ntvНаучно-технический вестник информационных технологий, механики и оптикиScientific and Technical Journal of Information Technologies, Mechanics and Optics2226-14942500-0373Университет ИТМО10.17586/2226-1494-2025-25-2-222-228ntv-441Research ArticleОПТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ И ТЕХНОЛОГИИOPTICAL ENGINEERINGПовышение чувствительности рефрактивного волоконно-оптического датчика на основе поверхностного плазмонного резонанса и MMF-SMF-MMF структуры с помощью диэлектрических покрытийIncreasing the sensitivity of a refractive fiber-optic sensor based on surface plasmon resonance and MMF-SMF-MMF fiber using dielectric coatingshttps://orcid.org/0000-0002-8021-0678ЗыкинаА. А.ZykinaA. A.

Зыкина Аделия Алексеевна — инженер, Университет ИТМО.

Санкт-Петербург, 197101, sc 58527719900

Adeliia A. Zykina — Engineer, ITMO University.

Saint Petersburg, 197101, sc 58527719900

adeliya.zykina@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0002-5764-0960ПлясцовС. А.PlyastsovS. A.

Плясцов Семён Алексеевич — кандидат технических наук, заведующий лабораторией, ассистент, Университет ИТМО.

Санкт-Петербург, 197101, sc 57195587476

Semyon A. Plyastsov — PhD, Head of Laboratory, Assistant, ITMO University.

Saint Petersburg, 197101, sc 57195587476

s.plyastsov@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0001-6389-1611ГладскихИ. А.GladskikhI. A.

Гладских Игорь Аркадьевич — кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник, Университет ИТМО.

Санкт-Петербург, 197101, sc 56020051200

Igor A. Gladskikh — PhD (Physics & Mathematics), Senior Researcher, ITMO University.

Saint Petersburg, 197101, sc 56020051200

138020@mail.ruУниверситет ИТМОРоссияITMO UniversityRussian Federation202524042025252222228Copyright © Зыкина А.А., Плясцов С.А., Гладских И.А., 20252025Зыкина А.А., Плясцов С.А., Гладских И.А.Zykina A.A., Plyastsov S.A., Gladskikh I.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/441Введение

Введение. Представлены теоретические и экспериментальные исследования возможности повышения чувствительности рефрактивного волоконно-оптического датчика, принцип работы которого основан на эффекте поверхностного плазмонного резонанса. Конструкция чувствительного элемента состоит из последовательного соединения многомодового (MMF), одномодового (SMF) и многомодового волокна со структурой MMF-SMFMMF. Для создания эффекта поверхностного плазмонного резонанса на одномодовый участок наносятся последовательно покрытия из металла (меди (Cu)) и диэлектрика (оксида алюминия (Al2O3), диоксида титана (TiO2)), что позволяет получить более узкие резонансные пики. В результате упрощается процесс детектирования изменения длины волны и повышается чувствительность датчика.

Метод

Метод. Математическое моделирование чувствительного элемента с многослойной поверхностной структурой выполнено с применением характеристических матриц. Матрицы составляются для каждого слоя чувствительного элемента в отдельности, после чего формируется характеристическая матрица всей структуры и рассчитывается коэффициент пропускания. По результатам моделирования выбираются варианты диэлектрического покрытия, определяются толщины слоев, позволяющие получить наименьшую ширину резонансного пика. Основные результаты. Для апробации результатов моделирования изготовлены образцы чувствительных элементов c диэлектрическим покрытием Al2O3 толщиной 60 и 100 нм и с покрытием TiO2 толщиной 50 и 100 нм. Получены спектры пропускания чувствительных элементов на воздухе, в воде и спирте. Показано, что покрытие TiO2 толщиной 50 нм позволяет повысить чувствительность волоконно-оптического датчика на основе поверхностного плазмонного резонанса в три раза по сравнению с чувствительным элементом без диэлектрического покрытия.

Обсуждение

Обсуждение. Предложенный подход к усовершенствованию конструкции волоконно-оптического датчика дает возможность сместить получаемые резонансные максимумы в инфракрасную область спектра. Показана возможность применения более доступных волоконно-оптических элементов для работы с исследуемым датчиком.

This paper presents theoretical and experimental research on improving the sensitivity of a refractive fiber-optic sensor operating on the principle of surface plasmon resonance (SPR). The sensitive element consists of a multimodesinglemode-multimode (MMF-SMF-MMF) fiber structure. To induce the SPR effect, the single-mode fiber section is sequentially coated with metal (Cu) and dielectric layers (Al2O3, TiO2), which results in narrower resonance peaks. This enhances wavelength shift detection and increases sensor sensitivity. Mathematical modeling of the sensitive element with a multilayer surface structure was conducted using characteristic matrices. Each layer of the sensitive element was individually characterized, followed by the formulation of the overall characteristic matrix to calculate the transmission coefficient. Based on the simulation results, optimal dielectric coatings and layer thicknesses were selected to achieve the narrowest resonance peak. To validate the simulation findings, sensitive element samples with dielectric coatings of Al2O3 (60 nm and 100 nm) and TiO2 (50 nm and 100 nm) were fabricated. Transmission spectra were obtained in air, water, and ethanol. The results demonstrate that the proposed coating increases the sensitivity of the fiber-optic SPR sensor threefold compared to an uncoated sensitive element. The proposed approach not only enhances sensor sensitivity but also shifts the resonance peaks into the infrared spectral region. Additionally, the study highlights the feasibility of using more accessible fiber-optic components for the investigated sensor system.

