一种基于量子增强的光纤表面等离子体共振折射率传感器的制作方法

本实用新型属于光纤传感技术领域，特别涉及基于量子增强的光纤表面等离子体共振折射率传感器。

背景技术：

表面等离子体共振(surfaceplasmonresonance，spr)是入射光波和金属导体表面的自由电子相互作用产生的。当光线从光密介质入射到光疏介质且入射角大于反射角时会有全反射现象。若在光密与光疏两种介质之间存在几十纳米的金属薄膜，则全反射产生的倏逝波会进入到金属薄膜中，并与薄膜中的自由电子相互作用，激发出沿金属薄膜表面传播的表面等离子体波。由于表面倏逝波场与金属复折射率的存在，使满足谐振波长的光部分被吸收，其余波长的光被反射的现象。金属薄膜表面侧物质的折射率的变化会使得spr的谐振波长发生变化，以此可以对折射率变化做分析。

近年来，基于表面等离子体共振技术的传感器由于其灵敏度高、制作简单、无标记和可实时检测的特点，在化学、生物和医学等领域的检测得到广泛应用且得都进行了较为深入的研究。例如，我们可以利用spr传感技术测量折射率值识别各种生物反应。使用该方法，放射性或荧光等生物化学标记可以省略，从而使得检测过程变得简单化。在蛋白质绑定的检测和dna杂交等生物相互作用时发挥了重要的作用。但是spr传感器在灵敏度、稳定性、检测极限等方面还存在许多不足。如果spr传感的灵敏度可以得到提高，spr技术将可以更好的应用于医药学和早期疾病诊断以及生物检测。

折射率作为物质本身的一种属性，可以表征不同物质或者物质的浓度。很多物理、化学和生物参量的变化信息都是通过对折射率的变化体现出来的，例如介质含盐量、dna浓度、气体检测、湿度、ph值等。折射率测量在环境监测、食品加工、临床诊断和生物研究等领域的需求非常广泛。因此现在对折射率测量的灵敏度提出了更高的要求，也由此产生了很多提高折射率测量灵敏度的检测方法。

普通spr折射率传感器采用波长检测，但是它们会受到波长灵敏度和分辨率的限制，使得测量精度不能进一步提高。本发明提出一种基于量子增强的光纤表面等离子体共振折射率传感器用于实现折射率的极高灵敏度测量。本发明采用强度检测取代普通spr折射率传感器的波长检测。强度检测相较于波长检测具有更高的精度，但很微小的光强度可能会被湮没在噪声里，因此将量子增强引入到spr传感中。本发明利用量子纠缠源产生的共轭光束和光纤spr传感器对折射率进行探测，因为量子共轭光束具有高度量子相关性，并且对双光束做差分处理可以使灵敏度突破量子噪声极限。因此本发明提出的突破量子噪声极限的基于量子增强的光纤表面等离子体共振折射率传感器具有极高灵敏度，结构简单，具有很高的实用价值。

技术实现要素：

为了克服普通折射率传感器受量子标准极限影响，不能突破量子噪声极限，不可能提高超出散粒噪声极限以外的灵敏度的问题，本实用新型提出了一种具有极高灵敏度，结构简单，具有很高的实用价值的突破量子噪声极限的基于量子增强的光纤表面等离子体共振折射率传感器。

本实用新型为解决技术问题所采取的技术方案为：

基于量子增强的光纤表面等离子体共振折射率传感器，包括：激光器、2×1耦合器、滤波器、掺铒光纤放大器(edfa)、滤波器、光纤偏振控制器(fpc)、光纤偏振分束器(fpbs)、色散位移光纤(dsf)、粗波分复用器(cwdm)，光纤spr传感器、平衡探测器、频谱分析仪。

