(а) Схематическая иллюстрация структуры квази-3D устройства.
(b) Увеличенный вид показывает наноколпачки и нанощели.
(c) Распределение напряженности электрического поля, где световая волна, направляемая по оптоволокну, падающая снизу, опосредованная эталоном FP, возбуждает SPP на стороне водного раствора.
Авторы и права: Сяцин Сунь, Зеюй Лэй, Хао Чжун, Чэньцзя Хэ, Сихан Лю, Цинфэн Мэн, Цинвэй Лю, Шэнфу Чен, Сянъян Конг и Тянь Ян.

Миниатюрные датчики, установленные на оптических волокнах, широко признаны важным будущим решением для мгновенной медицинской диагностики и инспекции сельскохозяйственной продукции на месте. Плазмонные устройства на плоских торцах одномодовых волокон максимально используют возможности удобной и быстрой работы волоконно-оптических устройств. Их можно погружать непосредственно в мельчайшие образцы или вводить с минимальным вмешательством.

Однако большинство устройств этого типа были ограничены низким коэффициентом добротности резонанса (Q) или низкой эффективностью связи при соединении плазмонов и световых волн, направляемых по волокну. Следовательно, отношение сигнал /шум (SNR) при обнаружении изменения показателя преломления значительно отстает от оптических аналогов в свободном пространстве или волноводов с боковой связью, что не позволяет устройствам SPR с оптоволоконным наконечником удовлетворять требованиям реальных приложений, где целевые концентрации часто бывают низкими.

Группа ученых под руководством профессора Тянь Яна из Шанхайского университета Цзяо Тонг сообщила о значительном прогрессе в разработке устройств, технологии изготовления и SNR сенсоров поверхностного плазмона-поляритона (SPP) на торцах одномодовых оптических волокон. Эта работа была опубликована в журнале Light: Advanced Manufacturing под названием «Квазитрехмерный фанорезонансный резонатор на торце оптического волокна для определения поверхностного плазмона методом погружения и считывания с высоким отношением сигнал-шум».

Основываясь на своей предыдущей работе с кристаллическими микрорезонаторами SPP, исследователи использовали гибридную структуру, которая создает резонанс Фано между полостью SPP и эталоном Фабри-Перо. Кристалл SPP состоит из периодических массивов нанощелей в тонкой золотой пленке. Полость SPP состоит из области на полосе SPP, которая находится в центре и выровнена с сердцевиной волокна, и области внутри запрещенной зоны SPP, которая находится в окружении. Область на SPP-диапазоне преобразует нормально падающий свет в направленные волны на SPP-диапазоне второго порядка за счет эффекта связи решетки. Наконец, световая волна, направляемая по волокну, преобразуется в колеблющуюся поверхностную волну SPP на стороне водного раствора полости SPP с использованием эталона FP в качестве посредника, так что могут быть достигнуты высокие значения Qs и высокая эффективность связи.

(а) Оптическая микрофотография процесса переноса.
(b) Устройство упаковано в стандартный оптоволоконный коннектор.
Авторы и права: Сяцин Сунь, Зеюй Лэй, Хао Чжун, Чэньцзя Хэ, Сихан Лю, Цинфэн Мэн, Цинвэй Лю, Шэнфу Чен, Сянъян Конг и Тянь Ян.

Вставка: резонансная длина волны в зависимости от показателя преломления.
Авторы и права: Сяцин Сунь, Зеюй Лэй, Хао Чжун, Чэньцзя Хэ, Сихан Лю, Цинфэн Мэн, Цинвэй Лю, Шэнфу Чен, Сянъян Конг и Тянь Ян.

Массивы резонансных структур Фано сначала изготавливались на плоских стеклянных подложках, затем переносились на торцы плоских волокон и закреплялись УФ-клеем. Интерфейс между устройствами и стеклянными подложками должен иметь низкую адгезию для обеспечения качества и успешности процесса переноса. В то же время этот интерфейс должен обеспечивать эффективное туннелирование между оптическими полями в эталоне и ППП со стороны водного раствора. Для этой цели авторы изобрели интерфейс наноколпачка, в котором слой металла толщиной в несколько нанометров покрывает выступающие диэлектрические нанощели.

Волоконные зонды устанавливали в стандартные оптоволоконные разъемы и использовали для мониторинга изменения показателя преломления и физической адсорбции бычьего сывороточного альбумина. Результаты испытаний показывают, что предел обнаружения этих SPR-сенсоров с волоконным наконечником в эквиваленте шума достигает уровня 10 -7 RIU. Это на три порядка ниже, чем у подобных устройств, основанных на других конструктивных подходах, и уже сравнимо с коммерческими приборами ППР, основанными на призменной связи.