поверхностный плазмонный резонансгетеросердцевинная структураоптоволоконный датчикповышение чувствительности волоконно-оптических датчиковмногослойные покрытияsurface plasmon resonanceheterocore structurefiber-optic sensorincreasing the sensitivity of fiber-optic sensorsmultilayer coatingsReferencesYadav P.K., Srivastava R., Chaurasiya N. Optical fiber sensor: review and applications // International Journal of Creative Research Thoughts. 2018. V. 6. N 1. P. 1358–1362.Yadav P.K., Srivastava R., Chaurasiya N. Optical fiber sensor: review and applications. International Journal of Creative Research Thoughts, 2018, vol. 6, no. 1, pp. 1358–1362.Simonsen O., Grubb A., Thysell H. The blood serum concentration of cystatin C (γ-trace) as a measure of the glomerular filtration rate //scandinavian Journal of Clinical and Laboratory Investigation. 1985. V. 45. N 2. P. 97–101. https://doi.org/10.3109/00365518509160980Simonsen O., Grubb A., Thysell H. The blood serum concentration of cystatin C (γ-trace) as a measure of the glomerular filtration rate. Scandinavian Journal of Clinical and Laboratory Investigation, 1985, vol. 45, no. 2, pp. 97–101. https://doi.org/10.3109/00365518509160980Алсовэйди К.М., Караваева О.А., Гулий О.И. Методы и подходы для определения антибиотиков // Антибиотики и химиотерапия. 2022. Т. 67. № 1-2. С. 53–61. https://doi.org/10.37489/0235-2990-2022-67-1-2-53-61Alsowaidi A.K.M., Karavaeva O.A., Guliy O.I. Methods and approaches for antibiotics deteсtion. Antibiotiki i Khimioterapiya, 2022, vol. 67, no. 1-2, pp. 53–61. (in Russian). https://doi.org/10.37489/0235-2990-2022-67-1-2-53-61Deng S., Wang P., Yu X. Phase-sensitive Surface Plasmon Resonance sensors: recent progress and future prospects //sensors. 2017. V. 17. N 12. P. 2819. https://doi.org/10.3390/s17122819Deng S., Wang P., Yu X. Phase-sensitive Surface Plasmon Resonance sensors: recent progress and future prospects. Sensors, 2017, vol. 17, no. 12, pp. 2819. https://doi.org/10.3390/s17122819Zeng Y., Wang X., Zhou J., Miyan R., Qu J., Ho H.P., Zhou K., Gao B., Shao Y. Phase interrogation SPR sensing based on white light polarized interference for wide dynamic detection range // Optics Express. 2020. V. 28. N 3. P. 3442–3450. https://doi.org/10.1364/OE.382242Zeng Y., Wang X., Zhou J., Miyan R., Qu J., Ho H.P., Zhou K., Gao B., Shao Y. Phase interrogation SPR sensing based on white light polarized interference for wide dynamic detection range. Optics Express, 2020, vol. 28, no. 3, pp. 3442–3450. https://doi.org/10.1364/OE.382242Zeng Y., Hu R., Wang L., Gu D., He J., Wu S., Ho H.P., Li X., Qu J., Gao B.Z., Shao Y. Recent advances in surface plasmon resonance imaging: detection speed, sensitivity, and portability // Nanophotonics. 2017. V. 6. N 5. P. 1017–1030. https://doi.org/10.1515/nanoph-2017-0022Zeng Y., Hu R., Wang L., Gu D., He J., Wu S., Ho H.P., Li X., Qu J., Gao B.Z., Shao Y. Recent advances in surface plasmon resonance imaging: detection speed, sensitivity, and portability. Nanophotonics, 2017, vol. 6, no. 5, pp. 1017–1030. https://doi.org/10.1515/nanoph-2017-0022Huang Y.H., Ho H.P., Wu S.Y., Kong S.K. Detecting phase shifts in Surface Plasmon Resonance: a review // Advances in Optical Technologies. 2012. V. 2012. P. 471957. https://doi.org/10.1155/2012/471957Huang Y.H., Ho H.P., Wu S.Y., Kong S.K. Detecting phase shifts in Surface Plasmon Resonance: a review. Advances in Optical Technologies, 2012, vol. 2012, pp. 471957. https://doi.org/10.1155/2012/471957Caucheteur C., Guo T., Albert J. Review of plasmonic fiber optic biochemical sensors: improving the limit of detection // Analytical and Bioanalytical Chemistry. 