石墨烯涂覆光子晶體光纖探討論文
摘要：碳基材料聚合物擁有增強(qiáng)光纖傳感器傳感特性的潛力。將碳基材料與光子晶體光纖(PCF)相結(jié)合，先將剝除涂覆層的PCF兩端與同樣剝?nèi)ネ扛矊拥膯文９饫w（SMF）熔接在一起，然后在結(jié)構(gòu)表面涂覆石墨烯層，形成一個(gè)基于PCF的馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x（MZI）。實(shí)驗(yàn)證明，在基于PCF的干涉儀傳感器表面涂覆石墨烯材料能夠提升傳感器的折射率靈敏度。
關(guān)鍵詞：光子晶體光纖；石墨烯；等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積；折射率
光纖馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x（MZI）由于高分辨率、高測(cè)量精度及制作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)在電流[7]、應(yīng)力[8]和溫度[9]傳感等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。目前，基于PCF的光纖MZI結(jié)構(gòu)主要有：基于PCF與單模光纖（SMF）纖芯錯(cuò)位熔接，或PCF空氣孔塌陷熔接構(gòu)成的MZI；對(duì)PCF進(jìn)行腐蝕成錐構(gòu)成MZI；在PCF上寫入長(zhǎng)周期光柵構(gòu)成MZI；利用雙芯PCF制作MZI；將PCF熔融拉錐構(gòu)成MZI。這些基于PCF的MZI傳感器具有靈敏度高和制備簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)折射率、溫度和應(yīng)力等參量的測(cè)量。本文提出一種在SMF與PCF熔接形成MZI結(jié)構(gòu)的表面涂覆石墨烯材料的PCF折射率傳感器。
1基于PCF的MZI基本原理
基于PCF的MZI（PCF-MZI）是先將PCF的兩端分別與SMF熔接在一起[10]，熔接過(guò)程中通過(guò)控制放電量使PCF空氣孔保持一定程度的塌陷。當(dāng)光從SMF端進(jìn)入第一段塌陷區(qū)時(shí)，入射光發(fā)生衍射并且激發(fā)出包層高階模在包層中進(jìn)行傳輸，另一部分光繼續(xù)在纖芯中傳輸。當(dāng)光經(jīng)過(guò)第二個(gè)塌陷區(qū)時(shí)，在包層中傳輸?shù)囊徊糠止庠俅务詈线M(jìn)纖芯中傳輸并發(fā)生干涉沉積在裸露的PCF結(jié)構(gòu)表面的石墨烯材料會(huì)導(dǎo)致傳感元件的傳感機(jī)制發(fā)生變化。石墨烯與其它的碳納米材料一樣具有高折射率和獨(dú)特的光學(xué)特性[7]。石墨烯的高折射率會(huì)提高光纖包層的有效折射率，由于包層有效折射率的提升，即使輸出光譜的干涉峰或干涉谷波長(zhǎng)變化很小，也容易被觀測(cè)到。
2PCF-MZI傳感器的制作
本文提出的PCF-MZI的制作是通過(guò)商用熔接機(jī)完成的，具體方法如下：分別選用一段SMF和PCF(約5mm)，剝除涂覆層，用酒精擦拭干凈后，使用光纖切割刀將光纖的端面切平整后放置在光纖熔接機(jī)上，使用馬達(dá)控制功能將SMF和PCF對(duì)準(zhǔn)后進(jìn)行放電，放電量約13.5mA，放電時(shí)間為1000ms。我們?cè)趯?shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，通過(guò)控制放電量、放電時(shí)間及電極位置可以控制塌陷長(zhǎng)度，從而獲得更好的光譜樣本。