Повышение чувствительности рефрактивного волоконно-оптического датчика на основе поверхностного плазмонного резонанса и MMF-SMF-MMF структуры с помощью диэлектрических покрытий

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. 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. 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.

1. Yadav 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.

2. 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/10.3109/00365518509160980

3. Алсовэйди 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/10.37489/0235-2990-2022-67-1-2-53-61

4. Deng 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/s17122819

5. Zeng 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.382242

6. Zeng 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-2017-0022

7. Huang 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/10.1155/2012/471957

8. Caucheteur 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/s00216-014-8411-6

9. 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

10. 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

11. 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

12. 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

13. Sharma 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.2007.897946

14. Bao 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/s11801-021-0088-4

15. Ma 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/s12596-022-01076-8

16. Takagi 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.2010.03.009

17. Виноградов С.В., Кононов М.А. Расчет параметров многослойной структуры при резонансном возбуждении поверхностных плазмонов // Успехи прикладной физики. 2016. Т. 4. № 4. С. 343–348.

18. 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/10.17586/2226-1494-2023-23-3-448-454

19. Malitson 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.55.001205

20. Vikas, 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/s11082-021-03435-4