ntvНаучно-технический вестник информационных технологий, механики и оптикиScientific and Technical Journal of Information Technologies, Mechanics and Optics2226-14942500-0373Университет ИТМО10.17586/2226-1494-2023-23-3-448-454ntv-4Research ArticleОПТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ И ТЕХНОЛОГИИOPTICAL ENGINEERINGМодель чувствительного элемента рефрактивного волоконно-оптического сенсора на основе MMF-SMF-MMF структуры с использованием поверхностного плазмонного резонансаA model of a refractive fiber optic sensor sensing element based on MMF-SMF-MMF structure using surface plasmon resonancehttps://orcid.org/0000-0001-8251-7625ИвойловК. А.IvoilovK. A.

Ивойлов Кирилл Антонович — инженер 

Санкт-Петербург, 197101 

Kirill A. Ivoilov — Engineer 

Saint Petersburg, 197101 

kirivoilov@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0003-1320-6553ГагариноваД. О.GagarinovaD. O.

Гагаринова Диана Олеговна — инженер 

Санкт-Петербург, 197101 

Diana O. Gagarinova — Engineer 

Saint Petersburg, 197101 

dogagarinova@itmo.ruhttps://orcid.org/0000-0002-8021-0678ЗыкинаА. А.ZykinaA. A.

Зыкина Аделия Алексеевна — инженер 

Санкт-Петербург, 197101 

Adeliia A. Zykina — Engineer 

Saint Petersburg, 197101 

adeliya.zykina@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0003-3470-1000МешковскийИ. К.MeshkovskiyI. K.

Мешковский Игорь Касьянович — доктор технических наук, профессор, профессор, главный научный сотрудник

sc 6603640937 

Санкт-Петербург, 197101 

Igor K. Meshkovskiy — D.Sc., Full Professor, Chief Researcher 

sc 6603640937 

Saint Petersburg, 197101 

igorkm@itmo.ruhttps://orcid.org/0000-0002-5764-0960ПлясцовС. А.PlyastsovS. A.

Плясцов Семён Алексеевич — кандидат технических наук, заведующий лабораторией, научный сотрудник

sc 57195587476 

Санкт-Петербург, 197101 

Semyon A. Plyastsov — PhD, Head of Laboratory, Scientific Researcher 

sc 57195587476 

Saint Petersburg, 197101 

plyastsov@itmo.ruУниверситет ИТМОРоссияITMO UniversityRussian Federation202310122024233448454Copyright © Ивойлов К.А., Гагаринова Д.О., Зыкина А.А., Мешковский И.К., Плясцов С.А., 20242024Ивойлов К.А., Гагаринова Д.О., Зыкина А.А., Мешковский И.К., Плясцов С.А.Ivoilov K.A., Gagarinova D.O., Zykina A.A., Meshkovskiy I.K., Plyastsov S.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://ntv.elpub.ru/jour/article/view/4

Введение. Представлена математическая модель чувствительного элемента рефрактометрического волоконнооптического 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.

This paper presents a mathematical model of the sensitive element of a refractometric fiber-optic sensor the principle of operation of which is based on the phenomenon of surface plasmon resonance. The sensing element design is a sequential connection of a multimode fiber (MMF), a single-mode fiber (SMF), and a multimode fiber forming an MMF-SMF-MMF structure. The SMF site is coated with a thin film of gold. To model the element, the approach used in calculating the classical Kretschmann configuration for volumetric optical structures was applied. The refractive index of the fiber is calculated based on the Sellmeyer equation, and the refractive index of the gold is determined using the Drude model. The simulation results are compared with experimentally obtained transmission spectra of fabricated samples of sensing elements. For approbation of the model, the sensing elements of fiber-optic sensors with the following parameters are made: core diameter of multimode fiber 62.5 μm, core diameter of singlemode fiber 9 μm, coating SMF-segment with 50 nm gold film. Transmission spectra of fiber-optic sensor sensing elements in aqueous glucose solutions of various concentrations were obtained. It is demonstrated that the proposed model describes well the experimentally obtained transmission spectra of sensitive elements based on MMF-SMF-MMF structures in the region of surface plasmon resonance. The proposed model can be used to optimize the design of the sensitive element of refractometric fiber-optic sensors in order to increase the sensitivity. The proposed model implies its use in the development of an algorithm for interrogation of sensing elements based on fiber MMF-SMF-MMF structures.

