Surface Plasmon Resonance Sensor Interogation with Cladding Modes Excited by Tilted Fiber Bragg Grating

Le but de ce projet est de developer de nouvelles configurations de capteurs à résonance de plasmons de surface basés sur les réseaux de Bragg. Il se concentre sur l'étude de quatre configurations novatrices de capteurs à résonances de plasmons et de leur application en mesure d'indice de réfraction environnant. Premièrement, une nouvelle approche de mesure d'indice de réfraction utilisant un coupleur à double gaine et un réseau de Bragg pour capturer les modes de gaine en réflexion est démontrée. Le spectre optique ainsi que la puissance des modes de gaines sont obtenus à travers l'utilisation d'un coupleur à fibre à double gaine conçu sur mesure et connecté à un réseau de Bragg à haute réflectivité écrit dans une fibre photosensible standard légèrement inclinée et gravée de façon à la coupler au diamètre intérieur de la fibre à double gaine. Ce dispositif est capable de capturer les modes de gaines autant d'ordres inférieurs que supérieurs en réflexion de manière simple et efficace. Il devient alors possible de déterminer l'indice de réfraction environnant avec une extrême sensibilité à partir d'une perte de puissance mesurée de ≈ 91% de la puissance initiale permettant d'obtenir une résolution de 1.4333×10-5 unités d'indice de réfraction (UIR) entre 1.37 et 1.45. Le dispositif permet donc une large bande d'opération entre 1.30 et 1.45 UIR qui offre la possibilité de discriminer chacun des modes de gaine capturés. L'approche proposée peut être adaptée à plusieurs autres types de capteurs de courbure, température, indice de réfraction et d'onde évanescente. Deuxièmement, une nouvelle approche de capteur à résonance de plasmons de surface à fibre utilisant la configuration de coupleur à double gaine décrite précédemment ainsi qu'un réseau de Bragg incliné et recouvert d'or est démontrée. Cette nouvelle approche d'interrogation basée sur le spectre de réflexion offre une amélioration de la bande d'opération du dispositif en comparaison aux techniques préexistantes. Le dispositif permet la détection de résonances de plasmons de surfaces dans le spectre de réflexion et de transmission, permettant aisément une comparaison avec les techniques standards préexistantes qui utilisent le spectre de transmission. Le capteur possède aussi une large bande d'opération allant de 1.335 à 1.432 UIR et une sensibilité de 510.5 nm/UIR.

Abstract

The objective of this Thesis is to develop novel schemes in surface Plasmon resonance (SPR) sensing with Bragg gratings. The thesis focuses on research studies on the sensing characteristics of four novel configurations of SPR and surrounding refractive indices (SRI) sensors. Firstly, a novel SRI measurement scheme has been demonstrated using a double-clad fiber coupler (DCFC) and a fiber Bragg grating (FBG) to capture cladding modes in reflection. The optical spectra and power in the cladding modes are obtained through the use of a specially designed DCFC spliced to a highly reflective FBG written into slightly cladding-etched standard photosensitive single mode fiber to match the diameter to the inner cladding of the DCFC. The device is capable of capturing low and high order backward propagating cladding modes simply and efficiently. The device is capable of measuring the SRI with an extremely high sensitivity with a total power drop by ≈ 91% of its initial value and a resolution of 1.433×10-5 RIU between 1.37 and 1.45 RIU. The device provides a large SRI operating range from 1.30 to 1.45 RIU with sufficient discrimination for all individual captured cladding modes. The proposed scheme can be adapted to many different types of bend, temperature, refractive index and other evanescent wave based sensors. Secondly, a novel optical fiber SPR sensor scheme is demonstrated using reflected guided cladding modes captured by the above mentioned DCFC, and excited in a gold coated fiber with a tilted Bragg grating (TFBG). This new interrogation approach which is based on the reflection spectrum provides an improvement in the operating range of the device over previous techniques. The device allows detection of SPR in the reflected spectrum and also in the transmitted spectrum as well, making it far easier in comparison with previous standard techniques which use the transmission spectrum. The sensor has a large operating range from 1.335 to 1.432 RIU, and a sensitivity of 510.5 nm/RIU. The device shows strong dependence on the polarization state of the guided core mode which can be used to turn the SPR on or off.