專利名稱：一種新型高靈敏度光子晶體光纖太赫茲倏逝波傳感器件的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及實心塑料光子晶體光纖，特別是一種新型高靈敏度光子晶體光纖太赫茲倏逝波傳感器件。
背景技術(shù)：
太赫茲波是指頻率在O. ITHZ到10THZ之間、波長在O. 03mm到3mm范圍內(nèi)的電磁
波，在電磁波譜中占有特殊位置，其長波段與毫米波交叉，短波段與紅外線有重疊，是電子學技術(shù)與光子學技術(shù)、微觀與宏觀的過渡區(qū)域。由于其具有量子能量低、信噪比高、頻率極寬、時間空間相干性好等優(yōu)點，近年來引起科學家的密切關(guān)注。太赫茲波廣泛用于數(shù)據(jù)傳輸、材料處理、分層成像技術(shù)、傳感波導器件等領域。光子晶體光纖又稱多孔光纖或微結(jié)構(gòu)光纖，包層由沿軸向周期性排布在基質(zhì)中的空氣孔組成，而纖芯由一個破壞了包層周期性結(jié)構(gòu)的缺陷構(gòu)成，根據(jù)缺陷的不同可以把光子晶體光纖分為空心光子晶體光纖和實心光子晶體光纖兩種，其導光原理不同。光子晶體光纖有很多傳統(tǒng)光纖無法比擬的優(yōu)點如無截止的單模特性、低損耗特性、靈活的色散特性等。以上結(jié)構(gòu)使其具有靈活的設計自由度(空氣孔的半徑、孔間距、纖芯半徑等)，通過改變這些參數(shù)可以靈活的改變光子晶體光纖的傳輸特性。普通的光子晶體光纖材料為石英用于太赫茲波傳輸損耗很大，所以塑料光子晶體光纖如聚四氟乙烯，高濃度聚乙烯，聚甲基丙烯酸甲酯等材料代替石英相繼出現(xiàn)。尤其聚乙烯損耗小、相對色散低、用于制造光子晶體光纖的結(jié)構(gòu)參數(shù)在毫米量級，有利于待測物填充，不失成為傳感器件的最佳選擇。以往的傳統(tǒng)光纖倏逝波傳感器用待測物作為包層易腐蝕纖芯且對探頭制作要求很高，空心光子晶體光纖倏逝波傳感器雖靈敏度高，但對探測波長范圍有限制只允許波長在帶隙范圍內(nèi)的光通過，且對包層空氣孔周期性要求極高增加制作難度，實心光子晶體光纖倏逝波傳感器一般靈敏度很低不易實時快速以及對低濃度微量物檢測，有必要研究提高實心光子晶體光纖倏逝波傳感器的靈敏度方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是解決以往的實芯光子晶體光纖倏逝波傳感器靈敏度低、對微小物不易探測等缺點，提供一種新型高靈敏度光子晶體光纖太赫茲倏逝波傳感器件，該傳感器件可有效地提高了倏逝波傳感器的靈敏度，實現(xiàn)對低濃度及微小物性質(zhì)的檢測。本發(fā)明的技術(shù)方案一種新型高靈敏度光子晶體光纖太赫茲倏逝波傳感器件，為纖芯包層結(jié)構(gòu)，包括纖芯和包層，其采用高密度聚乙烯材料作基底，纖芯由摻雜芯和摻雜芯四周均布的六個小空氣孔構(gòu)成，在纖芯六個小空氣孔四周均布沿軸向呈正三角形周期性排列的大空氣孔，大空氣孔與其四周的基底構(gòu)成包層。所述聚乙烯材料的密度為O. 940g/CC，折射率為I. 5。
所述摻雜芯的材料為摻雜二氧化鍺的二氧化硅，其折射率為I. 48，摻雜芯直徑為
O.24mm。所述小空氣孔的直徑為O. 1mm，小空氣孔與摻雜芯的中心距為O. 21mm。所述大空氣孔的直徑為O. 48mm,大空氣孔的中心距為O. 6mm，最內(nèi)層大空氣孔與摻雜芯的中心距為O. 6mm。本發(fā)明的優(yōu)點和積極效果該倏逝波傳感器件在實心光子晶體光纖的纖芯設有摻雜芯并在其四周增加了六個小空氣孔，使光子晶體光纖太赫茲倏逝波傳感器的靈敏度明顯提高；采用折射率較低的摻雜芯有助于降低基模有效折射率并且減小纖芯和包層的有效折射率差，從而進一步提高傳感器的靈敏度；所用太赫茲波導材料聚乙烯易獲得，其結(jié)構(gòu)參數(shù)在毫米量級易于待測物快速填充，該倏逝波傳感器件在瓦斯氣體、有毒生化制劑、食品安全、空氣污染等檢測方面具有很大的應用價值。


圖I是該倏逝波傳感器件截面結(jié)構(gòu)示意圖。圖中1.基底2.大空氣孔3.摻雜芯4.小空氣孔圖2是該倏逝波傳感器件的模場分布COMSOL模擬圖。圖3是傳統(tǒng)實芯、纖芯加一直徑為O. 16mm的小孔以及所設計的摻雜芯加纖芯六個小孔的光子晶體光纖三種不同模式有效折射率曲線對比圖。圖4是圖3所述三種不同模式的相對靈敏度曲線對比圖。圖5是該倏逝波傳感器件的有效模場面積隨波長變化曲線。
具體實施例方式實施例一種新型高靈敏度光子晶體光纖太赫茲倏逝波傳感器件，如圖I所示，為纖芯包層結(jié)構(gòu)，包括纖芯和包層，其采用高密度聚乙烯材料作基底1，聚乙烯材料的密度為
