All Photonic Bandgap Bragg Fiber Refractometers

Un réfractomètre est un senseur optique permettant de mesurer l'indice de réfraction d'une substance. Depuis que Ernst Abbe a inventé le premier réfractomètre de laboratoire dans les années soixante du dix-neuvième siècle, d'importants efforts ont été faits pour développer de nouveaux types de spectromètres avec une meilleure résolution et une empreinte plus petite. De nos jours, la réfractométrie est une technique fiable largement utilisée dans de nombreux domaines scientifiques et industriels, soit en ce qui a trait aux senseurs biologiques et chimiques, aux tests médicaux, à la gradation des bijoux, à l'industrie pharmaceutique, etc. Récemment, les réfractomètres à base de fibre ont attiré beaucoup l'attention grâce à leurs avantages uniques : leurs faibles pertes, leur légèreté, leur immunité à l'interférence électromagnétique, leur résistance aux environnements hostiles, leur passivité électrique et la possibilité de multiplexage. Aujourd'hui encore, la recherche et le développement de nouveaux réfractomètres à base de fibre ayant de plus hautes résolutions, de plus petites empreintes et un faible coût constituent encore le principal sujet de recherche en réfractométrie. Dans cette thèse, nous proposerons et fabriquerons expérimentalement un réfractomètre à base de fibre servant à la détection de faibles changements d'indice de réfraction dans des échantillons liquides. La composante principale de ce réfractomètre est une fibre de Bragg creuse, possédant un coeur creux entouré par une alternance de couches de polyméthacrylate de méthyl (PMMA) et de polystyrène (PS) servant de réflecteur de Bragg. Le mécanisme de base de cette fibre est la détection de résonance; les variations d'indice de réfraction de l'échantillon liquide induisent un changement de guidage résonant de la fibre, changeant ainsi l'intensité et la fréquence de résonance de la transmission. Les simulations théoriques et la caractérisation expérimentale sont faites pour confirmer les propriétés de ce mécanisme. De plus, nous étudierons en détail les performances de ce réfractomètre à base de fibre de Bragg en s'attardant à la sensibilité, à la plage dynamique, aux pertes d'insertion/couplage, au temps de réponse et à la dépendance de la sensibilité en fonction de la longueur de la fibre. Nous démontrerons expérimentalement que la sensibilité atteint 1400 nm par unité d'indice de réfraction (RIU), ce qui est comparable à la sensibilité propre aux autres réfractomètres à base de fibre microstructurée, et même aux réfractomètres basés sur la résonance de plasmon de surface. Nous noterons aussi que le temps de réponse du réfractomètre développé dans notre laboratoire est beaucoup plus petit que celui des

Abstract

A refractometer is an optical sensor that can be used to measure the refractive index of a substance. Ever since Ernst Abbe invented the first laboratory refractometer in the late sixties of the nineteenth century, tremendous efforts have been undertaken to develop various types of refractometers with better resolution and smaller footprint. Nowadays, refractometry becomes a reliable technique that is widely used in a variety of scientific and industrial fields such as bio/chemical sensing, food industry, medical/clinical examination, jewelry gradation, pharmaceutical and cosmetic industry, to name a few. In recent years, fiber-based refractometers have drawn considerable attention due to their unique advantages such as low signal loss (attenuation), light weight, immunity to electromagnetic interference, resistance to harsh environments, electrical passivity, and possibility of multiplexing. To date, the R&D (research and development) of novel fiber-based refractometers with advantages of high sensitivity, small footprint and low cost still constitutes the main research topic in refractometric studies. In this thesis, we firstly propose and experimentally demonstrate a fiber-based refractometer for sensing small changes in the refractive index of liquid analytes. The key component of the refractometer is a hollow-core polymer Bragg fiber, which features a large hollow core surrounded by an alternating polymethyl methacrylate (PMMA)/polystyrene (PS) multilayer as a Bragg reflector. This Bragg fiber refractometer operates on a resonant sensing mechanism, namely, variations in the refractive index of a liquid analyte filling the fiber core modify the resonant guidance of the fiber, thus leading to both intensity changes and spectral shifts in the fiber transmission. Both theoretical simulations and experimental characterizations are carried out to verify this resonant sensing mechanism of the proposed Bragg fiber refractometer. Moreover, we present a comprehensive study of the factors that affect the performance of Bragg fiber refractometers. These factors include sensitivity, dynamic range, insertion/coupling loss, response time and dependence of the refractometer sensitivity on the fiber length. We experimentally demonstrate that sensitivity of the Bragg fiber refractometers is very high, and is ~1400 nm/refractive index unit (RIU) which is comparable to that of the microstructured-fiber-based refractometers and surface-plasmon-resonance-based refractometers. We also note that such a sensitivity is equivalent to a refractometer resolution of ~7×10-5 RIU, assuming that 0.1 nm spectral shift can be accurately measured (0.1 nm is the typical resolution