SENSORES ÓTICOS DE RESSONÂNCIA PLASMÔNICA DE SUPERFÍCIE EM ESTRUTURAS MONOMODO-MULTIMODO-MONOMODO COM AFUNILAMENTO

Abstract

In this work the intermodal interference (MMI) singlemode-multimodesinglemode (SMS) sensors theory and the surface plasmon resonance (SPR) theory were reviewed, addressing different taper profiles. The SPR-SMS sensor has an SMS structure with tapering and the deposition of metal layer(s) in the tapered region for SPR excitation. By combining the studies of SPR and SMS sensors, a mathematical model was developed for the SPR-SMS sensor. The sensor allows for the measurement of different quantities with a single channel, enabling the correction of cross-sensitivities. Simulations were performed for three types of sensors: refractive index (RI) and temperature, relative humidity and temperature, and magnetic field intensity and temperature. MATLAB simulations showed sensitivities of 2,680 µm/RIU and -26.26 pm/K for the RI and temperature sensor, using two spectral dips at 570 nm and 683 nm. For the relative humidity and temperature sensor, an agarose coating was used, resulting in sensitivities of 45 pm/%RH for the range of 0% to 37% relative humidity, and 6,496 pm/%RH for the range of 20% to 100% relative humidity. The coating used for the magnetic field intensity and temperature sensor was a ferromagnetic Fe3O4 fluid. The results indicate sensitivities of 0.811 pm/Oe and 5.772 pm/K, for the 756 nm dip, when using wavelength shift interrogation. The transmitted power of the dip varies with sensitivities of -9.71×10-3 dB/Oe and 10.61×10-3 dB/K. These results suggest that the combination of SMS and SPR in optical fibers can be a promising strategy for the development of sensors with cross-sensitivity correction. The proposed mathematical model allows for fast simulation without the need for more complex computational methods such as beam propagation or finite element analysis. Furthermore, the use of specific materials can improve the sensitivities of the sensors, opening possibilities for future research in this field.

Este trabalho revisa a teoria de sensores baseados em interferência intermodal (MMI) do tipo monomodo-multimodo-monomodo (SMS) e ressonância plasmônica de superfície (SPR), abordando diferentes perfis de afunilamento. O sensor SPR-SMS possui uma estrutura do tipo SMS com afunilamento com a deposição de camada(s) metálica(s) na região afunilada para excitação da SPR. Um modelo matemático que combina os efeitos MMI e SPR é desenvolvido e validado. O sensor permite medir diferentes grandezas com um único canal, possibilitando a correção de sensibilidades cruzadas. Simulações foram realizadas para três tipos de sensores: índice de refração (RI) e temperatura, umidade relativa e temperatura, e intensidade de campo magné- tico e temperatura. As simulações no MATLAB mostraram sensibilidades de 2,680 µm/RIU e -26,26 pm/K para o sensor de RI e temperatura, utilizando dois vales espectrais em 570 nm e 683 nm, respectivamente. Para o sensor de umidade relativa e temperatura foi utilizado o revestimento de agarose. Isso resultou em sensibilidades de 45 pm/%RH para a faixa de 0% a 37% de umidade relativa e 6,496 pm/%RH para faixa de 20% a 100% de umidade relativa. O revestimento utilizado para sensor de intensidade de campo magnético e temperatura foi o fluido ferromagnético de Fe3O4. Os resultados indicam sensibilidades de 0,811 pm/Oe e 5,772 pm/K ao utilizar como referência o deslocamento do vale em 756 nm. A potência transmitida do vale também varia, possibilitando se obter sensibilidades de -9,71×10-3 dB/Oe e 10,61×10-3 dB/K. Esses resultados sugerem que a combinação de SMS e SPR em fibras óticas pode ser uma estratégia promissora para o desenvolvimento de sensores com correção de sensibilidades cruzadas. O modelo matemático proposto permite simulação rápida sem dependência de métodos computacionais mais complexos como propagação de feixe ou elementos finitos. Além disso, o uso de materiais específicos pode melhorar as sensibilidades dos sensores, abrindo possibilidades para futuras pesquisas nessa área.