2015. V. 407. N 14. P. 3883–3897. https://doi.org/10.1007/s00216-014-8411-6Caucheteur C., Guo T., Albert J. Review of plasmonic fiber optic biochemical sensors: improving the limit of detection. Analytical and Bioanalytical Chemistry, 2015, vol. 407, no. 14, pp. 3883–3897. https://doi.org/10.1007/s00216-014-8411-6Xu 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/s1054660x12100271Sun 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/s13320-020-0586-1Nguyen 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.16.011369Sun 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.2011.07.040Sharma A.K., Jha R., Gupta B.D. Fiber-optic sensors based on Surface Plasmon Resonance: a comprehensive review // IEEE Sensors Journal. 2007. V. 7. N 8. P. 1118–1129. https://doi.org/10.1109/jsen.2007.897946Sharma A.K., Jha R., Gupta B.D. Fiber-optic sensors based on Surface Plasmon Resonance: a comprehensive review. IEEE Sensors Journal, 2007, vol. 7, no. 8, pp. 1118–1129. https://doi.org/10.1109/jsen.2007.897946Bao S., Li H., Zheng G. Concentration sensor with multilayer thin film-coupled surface plasmon resonance // Optoelectronics Letters. 2021. V. 17. N 5. P. 289–293. https://doi.org/10.1007/s11801-021-0088-4Bao S., Li H., Zheng G. Concentration sensor with multilayer thin film-coupled surface plasmon resonance. Optoelectronics Letters. 2021. vol. 17, no. 5, pp. 289–293. https://doi.org/10.1007/s11801-021-0088-4Ma Y., Liu F., Ren Q., Zhang A. FOM enhancement of a D-shaped SPR fiber sensor based on Al2O3–graphene–platinum grating // Journal of Optics. 2024. V. 53. N 1. P. 197–205. https://doi.org/10.1007/s12596-022-01076-8Ma Y., Liu F., Ren Q., Zhang A. FOM enhancement of a D-shaped SPR fiber sensor based on Al2O3–graphene–platinum grating. Journal of Optics, 2024, vol. 53, no. 1, pp. 197–205. https://doi.org/10.1007/s12596-022-01076-8Takagi K., Sasaki H., Seki A., Watanabe K. Surface plasmon resonances of a curved hetero-core optical fiber sensor //sensors and Actuators A: Physical. 2010. V. 161. N 1-2. P. 1–5. https://doi.org/10.1016/j.sna.2010.03.009Takagi K., Sasaki H., Seki A., Watanabe K. Surface plasmon resonances of a curved hetero-core optical fiber sensor. Sensors and Actuators A: Physical, 2010, vol. 161, no. 1-2, pp. 1–5. https://doi.org/10.1016/j.sna.2010.03.009Виноградов С.В., Кононов М.А. Расчет параметров многослойной структуры при резонансном возбуждении поверхностных плазмонов // Успехи прикладной физики. 2016. Т. 4. № 4. С. 343–348.Vinogradov S.V., Kononov M.A. Calculation of parameters of a multilayered structure at the surface plasmon resonance. Uspekhi Prikladnoi Fiziki, 2016, vol. 4, no. 4, pp. 343–348. (in Russian)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. https://doi.org/10.17586/2226-1494-2023-23-3-448-454Ivoilov K.A., Gagarinova D.O., Zykina A.A., Meshkovskiy I.K., Plyastsov S.A. A model of a refractive fiber optic sensor sensing element based on MMF-SMF-MMF structure using surface plasmon resonance. Scientific and Technical Journal of Information Technologies, Mechanics and Optics, 2023, vol. 23, no. 3, pp. 448–454. (in Russian). https://doi.org/10.17586/2226-1494-2023-23-3448-454Malitson I.H. Interspecimen comparison of the refractive index of fused silica // Journal of the Optical Society of America. 1965. V. 55. N 10. P. 1205–1209. https://doi.org/10.1364/JOSA.55.001205Malitson I.H. Interspecimen comparison of the refractive index of fused silica. Journal of the Optical Society of America, 1965, vol. 55, no. 10, pp. 1205–1209. https://doi.org/10.1364/JOSA.55.001205Vikas, Verma R.K. High figure of merit fiber optic surface plasmon resonance sensor with topological insulator (BSTS) // Optical and Quantum Electronics. 2022. V. 54. N 1. P. 55. https://doi.org/10.1007/s11082-021-03435-4Vikas, Verma R.K. High figure of merit fiber optic surface plasmon resonance sensor with topological insulator (BSTS). Optical and Quantum Electronics, 2022, vol. 54, no. 1, pp. 55. https://doi.org/10.1007/s11082-021-03435-4

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