完成上述操作后，通過(guò)等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)將石墨烯沉積在裸露的PCF表面。PECVD法源于化學(xué)氣相沉積技術(shù)，屬于利用氣相態(tài)物質(zhì)在固體表面進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)、生成固態(tài)沉積物的過(guò)程，其過(guò)程如下：①打開(kāi)真空泵將管式爐抽真空（真空度約30mTorr），同時(shí)打開(kāi)管式爐的加熱源對(duì)基片區(qū)域加熱。②管式爐溫度達(dá)到700℃時(shí)，先通入10sccm的氫氣并打開(kāi)等離子體（200W），對(duì)樣品表面進(jìn)行清潔10分鐘。清潔結(jié)束后，向管式爐內(nèi)通入生長(zhǎng)氣體（甲烷:氫氣=1∶9sccm），此時(shí)仍然保持加熱和抽真空，真空度約300mTorr；待爐內(nèi)壓強(qiáng)穩(wěn)定后打開(kāi)等離子體（甲烷與氫氣的比例、溫度及等離子體功率控制薄膜生長(zhǎng)速率），薄膜開(kāi)始生長(zhǎng)并計(jì)時(shí)（不同厚度石墨烯可通過(guò)時(shí)間進(jìn)行控制）。③薄膜生長(zhǎng)結(jié)束后，將等離子體源調(diào)低至60W并關(guān)閉，停止通入生長(zhǎng)氣體，關(guān)閉加熱源，此時(shí)仍然保持抽真空。④在抽真空的同時(shí)，管式爐中通入氬氣（10scmm）直至其冷卻，通氬氣主要是對(duì)已制備樣品的保護(hù)及加速爐內(nèi)溫度降低。⑤樣品冷卻好后，從管式爐中取出，保存至密封的膠盒中。⑥關(guān)閉機(jī)器電源和氣瓶各處閥門。PECVD法生長(zhǎng)石墨烯有獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)：可在任意襯底上生長(zhǎng)石墨烯，無(wú)需催化劑；低溫生長(zhǎng)；成膜質(zhì)量好；薄膜厚度易于控制；均勻性和重復(fù)性好；高效率，低成本。但也存在缺點(diǎn)：要求較高的真空環(huán)境；生長(zhǎng)所需氣體具有可燃性、爆炸性和易燃性，需采取必要的保護(hù)措施。本文的實(shí)驗(yàn)中，樣本石墨烯沉積層數(shù)約為8層，厚度約為2.672nm[11]。上述MZI結(jié)構(gòu)一端的SMF與一個(gè)寬帶光源連接在一起，另一端與光譜儀連接在一起，直接在光譜儀上觀測(cè)傳輸譜。將PCF部分放置在載玻片上，保證結(jié)構(gòu)的.穩(wěn)定性。石墨烯沉積前后傳感器傳輸光譜如圖1所示，可以看到石墨烯沉積前干涉谷的位置約在1534nm處，石墨烯沉積后干涉谷的位置發(fā)生了少量紅移，移動(dòng)到約1535nm處，并且石墨烯涂覆之后峰值降低約1.5dB。使用PECVD法的石墨烯沉積溫度低，對(duì)基體的結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)影響��；膜的厚度及成分均勻性好；膜組織致密、針孔少；膜層的附著力強(qiáng)。
3實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論
