光纖纖芯與包層交界面的Bragg光柵生化傳感器及方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及光纖傳感器，具體涉及光纖纖芯與包層交界面的Bragg光柵生化傳感 器及其制作方法。
【背景技術】
[0002] 光纖光柵生化信息傳感器的基本原理都是通過測量外部介質折射率的微小變化 量，間接的估算被測參量的值或評估生化過程參量的狀態信息。
[0003] 光纖光柵包括光纖Bragg光柵和長周期光纖光柵兩種基本類型。其中，長周期光 纖光柵是將纖芯模到同向包層模，包層模的倏逝場能夠受到外部待測介質的影響導致其諧 振波長或強度的變化進行測量。但是，長周期光纖光柵不僅對折射率十分的敏感，而且對溫 度、應變等物理參數也十分的敏感，因此當將其應用于生化方面的傳感時，會存在嚴重的交 叉敏感問題；此外，長周期光纖光柵的3dB諧振帶寬一般>20nm，因此理論上其對外部參量 的檢測精度較低。
[0004] 而光纖Bragg光柵是同向纖芯基模到反向纖芯基模的親合，其倏逝場的能量僅僅 局限于纖芯的內部，因此它本質上對折射率不敏感，僅對溫度、應變或壓力敏感，但是光纖 Bragg光柵的3dB諧振帶寬很窄（0.lnm~0. 5nm)，因此，理論上其對外部參量的檢測精度 很高；此外，光纖Bragg光柵的溫度/應變靈敏度較長周期的溫度/應變靈敏度低得多，因 此其交叉敏感效應很小。過去十多年，為了使得傳統光纖Bragg光柵對外部介質折射率敏 感，許多人采用化學溶液腐蝕或側面研磨的方法去除光纖Bragg光柵的全部包層或大部分 包層，形成微米直徑量級的Bragg光柵（直徑3μπι~15μπκ長度1mm~20mm)，于是可使其 纖芯模的倏逝場透射到外部待測介質中，則光纖Bragg光柵將對外部介質折射率的變化將 十分敏感，從而可將其應用于生物化學、醫學、生命科學等相關領域的各種參量和檢測。但 化學腐蝕或側面研磨光纖Bragg光柵包層的方法存在許多的缺點。
[0005] 2007年，英國Aston大學的I.Bennion等使用800nm的飛秒激光器在單模光纖的 纖芯內成功的寫入了一階、二階和四階的Bragg光柵，該方法能夠直接造成光纖纖芯內部 或表面的周期性結構性損壞點，所構成的纖芯Bragg光柵具有許多特點，比如：1)對光纖材 料沒有特殊的要求，不要求光纖具有光敏性，也不需要載氫處理等復雜耗時的處理過程；2) 可以方便快捷的寫入所需的任何周期的Bragg光柵；3)由于是屬于結構性的損壞且寫入的 周期性結構不處于光纖的圓對稱中心軸位置，因此寫入的Bragg光柵具有很高的纖芯雙折 射效應；4)由于光柵是纖芯內部的結構性損壞形式，因此引入的平均折射率變化幅度較傳 統的紫外曝光法寫入的光柵大得多，所以僅制作很少的光柵周期即可獲得很高的光譜反射 率。飛秒激光器刻寫的這類光纖Bragg光柵具有一些特殊的傳感特性，比如：可在極高的溫 度（800°C)以上保持良好的溫度線性特性。但是，由于光纖中的光大部分是局限在纖芯內 傳播，無法到達包層表面，因此，飛秒激光刻寫在纖芯的內部的Bragg光柵，仍然與傳統的 紫外曝光的相位掩膜板法寫入纖芯的光纖Bragg光柵一樣，本質上對外部介質折射率不敏 感。
