论文总字数：23778字

摘 要

光纤自诞生以来就是一种优良的传感载体。近年来，随着Lab-on-Fiber技术的成熟，通过在光纤端面上制造微纳结构实现传感已经成为热门领域。表面等离子体共振是一种发生在金属与电介质交界面上的波的耦合共振现象，会导致特定频率的光波被吸收，引起反射光谱的改变，被广泛应用于传感领域。

本文通过将Lab-on-Fiber技术与表面等离子体共振相结合，设计了一种基于光纤端面的表面等离子体传感器，将金属-介电混合纳米光栅集成在光纤端面上，可激发表面等离子体共振。当结构中电介质层厚度发生改变时，会导致谐振波长的偏移与反射率的改变，通过观测反射光谱来感知周围环境的变化，有希望用于压力传感领域。文章通过使用COMSOL Multiphysics 软件对四种光栅结构进行仿真，针对每种结构找到合适的占空比，并结合光谱图和电场分布图分析了每种结构的传感机理，此外还对结构的传感性能进行了对比分析。

结果表明，结构A的电场被限制在光纤一侧，不受外界折射率变化影响；结构B由于产生表面等离子体的界面发生改变，导致在电介质厚度为220nm左右时出现谐振峰的消失；结构C和结构D都出现了两个界面上的表面等离子体共振耦合的现象，大大提高了传感器的灵敏度。在性能方面，结构C、D的灵敏度最高，最大可达结构A、B的2倍左右，但结构D灵敏度波动很大，不够稳定。结构A灵敏度虽然不高，但品质因数最高，选择性很好，且整体性能较为稳定。结构B出现了谐振峰的消失，严重影响了在研究波段内的传感性能。

关键词： Lab-on-Fiber技术；表面等离子体共振；COMSOL仿真

Abstract

Optical fiber has been an excellent sensor carrier since its birth. In recent years, with the maturity of Lab-on-Fiber technology, the realization of sensing by manufacturing micro-nano structures on the tip of optical fibers has become a hot field. Surface plasmon resonance is a coupling resonance phenomenon of waves that occurs at the interface between metal and dielectric. It will cause light waves of specific frequencies to be absorbed, causing changes in the reflection spectrum, and is widely used in the field of sensing.

In this paper, a surface plasmon sensor based on the tip of fiber is designed. The metal-dielectric hybrid nanograting is integrated on the tip of fiber, which can excite the surface plasmon resonance. When the thickness of the dielectric layer changes in the structure, it will cause the shift of the resonance wavelength and the change of the reflectivity. By observing the reflection spectrum to sense the changes of the surrounding environment, it is expected to be used in the field of pressure sensing. The article uses COMSOL Multiphysics software to simulate four kinds of grating structures, find the appropriate duty cycle for each structure, and combine the spectrogram and electric field distribution diagram to analyze the sensing mechanism of structures. In addition, the sensor performance of the structure was compared and analyzed.

The results show that the electric field of structure A is confined to the side of the fiber and is not affected by the change of the external refractive index.In structure B, due to the change of the interface where the surface plasmon is generated, the resonance peak disappears when the dielectric thickness is around 220 nm. Both structure C and structure D have the phenomenon of surface plasmon resonance coupling between the two interfaces, which greatly improves the sensitivity of the sensor.

In terms of performance, structures C and D have the highest sensitivity, which can be up to about twice of structures A and B, but the sensitivity of structure D fluctuates greatly and is not stable enough. Although the sensitivity of Structure A is not high, its quality factor is the highest, the selectivity is very good, and the overall performance is relatively stable. The resonance peak disappeared in structure B, which seriously affected the sensing performance in the research band.

Key words: Lab-on-Fiber technology; surface plasmon resonance; COMSOL simulation;

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 Lab-on-Fiber技术研究 1

1.2.1 Lab-on-Fiber技术发展现状 1

1.2.2 Lab-on-Fiber技术分类 2

1.3 研究内容及意义 3

第2章 表面等离子体共振 4

2.1 SPR的发展与应用 4

2.2 SPR的激发条件 5

2.3 光纤SPR传感器 7

2.3.1光纤SPR传感器的结构 7

2.3.2光纤SPR传感器的信号参数 7

第3章 传感器COMSOL Multiphysics建模仿真方法 9

3.1 传感器模型简介 9

3.2 软件介绍 10

3.3 有限元法（Finite Element Method，FEM） 10

3.4 仿真建模流程 10

第4章 光纤端面表面等离子体结构性能分析 17

4.1 性能参数定义 17

4.2 结构A仿真结果分析 17

4.2.1结构A参数优化设计与传感机理分析 17

4.2.2结构A传感性能分析 19

4.3 结构B仿真结果分析 21

4.3.1结构B参数优化设计与传感机理分析 21

4.3.2结构B传感性能分析 22

4.4 结构C仿真结果分析 24

4.4.1结构C参数优化设计传感机理分析 24

4.4.2结构C传感性能分析 26

4.5 结构D仿真结果分析 28

4.5.1结构D参数优化设计和传感机理分析 28

4.5.2结构D传感性能分析 30

第5章 结论与展望 33

参考文献 34

致 谢 36

第1章 绪论

1.1 引言

传感器是一类能将被测量按照一定规律转换为可用信号的换能器件，现代工业社会的方方面面都离不开传感器。进入信息时代以来，人们对传感器提出了高精度、低时延、微型化等更高的要求^[1]。光纤作为主要的光通信介质，诞生后不久就被用于传感器技术。这是因为光纤本身具有体积小、重量轻、易弯曲、抗电磁干扰等优点，并且容易接受被测量/场的加载，可用于极端恶劣环境，光纤传感技术一直受到极大的重视^[2]。一直以来，在光纤上进行材料集成和结构修改，用具有特定传感应用的功能材料对光纤进行修饰，都是增加光纤传感器可测量参数数量、提高检测精度的主要方法。这些方法催生了一个新的研究领域，即”Lab-on-Fiber”(LOF)技术^[3]。

1.2 Lab-on-Fiber技术研究

1.2.1 Lab-on-Fiber技术发展现状

LOF技术是将纳米级和微米级高度功能化的材料组件集成到单根光纤中，以开发新一代的全光纤传感技术平台。通过LOF技术可实现基于光纤的多功能感测/驱动微系统，因此LOF技术也被视为光子技术革命的基石。LOF技术通过在光纤固有的微米级光耦和界面制造微结构实现微型化，大大提高平台的紧凑型与易用性，同时依靠光纤本身作为通信介质实现低时延传感。此外光纤本身超高的长宽比、良好的生物相容性，使得平台容易与医用导管/针头结合，以进入生物体内进行实时检测诊断。目前LOF技术在化学、生物医学、环境安全、食品安全等领域的检测传感方面到广泛应用。

在早期微电子工业中，大多数现代微纳米技术已经可以在平面基板上正确进行操作。但是由于光纤具有截面小，长宽比大和曲面的特点，因此传统微纳米技术和工艺在光纤上制造精度不高。这导致集成在光纤上的纳米结构的不规则和无序，传感器性能受损，从而阻碍了LOF技术的发展。

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