本研究是由来自深圳大学物理与光电工程学院/教育部与广东省光电设备与系统重点实验室的丁欣（第一作者）和林巧、来自广东人工智能与数字经济实验室（深圳）的王一平与张伟冠（通讯作者）、来自上海理工大学光电与计算机工程学院的王梦洁、深圳大学广东与香港光纤传感器联合研究中心的刘深，以及南通大学电气工程与自动化学院的陈楠共同完成。研究成果以题为“Design and Simulation of High-Performance D-Type Dual-Mode PCF-SPR Refractive Index Sensor Coated with Au-TiO2 Layer”的学术论文，于2024年9月22日在国际期刊Sensors（第24卷，第6118页）上正式发表。

这项研究属于光纤传感与光子器件交叉领域的理论模拟工作，具体聚焦于表面等离子体共振（Surface Plasmon Resonance, SPR）折射率传感器。研究背景基于SPR技术在环境监测、化学检测、生物医学诊断等领域的广泛应用需求。传统基于D型光纤的SPR传感器多采用单模或多模光纤结构，前者因仅支持单一模式，与表面等离子体激元模式的耦合条件苛刻，难以稳定激发SPR效应；后者则会激发众多模式，导致SPR共振谱线展宽，影响传感性能。同时，现有研究大多关注光纤基模的传感特性，忽略了高阶模式对外部折射率变化可能具有的特殊敏感性。相比之下，少模光纤中的二阶或更高阶模式，其模场分布更靠近包层，拥有比基模更强的倏逝场和穿透深度，更易与环境介质发生强相互作用。随着模分复用、模式选择器等新型光纤器件的出现，选择性激发和控制少模光纤中的特定高阶模式已成为可能。基于此，本研究旨在提出并仿真一种新型的D型双模光子晶体光纤SPR折射率传感器，旨在通过同时利用基模和二阶模，在近红外波段实现高灵敏度、宽折射率检测范围的双模传感，为化学和生物医学检测领域提供一种高性能的传感解决方案。

研究工作的核心是设计并利用有限元法（Finite Element Method）对提出的传感器模型进行系统性的仿真分析与优化。整个工作流程主要包括理论建模、模型与结构参数分析、折射率传感特性分析三个主要部分。

首先，在理论建模阶段， 研究团队设计了一种基于D型少模光子晶体光纤（Photonic Crystal Fiber, PCF）的新型传感器结构。该结构对一种现有的双模PCF进行了侧边抛光，并在纤芯正上方集成了一个矩形微流体通道。这种设计旨在缩短被测分析物与纤芯的距离，最大化光场与分析物的相互作用，从而增强SPR效应和共振损耗。传感器表面采用Au-TiO2双层材料涂层，其中TiO2层用于将共振波长调谐至近红外波段，并增强纤芯倏逝场的穿透深度，以满足生化检测的特殊需求。研究使用COMSOL Multiphysics软件（5.6版本）进行有限元分析。模型中，光纤基底材料为熔融石英，其材料色散由Sellmeier方程描述；金的介电常数由Drude-Lorentz模型描述；TiO2的折射率由给定的数值模型描述。为了评估性能，计算了各个传输模式的限制损耗，其公式为 α_loss = 8.686 × (2π/λ) × Im(n_eff) × 10^4 (dB/cm)，其中Im(n_eff)是模式有效折射率的虚部，λ是入射光波长。

其次，在模型与结构参数分析阶段， 研究团队首先进行了模式分析。仿真结果表明，所设计的D型双模PCF仅支持LP01和LP11模式。其中，沿y方向极化的基模（HE11_y）和两个二阶模（LP11a_y和LP11b_y）能够与SPP模式发生强耦合，产生显著的SPR效应；而x方向极化的模式则难以激发SPR。因此，后续分析聚焦于HE11_y、LP11a_y和LP11b_y这三个模式。通过绘制核心模式与SPP模式的色散关系曲线，研究确定了它们的相位匹配点（即共振波长）。分析发现，LP11b_y模式产生的SPR效应强于LP11a_y模式，因此后续主要分析HE11_y和LP11b_y模式的传感特性。随后，研究系统分析了四个关键结构参数对传感器损耗谱的影响：纤芯正下方大空气孔直径d3、金膜厚度t1、TiO2厚度t2以及微流槽深度dp。分析发现：1）d3的变化对HE11_y模式影响甚微，对LP11b_y模式的限制损耗有增强作用，但对共振峰位置影响不大，为简化制备，最终选择d3 = d2 = 5.5 µm。2）金膜厚度t1显著影响耦合效率，当t1=50 nm时，HE11_y和LP11b_y模式均能实现较强的共振且共振峰展宽较小，因此t1优化为50 nm。3）TiO2厚度t2对共振波长有显著的调谐作用，厚度增加会导致共振峰红移。当t2=50 nm时，LP11b_y模式具有优异的共振峰强度和展宽，且与HE11_y模式的损耗谱分离清晰，有利于双模传感，因此t2优化为50 nm。4）微流槽深度dp增加会增强各模式的共振损耗并引起红移，但过深会影响光纤机械强度，因此折衷选择dp = 3.5 µm。研究确定了传感器的最佳结构参数为：d3 = 5.5 µm, t1 = 50 nm, t2 = 50 nm, dp = 3.5 µm。