[0006] 為綜合解決長周期光纖光柵或腐蝕/研磨型光纖Bragg光柵存在的問題，2010年M. Han等提出基于"長周期光纖光柵-光纖Bragg光柵"組合式的折射率-溫度傳感器，利 用其中的光纖Bragg光柵的包層模實現折射率的傳感，它的原理是：帶寬光源發出的寬帶 光先經過長周期光纖光柵，然后再傳輸到光纖Bragg光柵；當光傳輸到長周期光纖光柵處， 部分纖芯模的能量將耦合到包層模中傳播，當這部分以包層模形式傳輸的光能量與余下纖 芯模的能量傳播到光纖Bragg光柵處時，分別滿足光纖Bragg光柵的包層模和纖芯模諧振 條件的波長的光能量將被反射回來；同樣的，反射回來的包層模傳輸到長周期光纖光柵時， 將部分耦合至纖芯中，反射回來的纖芯模傳輸到長周期光纖光柵時將部分能量耦合到包層 中傳輸，剩余的纖芯模能量穿過長周期光纖光柵繼續傳輸，于是在反射端可以檢測到兩個 諧振峰，前者對溫度與折射率均敏感，而后者僅對溫度敏感，且有幾乎相同的溫度靈敏度。 基于"長周期光纖光柵-光纖Bragg光柵"組合式的折射率-溫度傳感器的優點在于能夠 對折射率和溫度同時傳感，并且保持了光纖Bragg光柵的窄帶諧振峰的特點，提高了對折 射率的傳感精度，此外，不需要對光纖做任何處理，保持傳感器的完整性和魯棒性。但其缺 點是：其中的光纖Bragg光柵采用的是傳統的紫外曝光相位掩膜法制作，且需要使用具有 對光子敏感的包層的特種光纖材料來制作光纖Bragg光柵，以保證在寫入纖芯Bragg光柵 的同時，在包層和纖芯的交界面附近形成包層內部的Bragg光柵，但該方法形成的包層內 部的Bragg光柵的強度很小，因此包層模諧振的反射強度十分低，而且包層模和纖芯模的 Bragg波長經過長周期光纖光柵的兩次能量耦合，因此在反射端檢測到的反射包層模和纖 芯模的諧振強度也十分微弱。
【發明內容】
[0007] 針對上述已有技術存在的缺陷，本發明所要解決的技術問題在于提供光纖纖芯和 包層交界面的Bragg光柵生化傳感器及其制作方法。
[0008] 為了解決上述技術問題，根據本發明的第一個技術方案，光纖纖芯與包層交界面 的Bragg光柵生化傳感器，包括光纖纖芯和包裹光纖纖芯的光纖包層，其特征在于：所述光 纖纖芯的前段設置長周期光纖光柵，該長周期光纖光柵作為光纖纖芯和光纖包層的光共振 耦合器，用于將纖芯模耦合到同向包層模或將包層模耦合到纖芯模；在光纖的中段位于光 纖纖芯和光纖包層的交界面設置光纖纖芯與包層交界面的Bragg光柵；該光纖纖芯與包層 交界面的Bragg光柵由若干條線狀溝槽構成或者由若干個點狀凹槽構成；所述線狀溝槽或 點狀凹槽沿光纖的軸向呈現周期性的分布，并對光纖纖芯外表面和包層內表面均進行結構 性損壞；所述線狀溝槽的槽道沿光纖纖芯的圓周方向延伸，所有線狀溝槽的軸對稱線在一 條直線上，且該直線與光纖中心軸平行；所有點狀凹槽的中心點位于一條直線上，且該直線 與光纖中心軸平行；該光纖纖芯與包層交界面的Bragg光柵同時作為光纖低階包層模諧振 與纖芯模諧振的反射器件；該光纖纖芯與包層交界面的Bragg光柵對應的光纖包層的外表 面吸附有硅烷層，其余光纖包層的外表面涂覆有光纖保護涂覆層；所述硅烷層的表面固定 有適體層，該適體層對目標生物分子或待測化學成分具有選擇性吸收或敏感的特性。
[0009] 本傳感器結構獨特之處在于采用在光纖纖芯與包層交界面設置光纖纖芯與包層 交界面的Bragg光柵，作為外部介質折射率和溫度同時測量的傳感單元，該光纖纖芯與包 層交界面的Bragg光柵的低階包層模的反射諧振對折射率和溫度都敏感，特別對折射率很 敏感，同時保持了Bragg光柵結構的窄諧振帶寬特性，因此具有很高的Q值因子，對折射率 的測量精度遠高于長周期光纖光柵，而其纖芯基模的諧振僅對溫度敏感；其次，在光纖纖芯 和包層交界面設置的光纖纖芯與包層交界面的Bragg光柵還保留了傳統光纖Bragg光柵相 對于長周期光纖光柵低得多的溫度、應變靈敏系數，因此，光纖纖芯與包層交界面的Bragg 光柵較長周期光纖光柵具有低得多的溫度/應變交叉敏感效應。由于傳感單元是由飛秒 激光器在其纖芯和包層的交界面寫入的點狀凹槽或線狀溝槽，點狀凹槽或線狀溝槽對纖芯 外表面和包層內表面均進行結構性損壞，能夠在纖芯和包層的內部造成很強的折射率條紋 調制。因此，相比于M. Han等提出基于"長周期光纖光柵-光纖B