實(shí)驗(yàn)將傳感結(jié)構(gòu)繃直后固定在載玻臺(tái)上，并記錄此時(shí)的透射譜[9]，如圖2所示。在折射率傳感實(shí)驗(yàn)中，使用不同參數(shù)的折射率匹配液作為折射率測(cè)量樣本，將折射率匹配液用滴管滴在PCF結(jié)構(gòu)上，記錄傳感器在不同外部環(huán)境下的透射譜。每組實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，使用酒精反復(fù)清洗傳感結(jié)構(gòu)，將清洗后的透射譜和未浸泡在折射率匹配液中的透射譜進(jìn)行對(duì)比，保證還原光譜后進(jìn)行下一步測(cè)量。實(shí)驗(yàn)室的溫度設(shè)為28℃，以確保溫度不影響實(shí)驗(yàn)。圖3是未涂覆石墨烯的傳感器在不同環(huán)境折射率下的透射譜，從圖中可以看到，隨著環(huán)境折射率的增加，傳感器的透射譜發(fā)生漂移，并且峰值隨著環(huán)境折射率的增加逐漸減小。傳感器未涂覆石墨烯前，當(dāng)環(huán)境折射率從1.30RIU增加至1.44RIU時(shí)，透射譜中的干涉谷從1554.6nm處漂移到1539.1nm處，漂移了15.5nm，強(qiáng)度從-18.6dB降低到-15.4dB，降低了3.2dB。圖4為傳感器結(jié)構(gòu)表面涂覆石墨烯后在環(huán)境折射率變化下的透射譜，橫軸為外界環(huán)境折射率系數(shù)，縱軸為在折射率系數(shù)變化下透射譜中的光譜強(qiáng)度功率。從圖3、圖4中可以看出，在1.30~1.44RIU范圍內(nèi)折射率靈敏度為21.02dB/RIU。圖5為不同外部環(huán)境折射率下石墨烯沉積傳感器的透射譜，可以看出傳感器表面涂覆石墨烯后，當(dāng)環(huán)境折射率從1.30RIU增加至1.44RIU時(shí)，透射譜中的干涉谷透射譜中的干涉谷從1541.9nm處漂移到1539.2nm處，漂移了2.7nm，強(qiáng)度從-18.7dB變化到-14.7dB，降低了4dB。圖6為不同外部環(huán)境折射率下石墨烯涂覆傳感器樣本干涉谷強(qiáng)度折射率響應(yīng)曲線，由此可以看出，一部分倏逝波的能量將會(huì)和靠近光纖包層的表層模式耦合，導(dǎo)致輸出光譜上可觀察到的強(qiáng)度減小。表層石墨烯的高折射率會(huì)提高光纖包層的有效折射率，從而使光譜變化更容易被觀察到。以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：在1.30~1.44RIU范圍內(nèi)有23.41dB/RIU的折射率靈敏度，這是由于石墨烯薄膜自身復(fù)雜的有效折射率改變了光纖的邊界條件,光在傳播過(guò)程中從光纖的包層泄漏到石墨烯涂層，耦合空間也由原先的包層擴(kuò)大至石墨烯涂層；同時(shí)，石墨烯薄膜自身固有的光學(xué)吸收功能也增加了傳播過(guò)程中的光損耗，降低了耦合強(qiáng)度。由于涂覆石墨烯的總反射比基本依賴于外部環(huán)境的折射率，與拉力和溫度關(guān)系不大，因此其對(duì)外部環(huán)境的變化有很強(qiáng)的抗干擾性，也使得這種傳感器有完成雙參量傳感的潛力[12~14]，即當(dāng)另一種因素導(dǎo)致輸出光譜的波長(zhǎng)發(fā)生明顯變化時(shí)，就有可能完成雙參數(shù)傳感。
4結(jié)束語(yǔ)
本文提出并實(shí)現(xiàn)了一種將石墨烯涂覆在MZI中PCF表層的折射率傳感器。這種傳感器通過(guò)將PCF兩端和SMF熔接出塌陷后，采用PECVD技術(shù)將石墨烯沉積在PCF表面上，利用石墨烯的高折射率改變干涉儀的傳感機(jī)制，使得其可以連續(xù)進(jìn)行折射率測(cè)量，并且有雙參量傳感的潛力，即第二個(gè)參數(shù)通過(guò)改變輸出光譜的波長(zhǎng)完成傳感。本文提出的傳感器輸出光譜的強(qiáng)度隨著外部環(huán)境折射率的增大使得非線性減小，在1.30~1.44RIU范圍內(nèi)取得23.41dB/RIU的折射率靈敏度，對(duì)比表層沒(méi)有石墨涂覆的傳感器樣本，折射率敏感度有所提升。
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