2×1耦合器包括第一耦合器和第二耦合器，光纤偏振控制器包括第一、第二和第三偏振控制器，光纤偏振分束器包括第一和第二偏振分束器，滤波器包括第一和第二滤波器。

第一耦合器一端口一端与激光器相连，第一耦合器两端口一侧的高分光比端口与第一滤波器输入端相连，第一滤波器输出端与掺铒光纤放大器输入端相连，掺铒光纤放大器输出端与第一偏振控制器一端相连，第一偏振控制器另一端与第一偏振分束器一端相连，第一偏振分束器另一端与第二耦合器两端口的一端相连，第一耦合器两端口一侧的低分光比端口与第二滤波器输入端相连，第二滤波器输出端与第二偏振控制器一端相连，第二偏振控制器另一端与第二偏振分束器一端相连，第二偏振分束器另一端与第三偏振控制器一端相连，第三偏振控制器另一端与第二耦合器两端口的另一端相连，第二耦合器一端口的一端与色散位移光纤一端相连吗，色散位移光纤另一端与粗波分复用器输入端相连，粗波分复用器输出端一端口与平衡探测器输入端一端口相连，粗波分复用器输出端另一端口与光纤spr传感器一端相连，光纤spr传感器另一端与平衡探测器输入端另一端口相连，平衡探测器输出端与频谱分析仪相连。

所述光纤spr传感器的等离子体结构由等腰三角形亚波长纳米孔阵列(基底为230-250纳米，侧面为320-340纳米，间距为380-420纳米)组成，在纤芯衬底上有一层70-80纳米厚铟锡氧化物涂层，再在其上镀一层90-110纳米厚的银膜，用电子束光刻技术在银膜上形成纳米孔且其排列成正方形网格的样式，最后将一层200-220纳米厚的聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)沉积在等离子体结构的顶部，以保护银免受氧化，这一层聚甲基丙烯酸甲酯不会显著影响传感器的功能性或灵敏度。

外界折射率发生微小变化，spr传感器的共振响应会产生频移并且给定波长下的光传输强度会相应变化，而且透射光强度的变化与折射率变化量呈线性关系，对所得光纤spr传感器透射光强度与参考光比较，通过测量强度变化可以获得折射率变化量。经四波混频后产生的量子纠缠源，它是具有纠缠空间模式的相关双光束，具有高度量子相关性，每个模式都表现出强度差量子噪声降低，探测光与参考光量子相关噪声相减，产生低于散粒噪声极限的噪声基底，使原来被湮没在量子噪声下的强度变化信号可以被探测到，由此实现对折射率的突破量子噪声极限的超高灵敏度测量。

本实用新型的有益效果为：

本发明能使原来被湮没在量子噪声下的信号可以被探测到。量子噪声直接源于海森堡不确定性原理，其包含两个主要噪声源，即反作用噪声和散粒噪声。反作用噪声可以通过别的技术方法来避开。因此相干光场的噪声水平，即光子散粒噪声极限(snl)，成为了主要的噪声源。用传统光学手段无法突破散粒噪声极限，只能采用量子增强才可以突破。

本实用新型为了补偿等离子体结构和其他光学元件引入的损耗，共轭物光电探测器具有可调节的电子增益，使我们在执行差分测量时能够获得尽可能大的噪声降低。对于我们当前的配置，在探测等离子体传感器并优化电子增益后，最初出现在双光束中的9db的压缩水平被降低到4db(比snl低60％)。

本实用新型中的光纤spr传感器的等离子体结构是由光纤表面所镀的一层银薄膜上的亚波长纳米结构孔阵列组成。此传感器基于金属和电介质或表面等离子体之间的界面处的电子振荡的光学激发。这种通过亚波长孔的光子和等离子体之间的相干转换产生的透射，其数量级大于衍射理论所预期的透射率，这种效应称为非常光学透射(eot)。这个过程保持了光的量子特性，并使光的量子态成为增强等spr传感器灵敏度的可行选择。

