Модель чувствительного элемента рефрактивного волоконно-оптического сенсора на основе MMF-SMF-MMF структуры с использованием поверхностного плазмонного резонанса

Ивойлов К.А., Гагаринова Д.О., Зыкина А.А., Мешковский И.К., Плясцов С.А. Модель чувствительного элемента рефрактивного волоконно-оптического сенсора на основе MMF-SMF-MMF структуры с использованием поверхностного плазмонного резонанса // Научно- технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2023. Т. 23, № 3. С. 448–454. doi: 10.17586/2226-1494-2023-23-3-448-454
 

Введение. Представлена математическая модель чувствительного элемента рефрактометрического волоконно- оптического датчика, принцип действия которого основан на явлении поверхностного плазмонного резонанса. Конструкция чувствительного элемента представляет собой последовательное соединение многомодового (MMF), одномодового (SMF) и многомодового волокон, образующих MMF-SMF-MMF структуру. SMF-участок покрыт тонкой пленкой золота. Метод. Для моделирования элемента применен подход, используемый при расчете классической конфигурации Кречмана для объемных оптических структур. Показатель преломления волокна рассчитан на основе уравнения Селлмейера, а показатель преломления золота определен с использованием модели Друдэ. Результаты моделирования сопоставлены с экспериментально полученными спектрами пропускания изготовленных образцов чувствительных элементов. Основные результаты. Для апробации модели изготовлены чувствительные элементы волоконно-оптических датчиков со следующими параметрами: диаметры сердцевин многомодового волокна 62,5 мкм, одномодового волокна — 9 мкм, покрытие SMF-участка пленкой из золота толщиной 50 нм. Получены спектры пропускания чувствительных элементов волоконно-оптических датчиков в водных растворах глюкозы различной концентрации. Продемонстрировано, что предложенная модель хорошо описывает полученные в результате экспериментов спектры пропускания чувствительных элементов на основе MMF-SMF-MMF структур в области поверхностного плазмонного резонанса. Обсуждение. Разработанная модель может найти применение при оптимизации конструкции чувствительного элемента рефрактометрических волоконно-оптических датчиков с целью повышения чувствительности. Модель может быть использована при разработке алгоритма опроса чувствительных элементов на основе волоконных MMF-SMF-MMF структур.

1. Homola J. Surface plasmon resonance sensors for detection of chemical and biological species // Chemical Reviews. 2008. V. 108. N 2. P. 462–493. https://doi.org/10.1021/cr068107d
2. Miyazaki C.M., Shimizu F.M., Ferreira M. Surface plasmon resonance (SPR) for sensors and biosensors // Nanocharacterization Techniques. 2017. P. 183–200. https://doi.org/10.1016/B978-0-323-49778-7.00006-0
3. Wang X., Ma M., Wang X., Wang S. Surface plasmon resonance sensors for concentration and reaction kinetic detections // Analytical Chemistry - Advancement, Perspectives and Applications, 2021. https://doi.org/10.5772/intechopen.92549
4. Mrksich M., Sigal G.B., Whitesides G.M. Surface plasmon resonance permits in situ measurement of protein adsorption on self-assembled monolayers of alkanethiolates on gold // Langmuir. 1995. V. 11. N 11. P. 4383–4385. https://doi.org/10.1021/la00011a034
5. Nguyen L.V., Hwang D., Moon S., Moon D.S., Chung Y. High temperature fiber sensor with high sensitivity based on core diameter mismatch // Optics Express. 2008. V. 16. N 15. P. 11369–11375. https://doi.org/10.1364/OE.16.011369
6. Xu F., Chen D., Peng B., Xu J.,Wu G. All-fiber refractometer based on core mismatch structure // Laser Physics. 2012. V. 22. N 10. P. 1577–1580. https://doi.org/10.1134/S1054660X12100271
7. Zhang Y., Zhou A., Qin B., Deng H., Liu Z., Yang J., Yuan L. Refractive index sensing characteristics of single-mode fiber-based modal interferometers // Journal of Lightwave Technology. 2014. V. 32. N 9. P. 1734–1740. https://doi.org/10.1109/JLT.2014.2311579
8. Marfu'ah, Amalia N.R., Hatta A.M., Pratama D.Y. Multimode-singlemode-multimode optical fiber sensor coated with novolac resin for detecting liquid phase alcohol // AIP Conference Proceedings. 2018. V. 1945. P. 020031. https://doi.org/10.1063/1.5030253
9. Yin B., Li Y., Liu Z., Feng S., Bai Y., Xu Y., Jian S. Investigation on a compact in-line multimode-single-mode-multimode fiber structure // Optics & Laser Technology. 2016. V. 80. P. 16–21. https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2015.12.018
10. Sun A., Wu Z., Wan C., Yang C. All-fiber optic acoustic sensor based on multimode-single mode-multimode structure // Optik. 2012. V. 123. N 13. P. 1138–1139. https://doi.org/10.1016/j.ijleo.2011.07.040
11. Sun T., Liu Z., Liu Y., Zhang Y., Jing Z., Peng W. All-fiber liquid-level sensor based on in-line MSM fiber structure // Photonic Sensors. 2021. V. 11. N 3. P. 291–297. https://doi.org/10.1007/s13320-020-0586-1
12. Roy P., Chaudhuri P.R. Characteristics of cladding mode-based refractive index sensor using MMF-SMF-MMF configuration // Journal of Optics. 2023. V. 52. N 1. P. 296–306. https://doi.org/10.1007/s12596-022-00885-1
13. Yamamoto M. Surface plasmon resonance (SPR) theory: Tutorial // Review of Polarography. 2002. V. 48. N 3. P. 209–237. https://doi.org/10.5189/revpolarography.48.209
14. Johnson P.B., Christy R.W. Optical constants of the noble metals // Physical Review B. 1972. V. 6. N 12. P. 4370–4379. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.6.4370
15. Tan C.Z. Determination of refractive index of silica glass for infrared wavelengths by IR spectroscopy // Journal of Non-Crystalline Solids. 1998. V. 223. N 1-2. P. 158–163. https://doi.org/10.1016/S0022-3093(97)00438-9
16. Rakić A.D., Djurišić A.B., Elazar J.M., Majewski M.L. Optical properties of metallic films for vertical-cavity optoelectronic devices // Applied Optics. 1998. V. 37. N 22. P. 5271–5283. https://doi.org/10.1364/AO.37.005271
17. Hashemi M., Xiao S., Farzad M.H. Phase study of the generated surface plasmon waves in light transmission through a subwavelength aperture // Journal of Nanophotonics. 2014. V. 8. N 1. P. 083094. https://doi.org/10.1117/1.JNP.8.083094
18. Poljak D., Cvetković M. Theoretical background: an outline of Computational Electromagnetics (CEM) // Human Interaction with Electromagnetic Fields. 2019. P. 21–52. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-816443-3.00010-8
 

This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License