[发明专利]基于单‑多模光纤耦合的光纤端面无标记光学传感器

说明书

技术领域

本发明属于生物传感器领域，特别是涉及一种基于单-多模光纤耦合的光纤端面无标记光学传感器。

背景技术

将生物光学传感与光纤导波结合可以使传感系统中的光学通路由光纤实现，减小系统的复杂性和体积，提高系统的可靠性与便携性。因此，近年来人们开始研究制备于光纤端面（垂直于光纤方向的平面）的无标记生物光学传感元件，这包括基于表面等离激元共振的贵金属纳米结构、基于光子晶体共振的介质纳米结构、基于波导耦合的结构等等。

在已有的关于光纤端面无标记光学传感结构的报道中，既有基于单模光纤的，也有基于多模光纤的。前者可以方便地与单模光纤导波系统结合，提高系统的可靠性与稳定性，但是加工难度大。同时，由于单模光纤的导波模式具有较大的发散角，导致了传感器灵敏度的降低。这是因为光纤端面的无标记光学传感结构的光学特性通常对入射角非常敏感。例如，周期性贵金属纳米结构是一类典型的无标记光学传感结构，其通过表面等离激元共振波长的移动来检测溶液折射率的变化，而此共振波长同时也随入射光的角度变化。因此单模光纤的大发散角就造成了不同的共振波长被激发，其综合表现就是展宽的反射共振谱和减小的反射共振谷的深度，造成传感灵敏度的下降。

而多模光纤的芯径大于单模光纤，从而其基模发散角也更小。因此当多模光纤端面的无标记光学传感结构只被多模光纤的基模激发时，反射谱宽和谱深会比单模光纤有明显改善。但是，完全基于多模光纤的光学系统，很难保证在基模工作，其对光学校准、光纤弯曲都非常敏感从而灵敏度下降。

为此我们注意到，单模光纤与多模光纤基模的模场匹配耦合已经可以通过不同的方法实现。一种方法是：先将单模光纤与多模光纤的端面熔接，之后利用氢氧焰加热熔接点，并将光纤向两端拉伸，造成中间加热段变细。Y.Jung等人在“Adiabatically tapered splice for selective excitation of the fundamental mode in a multimode fiber（Optics Letters34，2369-2371，2009）”论文中报道了这样的单-多模光纤模场匹配耦合，它使单模光纤中的基模通过中间拉锥的部分逐渐高效率耦合到多模光纤的基模而不激发其他模式。

本专利发明了一种用单模光纤传导光波（从而整个光学传感系统具有单模光纤导波系统的结构简单、灵活方便、稳定性好等优点），通过单模光纤与多模光纤基模的模场匹配耦合来高效率激发多模光纤的基模，而无标记光学传感结构在多模光纤的端面这样一个高灵敏度的传感器结构。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于单-多模光纤耦合的光纤端面无标记光学传感器，用于解决现有技术中的单模光纤端面无标记光学传感器的反射谱的共振谷宽、浅从而传感灵敏度低的问题，以及多模光纤端面无标记光学传感器光学校准复杂、稳定性差等问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种基于单-多模光纤耦合的光纤端面无标记光学传感器，至少包括：

单模光纤；

多模光纤，其端面制备有无标记光学传感结构；

单-多模光纤模场匹配耦合器，连接于所述单模光纤及多模光纤之间，实现所述单模光纤及多模光纤的模场匹配耦合。

作为本发明的基于单-多模光纤耦合的光纤端面无标记光学传感器的一种优选方案，所述无标记光学传感结构为具有二维周期性网格状纳米线槽的贵金属薄膜。

作为本发明的基于单-多模光纤耦合的光纤端面无标记光学传感器的一种优选方案，所述二维周期性网格状纳米线槽的在两个垂直方向的周期相等且为200～2000nm，纳米线槽的线宽为10～200nm。

作为本发明的基于单-多模光纤耦合的光纤端面无标记光学传感器的一种优选方案，所述贵金属薄膜为Au薄膜、Ag薄膜或Al薄膜。

作为本发明的基于单-多模光纤耦合的光纤端面无标记光学传感器的一种优选方案，所述贵金属薄膜的厚度为10～100nm。

如上所述，本发明提供一种基于单-多模光纤耦合的光纤端面无标记光学传感器，至少包括：单模光纤；多模光纤，其端面制备有无标记光学传感结构；以及单-多模光纤模场匹配耦合器，连接于所述单模光纤及多模光纤之间，实现所述单模光纤及多模光纤的模场匹配耦合。本专利发明了基于单-多模光纤耦合的光纤端面无标记光学传感器，它具有比单模光纤或多模光纤端面的无标记光学传感器更高的灵敏度，同时具有单模光纤导波系统的结构简单、灵活方便、稳定性好等优点。

附图说明