本实用新型将一层200-220纳米厚的聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)沉积在等离子体结构的顶部，以保护银膜免受氧化。而且这一层聚甲基丙烯酸甲酯不会显著影响传感器的功能性或灵敏度。

附图说明

图1为一种基于量子增强的光纤表面等离子体共振折射率传感器。

图2为光纤spr传感器结构图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步描述。

如图1所示，基于量子增强的光纤表面等离子体共振折射率传感器，包括激光器1、第一耦合器2、第一滤波器3、掺铒光纤放大器4、第一光纤偏振控制器5、第一光纤偏振分束器6、第二滤波器7、第二光纤偏振控制器8、第二光纤偏振分束器9、第二光纤偏振控制器10、第二耦合器11、色散位移光纤12、粗波分复用器13、光纤spr传感器14、平衡探测器15、频谱分析仪16。

第一耦合器2一端口一端201与激光器相连，第一耦合器2两端口一侧的高分光比端口202与第一滤波器3输入端相连，第一滤波器3输出端与掺铒光纤放大器4输入端相连，掺铒光纤放大器4输出端与第一偏振控制器5一端相连，第一偏振控制器5另一端与第一偏振分束器6一端相连，第一偏振分束器6另一端与第二耦合器11两端口的一端1102相连，第一耦合器2两端口一侧的低分光比端口203与第二滤波器7输入端相连，第二滤波器7输出端与第二偏振控制器8一端相连，第二偏振控制器8另一端与第二偏振分束器9一端相连，第二偏振分束器9另一端与第三偏振控制器10一端相连，第三偏振控制器10另一端与第二耦合器11两端口的另一端1103相连，第二耦合器11一端口的一端1101与色散位移光纤12一端相连，色散位移光纤12另一端与粗波分复用器13输入端1301相连，粗波分复用器13输出端一端口1302与平衡探测器15输入端一端口1502相连，粗波分复用器13输出端另一端口1303与光纤spr传感器14一端相连，光纤spr传感器14与平衡探测器15输入端另一端口1503相连，平衡探测器输出端1501与频谱分析仪相连。

本实用新型的工作方式为：

激光器1发出的光经第一耦合器2的两端口一侧的高分光比端口202输出高功率光，经过第一滤波器3滤波得到所需的较长波长光，在通过掺铒光纤放大器4放大得到所需泵浦功率，泵浦光的偏振和功率由第一光纤偏振控制器5和第一光纤偏振分束器6控制，之后泵浦光输入到第二耦合器11两端口的一端1102。第一耦合器2的两端口一侧的低分光比端口203输出低功率光，经过第二滤波器7滤波得到所需的较短波长光，此信号光的强度和偏振由第二光纤偏振控制器8和第三光纤偏振控制器10控制，之后输入到第二耦合器11两端口的另一端1103，耦合光从第二耦合器11的一端口一端1101输入到色散位移光纤12产生四波混频效应获得纠缠双光束，色散位移光纤12另一端连接四通道粗波分复用器13的输入端1301，用来滤去泵浦光。波长较短的闲频光从四通道粗波分复用器13的输出端1302输出到平衡探测器15输入端一端口1502。波长较长的信号光从四通道粗波分复用器13的输出端1303输出到光纤spr传感器14，外界折射率发生微小变化，spr传感器的共振响应会产生频移并且给定波长下的光传输强度会相应变化，产生的透射光输入到平衡探测器1503端口。纠缠双光束经平衡探测器15处理后输入到频谱分析仪16进行分析。

外界折射率发生微小变化，spr传感器的共振响应会产生频移并且给定波长下的光传输强度会相应变化，而且透射光强度的变化与折射率变化量呈线性关系，对所得光纤spr传感器透射光强度与参考光比较，通过测量强度变化可以获得折射率变化量。经四波混频后产生的量子纠缠源，它是具有纠缠空间模式的相关双光束，具有高度量子相关性，每个模式都表现出强度差量子噪声降低，探测光与参考光量子相关噪声相减，产生低于散粒噪声极限的噪声基底，使原来被湮没在量子噪声下的强度变化信号可以被探测到，由此实现对折射率的突破量子噪声极限的超高灵敏度测量。

