Численное исследование плазмонного резонанса в изогнутом одномодовом металлизированном волоконном световоде в трёхмерной геометрии
Дышлюк А.В., Витрик О.Б., Кульчин Ю.Н.

 

Институт автоматики и процессов управления ДВО РАН, Владивосток, Россия

Аннотация:
Работа посвящена численному исследованию поверхностного плазмонного резонанса в изогнутом одномодовом волоконном световоде с металлизированной оболочкой. Показано, что при оптимальном сочетании радиуса изгиба и толщины металлической пленки плазмон-поляритонные волны могут возбуждаться за счет связи между фундаментальной и плазмонной модами через посредство оболочечных мод шепчущей галереи. Данный эффект приводит к формированию резонансного провала в спектре пропускания световода на длине волны, сильно зависящей от показателя преломления внешней среды. Это открывает возможность построения волоконно-оптического плазмон-поляритонного рефрактометра на одномодовом световоде, не нарушая его структурной целостности и не используя дополнительных волноводных элементов. Продемонстрирована возможность рефрактометрических измерений с чувствительностью ~12 мкм на единицу показателя преломления.

Ключевые слова:
поверхностный плазмонный резонанс, волоконно-оптический рефрактометр, биосенсорика, моды шепчущей галереи, изгиб одномодового световода.

Цитирование:
Дышлюк, А.В. Численное исследование плазмонного резонанса в изогнутом одномодовом металлизированном волоконном световоде в трёхмерной геометрии / А.В. Дышлюк, О.Б. Витрик, Ю.Н. Кульчин // Компьютерная оптика. – 2017. – Т. 41, № 5. – С. 599-608. – DOI: 10.18287/2412-6179-2017-41-5-599-608.

Литература:

  1. Biosensors and biodetection / Ed. by A. Rasooly, K.E. He­rold. – Humana Press, 2009. – 452 p. – ISBN: 978-1-60327-566-8.
  2. Optical chemical sensors / ed. by F. Baldini, A.N. Chester, J. Homola, S. Martellucci. – Dordrecht, The Netherlands: Springer Science & Business Media, 2006. – 520 p. – ISBN: 978-1-4020-4609-4.
  3. McDonagh, C. Optical chemical sensors / C. McDonagh, C.S. Burke, B.D. MacCraith // Chemical Reviews. – 2008. – Vol. 108, Issue 2. – P. 400-422. – DOI: 10.1021/cr068102g.
  4. Optical guided-wave chemical and biosensors I / ed. by M. Zourob, A. Lakhtakia. – Berlin, Heidelberg: Springer Science & Business Media, 2010. – 234 p. – ISBN: 978-3-540-88241-1.
  5. Optical guided-wave chemical and biosensors II / ed. by M. Zourob, A. Lakhtakia. – Berlin, Heidelberg: Springer Science & Business Media, 2010. – 301 p. – ISBN: 978-3-642-02826-7.
  6. Optical biosensors: Today and tomorrow / ed. by F.S. Lig­ler, C.R. Taitt. – 712 p. – Elsevier, 2011. – ISBN: 978-0-444-53125-4.
  7. Homola, J. Electromagnetic theory of surface plasmons / J. Homola. – In book: Surface plasmon resonance based sensors / ed. by J. Homola. – Berlin, Heidelberg: Springer, 2006. – P. 3-44. – ISBN: 978-3-540-33918-2.
  8. Cooper, M.A. Optical biosensors in drug discovery / M.A. Cooper // Nature Reviews Drug Discovery. – 2002. – Vol. 1, Issue 7. – P. 515-528. – DOI: 10.1038/nrd838.
  9. Photonic sensing: Principles and applications for safety and security monitoring / ed. by G. Xiao, W.J. Bock. – Hoboken, NJ: A John Wiley & Sons, Inc., 2012. – 336 p. – ISBN: 978-0-470-62695-5.
  10. Leung, A. A review of fiber-optic biosensors / A. Leung, P.M. Shankar, R. Mutharasan // Sensors and Actuators B: Chemical. – 2007. – Vol. 125, Issue 2. – P. 688-703. – DOI: 10.1016/j.snb.2007.03.010.
  11. Bosch, M.E. Recent development in optical fiber biosensors / M.E. Bosch, A.J.R. Sánchez, F.S. Rojas, C.B. Ojeda // Sensors. – 2007. – Vol. 7, Issue 6. – P. 797-859. – DOI: 10.3390/s7060797.
  12. Fan, X. Sensitive optical biosensors for unlabeled targets: A review / X. Fan, I.M. White, S.I. Shopova, H. Zhu, J.D. Su­ter, Y. Sun // Analytica Chimica Acta. – 2008. – Vol. 620, Issue 1-2. – P. 8-26. – DOI: 10.1016/j.aca.2008.05.022.
  13. Wang, X. Fiber-optic chemical sensors and biosensors (2013–2015) / X. Wang, O.S. Wolfbeis // Analytical Chemistry. – 2015. – Vol. 88, Issue 1. – P. 203-227. – DOI: 10.1021/acs.analchem.5b04298.
  14. Wang, P. Investigation of macrobending losses of standard single mode fiber with small bend radii / P. Wang, Q. Wang, G. Farrell, G. Rajan, Th. Freir, J. Cassidy // Microwave and Optical Technology Letters. – 2007. – Vol. 49, Issue 9. – P. 2133-2138. – DOI: 10.1002/mop.22671.
  15. Harris, A. Bend loss measurements on high numerical aperture single-mode fibers as a function of wavelength and bend radius / A. Harris, P. Castle // Journal of Lightwave technology. – 1986. – Vol. 4, Issue 1. – P. 34-40. – DOI: 10.1109/JLT.1986.1074626.
  16. Renner, H. Bending losses of coated single-mode fibers: A simple approach / H. Renner // Journal of Lightwave Technology. – 1992. – Vol. 10, Issue 5. – P. 544-551. – DOI: 10.1109/50.136086.
  17. Wang, Q. Theoretical and experimental investigations of macro-bend losses for standard single mode fibers / Q. Wang, G. Farrell, T. Freir // Optics Express. – 2005. – Vol. 13, Issue 12. – P. 4476-4484. – DOI: 10.1364/OPEX.13.004476.
  18. Wang, P. Macrobending single-mode fiber-based refractometer / P. Wang, Yu. Semenova, Q. Wu, G. Farrell, Y. Ti, J. Zheng // Applied Optics. – 2009. – Vol. 48, Issue 31. – P. 6044-6049. – DOI: 10.1364/AO.48.006044.
  19. Kulchin, Y.N. Effect of small variations in the refractive index of the ambient medium on the spectrum of a bent fibre-optic Fabry–Perot interferometer / Y.N. Kulchin, O.B. Vitrik, S.O. Gurbatov // Quantum Electronics. – 2011. – Vol. 41, Issue 9. – P. 821-823. – DOI: 10.1070/QE2011v041n09ABEH014677.
  20. Nam, S.H. High-temperature sensing using whispering gallery mode resonance in bent optical fibers / S.H. Nam, S. Yin // IEEE Photonics Technology Letters. – 2005. – Vol. 17, Issue 11. – P. 2391-2393. – DOI: 10.1109/LPT.2005.857988.
  21. Rajan, G. All-fibre temperature sensor based on macro-bend singlemode fibre loop / G. Rajan, Y. Semenova, G. Farrell // Electronics Letters. – 2008. – Vol. 44, Issue 19. – P. 1123-1124. – DOI: 10.1049/el:20081233.
