损耗谱呈现轻微的蓝移，共振峰减小。这是因为当晶格常数增加时，进射光泄漏到金属层的能量减少，从而减少损失。综上所述，较小的晶格常数有助于高损耗。所以我们选择晶格常数Λ=2μm。
从图2-4可以看出，当空气孔直径d=0.9Λ最大损失是186dB/cm，共振波长为605nm。空气孔直径d=0.5Λ，最大损失是101dB/cm，共振波长为590nm。这表明，随着气孔直径的增加，损耗谱呈红移，共振峰增加。这意味着空气孔的直径影响共振波长。故我们选取空气孔直径d=0.7Λ。
图2-5显示了不同椭圆孔离心率对损耗谱的影响。椭圆孔离心率ε=1时，最大损失为111.14 dB/cm，共振波长为600nm。椭圆孔离心率ε=5.最大损失是179.45dB/cm，共振波长为600nm。这表明，当离心率增加时，共振波长没有明显移动，而损失峰变大，因此损失可以由椭圆孔离心率控制。因此，我们选择椭圆孔离心率ε=2。
图2-6显示了椭圆孔短轴尺寸对损耗谱的影响。当椭圆孔短轴时b=0.13Λ122.08 dB/cm，共振波长为600nm。椭圆孔短轴b=0.17Λ，最大的损失是136.69dB/cm，共振波长为600nm。这表明椭圆孔对共振波长的影响可以忽略不计。因此，我们选择椭圆孔短轴b=0.15Λ。
银膜和石墨烯的厚度是PCF-SPR传感器性能起着重要作用。从图2-7 a)我们可以看到，当银膜厚度增加时，共振峰的衰减变得越来越明显，这意味着的基模能量被浪费在克服金属冲击损失上，因此基模与银膜交换的能量减少。此外，共振波长红移，半高宽（FWHW）增加意味着信噪比恶化。因此，为了提高传感器的性能，我们将银膜厚度设置为40nm。由图2-7 b)，我们研究了石墨烯厚度对传感器性能的影响。损耗峰从129.7dB/cm减少到106.2dB/cm，共振波长从600nm移动到675nm。石墨烯厚度的增加导致有效折射率的增加。因此，在更长的波长下满足共振条件。此外，石墨烯折射率虚拟部位导致震荡损失，与银膜规律相同，因此共振谱线较宽。因此，石墨烯厚度的最佳值为3nm。
SPR对周围环境的折射率变化极为敏感。因此，通过改变待测液体的折射率，我们研究了传感器的灵敏度。从图2-8 a)可见，随着折射率的增加，共振峰变大，共振波长变红。这是因为折射率的变化影响着基模和SPP模具的相位匹配点。此外，样品折射率的增加导致样品折射率的增加SPP模具的有效折射率接近基模的有效折射率，导致更多的能量从基模传递给基模SPP模。样品的折射率可以通过共振波长的移动来检测。SPR传感器的波长灵敏度由以下方程得:
4.本章小结本章首先介绍了光子晶体光纤的类型，并将其与普通光纤进行了比较，仿真结果表明光子晶体光纤相较于普通光纤，具有更小的模场面积，更大的非线性系数，无截止单模。提出了一种椭圆空芯光子晶体光纤SPR传感器，该传感器将金属层与液体层放在了光纤外表面。石墨烯附在银膜外用来防止其氧化。我们利用有限元法分析了该传感器的性能。椭圆空气孔有助于形成强双折射，通过消减x偏振光来增强y偏振光的强度，从而增强y偏振光的灵敏度。当基模和SPP模的相位匹配时，SPR传感性能得到了显著提升。该传感器的波长灵敏度最高可达10000nm/RIU,分辨率为2×10-5RIU。
参考文献
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