最后，在折射率传感特性分析阶段， 研究团队在优化参数下，仿真了传感器对不同折射率分析物的响应。通过绘制HE11_y和LP11b_y模式在不同折射率下的损耗谱曲线，观察共振峰的移动。利用波长灵敏度公式 S_λ = Δλ_res / Δn_a 计算灵敏度，其中Δλ_res是共振波长偏移量，Δn_a是分析物折射率变化量。同时，还计算了传感器分辨率 R = Δn_a × (Δλ_min / Δλ_peak) 和品质因子（Figure of Merit, FOM）。主要结果如下：对于基模HE11_y，其折射率检测范围为1.25至1.37，共振峰波长从1.12 µm红移至1.84 µm。当折射率从1.36变化至1.37时，获得最大波长偏移160 nm，对应最大灵敏度为16,000 nm/RIU，平均灵敏度为5,666.7 nm/RIU，最小分辨率可达6.25 × 10^-6 RIU。对于二阶模LP11b_y，其折射率检测范围为1.25至1.36，共振峰波长从1.15 µm红移至2.05 µm。当折射率从1.35变化至1.36时，获得最大波长偏移330 nm，对应最大灵敏度高达33,000 nm/RIU，平均灵敏度为8,272.7 nm/RIU，最小分辨率可达3.03 × 10^-6 RIU，优于基模。此外，在折射率1.25至1.33范围内，两种模式的共振峰半高全宽均小于50 nm，且LP11b_y模式的FOM普遍高于HE11_y模式，均达到100 RIU^-1以上的高水平，信噪比优良。当折射率超过1.34后，LP11b_y模式的共振峰展宽显著增加，传感性能下降，而基模在此范围的展宽仍相对较小，FOM较高。研究还将所提出传感器的性能与文献中已有的多种D型PCF-SPR传感器进行了对比。数据显示，本传感器在折射率检测范围（尤其是低折射率区）、工作波长覆盖（近红外1100-2000 nm）、最大灵敏度（二阶模超过30,000 nm/RIU）、分辨率及FOM等方面均表现出显著优势或竞争力。

基于上述仿真结果，本研究得出结论：成功提出并仿真了一种基于D型双模光子晶体光纤的高性能SPR折射率传感器。该传感器采用侧抛光和集成微流槽设计，结合Au-TiO2双层涂层，有效增强了SPR效应并将工作波段调至近红外。研究发现，y偏振的基模和二阶模均能有效激发SPR，且二者的共振波长不同，可在损耗谱中呈现双共振峰，这为实现双模/多通道传感提供了物理基础。在优化的结构参数下，二阶模LP11b_y展现出比基模HE11_y更高的波长灵敏度（最高33,000 nm/RIU）和更优的分辨率，同时两种模式在较宽折射率范围内均具有高FOM。这一特性，结合模分复用或模式选择技术，有望在近红外波段实现高灵敏度、宽范围的多通道折射率传感。

本研究的价值主要体现在以下几个方面：科学价值在于，首次在D型PCF-SPR传感器中系统地研究并对比了基模与二阶模式的传感特性，证实了利用少模光纤高阶模式进行SPR传感以获得更高性能的可行性，为光纤SPR传感研究开辟了新的思路，即从单纯优化结构转向同时利用和调控光纤内的多个模式。技术应用价值在于，所设计的传感器在仿真中表现出极高的灵敏度、宽泛的检测范围以及良好的分辨率，特别适用于对灵敏度要求极高的化学和生物医学检测领域，例如痕量生物分子检测、体液成分分析等。其近红外工作波段也更适合生物组织窗口，在活体或深层组织检测中具有潜在优势。方法学亮点在于，研究采用了系统的参数化仿真与优化流程，详细揭示了各结构参数对基模和高阶模传感性能的不同影响规律，为同类传感器的设计提供了重要的参考依据。

本研究的核心亮点包括：1. 研究对象的创新性：摒弃了传统单模或单纯多模的思路，创新性地提出并深入研究了基于少模D型PCF的双模SPR传感器，充分利用了高阶模式在倏逝场强度上的优势。2. 性能指标的突破性：通过仿真优化，使二阶模LP11b_y获得了高达33,000 nm/RIU的最大灵敏度，这一数值在同类D型PCF-SPR传感器的理论研究中处于领先水平。3. 双模传感的可行性：明确展示了基模与二阶模共振峰分离的特性，为实现基于模式区分的多参数或自参考传感提供了可能，增加了传感器的功能性和可靠性。4. 设计优化的系统性：完整呈现了从模式分析、参数影响研究到最终性能评估的完整仿真设计链条，对关键参数（如TiO2厚度对波长的调谐作用、高阶模对结构参数的不同响应等）的分析尤为细致。

此外，论文在引言部分对SPR传感技术及D型PCF-SPR传感器的发展历程进行了详尽的综述，为读者提供了清晰的领域背景和技术演进脉络。在结果讨论部分，通过表格形式与近期重要文献进行了直观的性能对比，增强了研究成果的说服力。这些内容共同构成了一篇严谨、深入且具有启发性的理论模拟研究论文。