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

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.

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. 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/10.1063/1.5030253

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