如图2所示，所述光纤spr传感器的等离子体结构由等腰三角形亚波长纳米孔阵列(基底为230-250纳米，侧面为320-340纳米，间距为380-420纳米)组成，在纤芯衬底上有一层70-80纳米厚铟锡氧化物涂层，再在其上镀一层90-110纳米厚的银膜，用电子束光刻技术在银膜上形成纳米孔且其排列成正方形网格的样式，最后将一层200-220纳米厚的聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)沉积在等离子体结构的顶部。

该装置能够实现基于量子增强的微悬臂梁光纤光栅位移传感器的位移测量的关键技术有：

1、四波混频是当一束或两束强泵浦波进入光纤时，只要满足位相匹配条件，斯托克斯波和反斯托克斯波(又称信号波和闲频波)就能从噪声中形成；如果弱信号也同泵浦波一起进入光纤，那么此信号将被放大，同时产生出闲频波。探测技术依赖于非简并四波混频来产生具有纠缠空间模式的双光束，每个模式都表现出强度差量子噪声降低。当入射到空间分辨检测器上时，量子相关噪声相减，产生低于散粒噪声极限的噪声基底，用于不同的测量。由于差分测量带来的位置噪声消除，在数小时内不需要稳定激光频率或指向稳定性。利用四波混频(4wm)来构建量子相关场，使我们能够通过整形非线性过程中使用的泵浦场来构建不同的空间模式。使用这种技术，当在平衡探测器上进行折射率测量时，我们能够控制几乎所有的初始空间压缩。该技术允许在单个检测器上进行非常简单的直接测量，同时利用差分测量的降噪特性。

2、用作传感器的等离子体结构由等腰三角形亚波长纳米孔阵列((基底为230-250纳米，侧面为320-340纳米，间距为380-420纳米)组成，在纤芯衬底上有一层70-80纳米厚铟锡氧化物涂层，再在其上镀一层90-110纳米厚的银膜，用电子束光刻技术在银膜上形成纳米孔且其排列成正方形网格的样式。

3、将一层200-220纳米厚的聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)沉积在等离子体结构的顶部，以保护银膜免受氧化。

4、平衡探测器采用双光电二极管接收光信号、抑制或消除信号中的共模噪声。探测光束用于探测等离子体传感器，而共轭光束用作强度差测量的参考。探测光束和共轭光束由两个独立的光电探测器探测，产生的信号用混合结减去。

5、光纤spr传感器谐振波长要与信号光波长匹配。

本发明的一个具体案例中，研究了此光纤spr传感器对空气折射率变化的响应，使用超声换能器来引入压力波来调节光纤spr传感器附近空气折射率。当超声换能器以199千赫的谐振频率被驱动时，频谱分析仪设置如下:分辨率带宽：1khz；显示带宽：100hz；中心频率：199khz；扫宽：2khz；50个平均数。激光器功率为2mw，激光器输出光经四波混频后信号光波长为1330nm，闲频光波长为1298nm,剩余的泵浦光波长为1312nm，光纤spr传感器谐振波长为1330nm。光纤spr传感器的等离子体结构由等腰三角形亚波长纳米孔阵列(基底为240纳米，侧面为330纳米，间距为400纳米)组成，在纤芯衬底上的铟锡氧化物涂层厚度为75纳米，再在其上银膜的厚度为100纳米，顶层的聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)厚度为210纳米。用普通折射率探测器探测能得到的最低灵敏度为而用量子增强的光纤表面等离子体共振折射率传感器探测时，该值减小到获得了56％的增强。从而能够测量先前被散粒噪声遮挡的折射率变化。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理和主要特征，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型的范围。