поверхностный плазмонный резонансгетеросердцевинная структураоптоволоконный датчикизмерение показателя преломленияsurface plasmon resonanceheterocore structurefiber optic sensorrefractive index measurementReferencesHomola 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/cr068107dHomola J. Surface plasmon resonance sensors for detection of chemical and biological species. Chemical Reviews, 2008, vol. 108, no. 2, pp. 462–493. https://doi.org/10.1021/cr068107dMiyazaki 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/B978-0-323-49778-7.00006-0Miyazaki C.M., Shimizu F.M., Ferreira M. Surface plasmon resonance (SPR) for sensors and biosensors. Nanocharacterization Techniques, 2017, pp. 183–200. https://doi.org/10.1016/B978-0-323-49778-7.00006-0Wang 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.92549Wang 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.92549Mrksich 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/la00011a034Mrksich 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, vol. 11, no. 11, pp. 4383–4385. https://doi.org/10.1021/la00011a034Nguyen 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.16.011369Nguyen 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, vol. 16, no. 15, pp. 11369–11375. https://doi.org/10.1364/OE.16.011369Xu 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/S1054660X12100271Xu F., Chen D., Peng B., Xu J.,Wu G. All-fiber refractometer based on core mismatch structure. Laser Physics, 2012, vol. 22, no. 10, pp. 1577–1580. https://doi.org/10.1134/S1054660X12100271Zhang 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.2014.2311579Zhang 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, vol. 32, no. 9, pp. 1734–1740. https://doi.org/10.1109/JLT.2014.2311579Marfu’ah, Amalia N.R., Hatta A.M., Pratama D.Y. Multimodesinglemode-multimode optical fiber sensor coated with novolac resin for detecting liquid phase alcohol // AIP Conference Proceedings. 2018. V. 1945. P. 020031. https://doi.org/10.1063/1.5030253Marfu’ah, Amalia N.R., Hatta A.M., Pratama D.Y. Multimodesinglemode-multimode optical fiber sensor coated with novolac resin for detecting liquid phase alcohol. AIP Conference Proceedings, 2018, vol. 1945, pp. 020031. https://doi.org/10.1063/1.5030253Yin 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.2015.12.018Yin 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, vol. 80, pp. 16–21. https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2015.12.018Sun 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.2011.07.040Sun A., Wu Z., Wan C., Yang C. All-fiber optic acoustic sensor based on multimode-single mode-multimode structure. Optik, 2012, vol. 123, no. 13, pp. 1138–1139. https://doi.org/10.1016/j.ijleo.2011.07.040Sun 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/s13320-020-0586-1Sun 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, vol. 11, no. 3, pp. 291–297. https://doi.org/10.1007/s13320-020-0586-1Roy 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/s12596-022-00885-1Roy P., Chaudhuri P.R. Characteristics of cladding mode-based refractive index sensor using MMF-SMF-MMF configuration. Journal of Optics, 2023, vol. 52, no. 1, pp. 296–306. https://doi.org/10.1007/s12596-022-00885-1Yamamoto M. Surface plasmon resonance (SPR) theory: Tutorial // Review of Polarography. 2002. V. 48. N 3. P. 209–237. https://doi.org/10.5189/revpolarography.48.209Yamamoto M. Surface plasmon resonance (SPR) theory: Tutorial. Review of Polarography, 2002, vol. 48, no. 3, pp. 209–237. https://doi.org/10.5189/revpolarography.48.209Johnson 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.6.4370Johnson P.B., Christy R.W. Optical constants of the noble metals. Physical Review B, 1972, vol. 6, no. 12, pp. 4370–4379. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.6.4370Tan 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)00438-9Tan C.Z. Determination of refractive index of silica glass for infrared wavelengths by IR spectroscopy. Journal of Non-Crystalline Solids, 1998, vol. 223, no. 1-2, pp. 158–163. https://doi.org/10.1016/S0022-3093(97)00438-9Rakić 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.37.005271Rakić A.D., Djurišić A.B., Elazar J.M., Majewski M.L. Optical properties of metallic films for vertical-cavity optoelectronic devices. Applied Optics, 1998, vol. 37, no. 22, pp. 5271–5283. https://doi.org/10.1364/AO.37.005271Hashemi 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.8.083094Hashemi 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, vol. 8, no. 1, pp. 083094. https://doi.org/10.1117/1.JNP.8.083094Poljak 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/B978-0-12-816443-3.00010-8Poljak D., Cvetković M. Theoretical background: an outline of Computational Electromagnetics (CEM). Human Interaction with Electromagnetic Fields, 2019, pp. 21–52. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-816443-3.00010-8

The authors declare that there are no conflicts of interest present.