  22. Wang, P. A macrobending singlemode fiber refractive index sensor for low refractive index liquids / P. Wang, Yu. Se­menova, Y. Li, Q. Wu, G. Farrell // Photonics Letters of Poland. – 2010. – Vol. 2, Issue 2. – P. 67-69. – DOI: 10.4302/plp.2010.2.05.
  23. Chiang, C.C. Whispering gallery mode based optical fiber sensor for measuring concentration of salt solution / C.-C. Chiang, J.-C. Chao // Journal of Nanomaterials. – 2013. – Vol. 2013. – 372625. – DOI: 10.1155/2013/372625.
  24. Gupta, B.D. Surface plasmon resonance-based fiber optic sensors: principle, probe designs, and some applications / B.D. Gupta, R.K. Verma // Journal of Sensors. – 2009. – Vol. 2009. – 979761 (12 p.). – DOI: 10.1155/2009/979761.
  25. Srivastava, S.K. Fiber optic plasmonic sensors: past, present and future / S.K. Srivastava, B.D. Gupta // The Open Optics Journal. – 2013. – Vol. 7, Issue 1. – P. 58-83. – DOI: 10.2174/1874328501307010058.
  26. Guo, X. Surface plasmon resonance based biosensor technique: a review / X. Guo // Journal of Biophotonics. – 2012. – Vol. 5, Issue 7. – P. 483-501. – DOI: 10.1002/jbio.201200015.
  27. Caucheteur, C. Review of plasmonic fiber optic biochemical sensors: improving the limit of detection / C. Cauche­teur, T. Guo, J. Albert // Analytical and Bioanalytical Chemistry. – 2015. – Vol. 407, Issue 14. – P. 3883-3897. – DOI: 10.1007/s00216-014-8411-6.
  28. Homola, J. Optical fiber sensor based on surface plasmon excitation / J. Homola // Sensors and Actuators B: Chemical. – 1995. – Vol. 29, Issue 1-3. – P. 401-405. – DOI: 10.1016/0925-4005(95)01714-3.
  29. Schuster, T. Miniaturized long-period fiber grating assisted surface plasmon resonance sensor / T. Schuster, R. Herschel, N. Neumann, C.G. Schaffer // Journal of Lightwave Technology. – 2012. – Vol. 30, Issue 8. – P. 1003-1008. – DOI: 10.1109/JLT.2011.2166756.
  30. Albert, J. Tilted fiber Bragg grating sensors / J. Albert, L.Y. Shao, C. Caucheteur // Laser & Photonics Reviews. – 2013. – Vol. 7, Issue 1. – P. 83-108. – DOI: 10.1002/lpor.201100039.
  31. Kulchin, Y.N. Analysis of surface plasmon resonance in bent single-mode waveguides with metal-coated cladding by eigenmode expansion method / Y.N. Kulchin, O.B. Vitrik, A.V. Dyshlyuk // Optics Express. – 2014. – Vol. 22, Issue 18. – P. 22196-22201. – DOI: 10.1364/OE.22.022196.
  32. Kulchin, Yu.N. Surface plasmon resonance excitation in a bent single-mode optical fiber with metal-coated cladding: Numerical simulation / Yu.N. Kulchin, O.B. Vitrik, A.V. Dysh­lyuk, S.O. Gurbatov, G. Lu // Technical Physics Letters. – 2014. – Vol. 40, Issue 12. – P. 1107-1110. – DOI: 10.1134/S1063785014120281.
  33. Palik, E.D. Handbook of optical constants of solids / E.D. Palik. – Vol. 3. – San Diego: Academic Press, 1998. – 999 p. – ISBN: 978-0-125444231.
  34. Gallagher, D.F.G. Eigenmode expansion methods for simulation of optical propagation in photonics: pros and cons / D.F.G. Gallagher, T.P. Felici // Proceedings of SPIE. – 2003. – Vol. 4987. – P. 69-82. – DOI: 10.1117/12.473173.
  35. Snyder, A.W. Optical waveguide theory / A.W. Snyder, J.D. Love. – Springer Science & Business Media, 2012. – 738 p. – ISBN: 978-1-461328131.
  36. Sammut, R. Leaky modes on a dielectric waveguide: orthogonality and excitation / R. Sammut, A.W. Snyder // Applied Optics. – 1976. – Vol. 15, Issue 4. – P. 1040-1044. DOI: 10.1364/AO.15.001040.
  37. Barthes, J. A coupled lossy local-mode theory description of a plasmonic tip / J. Barthes, G. Colas des Francs, A. Bouhelier, A. Dereux // New Journal of Physics. – 2012. – Vol. 14, Issue 8. – 083041. – DOI: 10.1088/1367-2630/14/8/083041.
  38. Ding, W. Internal excitation and superfocusing of surface plasmon polaritons on a silver-coated optical fiber tip / W. Ding, S.R. Andrews, S.A. Maier // Physical Review A. – 2007. – Vol. 75, Issue 6. – 063822. – 10.1103/Phys­RevA.75.063822.
  39. Novotny, L. Light propagation in a cylindrical waveguide with a complex, metallic, dielectric function / L. Novotny, C. Hafner // Physical Review E. – 1994. – Vol. 50, Issue 5. – P. 4094-4106. – DOI: 10.1103/PhysRevE.50.4094.
  40. Refki, S. Anticrossing behavior of surface plasmon polariton dispersions in metal-insulator-metal structures / S. Refki, Sh. Hayashi, A. Rahmouni, D.V. Nesterenko, Z. Sekkat // Plasmonics. – 2016. – Vol. 11, Issue 2. – P. 433-440. – DOI: 10.1007/s11468-015-0047-7.

© 2009, IPSI RAS
Россия, 443001, Самара, ул. Молодогвардейская, 151; электронная почта: ko@smr.ru ; тел: +7 (846) 242-41-24 (ответственный секретарь), +7 (846) 332-56-22 (технический редактор), факс: +7 (846) 332-56-20