O.940g/CC，折射率為I. 5，纖芯由摻雜芯3和摻雜芯四周均布的六個小空氣孔4構(gòu)成，摻雜芯3的材料為摻雜二氧化鍺的二氧化硅，其折射率為I. 48，摻雜芯直徑為O. 24mm,小空氣孔 4的直徑為O. Imm,小空氣孔4與摻雜芯3的中心距為O. 21mm，在纖芯六個小空氣孔4四周均布沿軸向呈正三角形周期性排列的大空氣孔2，大空氣孔的直徑為O. 48mm，大空氣孔的中心距為O. 6mm，最內(nèi)層大空氣孔2與摻雜芯3的中心距為O. 6mm，大空氣孔2與其四周的基底I構(gòu)成包層。該結(jié)構(gòu)倏逝波傳感器件在波長λ = O. 8mm時的模場分布COMSOL模擬圖如圖2所示。用有限元軟件模擬出傳統(tǒng)全內(nèi)反射、纖芯加一小孔以及所設計纖芯六個小孔加摻雜芯光子晶體光纖的三種不同模式有效折射率在O. 45mm到I. 4mm范圍內(nèi)隨波長變化曲線， 如圖3所示，通過對比發(fā)現(xiàn)該新型光子晶體光纖傳感器件的模式有效折射率明顯降低，而相對靈敏度與模式有效折射率成反比，所以間接了相對提高靈敏度。同時也模擬出在O. 45mm到I. 4mm波長范圍內(nèi)相對靈敏度變化曲線，如圖4所示，可以看出隨著波長的增加，上述三種不同模式光子晶體光纖的相對靈敏度都成增大趨勢， 但在整個波長范圍內(nèi)該新型光子晶體光纖倏逝波傳感器件都明顯比只加一小孔或傳統(tǒng)全內(nèi)反射的高很多，尤其在I. 4mm時幾乎可達40%，提高靈敏度是一個傳感器實時快速檢測的關(guān)鍵因素。有效模場面積也是影響傳感性能的關(guān)鍵因素，因為當有效模場面積過小時會導致較強的非線性效應，而改變增加相對靈敏度條件時會引起有效模場面積的減小，圖5是該倏逝波傳感器件的有效模場面積隨波長變化曲線，可以看出在短波長O. 45mm到I. 05mm之間有效模場面積變化不大保持穩(wěn)定，而在長波長1.05_到I. 4_范圍內(nèi)明顯增加，變化范圍在O. 3mm2到6. Omm2之間不會對傳感器性能造成影響，所以該新型高靈敏度光子晶體光纖太赫茲倏逝波傳感器件有很大實用價值。
權(quán)利要求
1.一種新型高靈敏度光子晶體光纖太赫茲倏逝波傳感器件，其特征在于為纖芯包層結(jié)構(gòu)，包括纖芯和包層，其采用高密度聚乙烯材料作基底，纖芯由摻雜芯和摻雜芯四周均布的六個小空氣孔構(gòu)成，在纖芯六個小空氣孔四周均布沿軸向呈正三角形周期性排列的大空氣孔，大空氣孔與其四周的基底構(gòu)成包層。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述新型高靈敏度光子晶體光纖太赫茲倏逝波傳感器件，其特征在于所述聚乙烯材料的密度為O. 940g/CC，折射率為I. 5。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述新型高靈敏度光子晶體光纖太赫茲倏逝波傳感器件，其特征在于所述摻雜芯的材料為摻雜二氧化鍺的二氧化硅，其折射率為I. 48，摻雜芯直徑為O.24mm。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述新型高靈敏度光子晶體光纖太赫茲倏逝波傳感器件，其特征在于所述小空氣孔的直徑為O. 1mm，小空氣孔與摻雜芯的中心距為O. 21mm。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述新型高靈敏度光子晶體光纖太赫茲倏逝波傳感器件，其特征在于所述大空氣孔的直徑為O. 48mm，大空氣孔的中心距為O. 6mm，最內(nèi)層大空氣孔與摻雜芯的中心距為O. 6mm。
全文摘要
一種新型高靈敏度光子晶體光纖太赫茲倏逝波傳感器件，為纖芯包層結(jié)構(gòu)，包括纖芯和包層，其采用高密度聚乙烯材料作基底，纖芯由摻雜芯和摻雜芯四周均布的六個小空氣孔構(gòu)成，在纖芯六個小空氣孔四周均布沿軸向呈正三角形周期性排列的大空氣孔，大空氣孔與其四周的基底構(gòu)成包層。本發(fā)明的優(yōu)點是該倏逝波傳感器件在實心光子晶體光纖的纖芯設有摻雜芯并在其四周增加了六個小空氣孔，使光子晶體光纖太赫茲倏逝波傳感器的靈敏度明顯提高；采用折射率較低的摻雜芯有助于降低基模有效折射率并且減小纖芯和包層的有效折射率差，也可提高傳感器的靈敏度，該倏逝波傳感器件在瓦斯氣體、有毒生化制劑、食品安全、空氣污染等檢測方面具有很大的應用價值。
文檔編號G02B6/02GK102607609SQ20121006152
公開日2012年7月25日 申請日期2012年3月12日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月12日
發(fā)明者任廣軍, 吳玉登, 孟慶瑩, 沈遠, 胡海燕, 董莉 申請人:天津理工大學