RU2432568C1 - Sensor based on planar and cylindrical hollow light guides with integrated interferometric system - Google Patents

Sensor based on planar and cylindrical hollow light guides with integrated interferometric system Download PDF

Info

Publication number
RU2432568C1
RU2432568C1 RU2010123805/28A RU2010123805A RU2432568C1 RU 2432568 C1 RU2432568 C1 RU 2432568C1 RU 2010123805/28 A RU2010123805/28 A RU 2010123805/28A RU 2010123805 A RU2010123805 A RU 2010123805A RU 2432568 C1 RU2432568 C1 RU 2432568C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
waveguide
fiber
hollow
sensor device
sheath
Prior art date
Application number
RU2010123805/28A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Алексей Михайлович Желтиков (RU)
Алексей Михайлович Желтиков
Андрей Борисович Федотов (RU)
Андрей Борисович Федотов
Original Assignee
Государственное учебно-научное учреждение Международный учебно-научный лазерный центр МГУ имени М.В. Ломоносова (МЛЦ МГУ имени М.В. Ломоносова)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Государственное учебно-научное учреждение Международный учебно-научный лазерный центр МГУ имени М.В. Ломоносова (МЛЦ МГУ имени М.В. Ломоносова) filed Critical Государственное учебно-научное учреждение Международный учебно-научный лазерный центр МГУ имени М.В. Ломоносова (МЛЦ МГУ имени М.В. Ломоносова)
Priority to RU2010123805/28A priority Critical patent/RU2432568C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2432568C1 publication Critical patent/RU2432568C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: physics. ^ SUBSTANCE: invention relates to fibre-optic devices (sensors) designed to analyse composition and concentration of gaseous and liquid substances, as well as thin layers of molecules, based on planar and cylindrical hollow light guides, including hollow microstructured waveguides. In order to detect low concentrations of substances and biochemical processes, an anti-resonance interferometric system (Fabry-Perot interferometre type) is integrated into the waveguide. ^ EFFECT: invention enables integration of a single chip on a platform and enables to create a system for simultaneous rapid monitoring of several bioanalytes, increases sensitivity for detecting small changes in the refraction index of the analyte and detecting monolayers of biomolecules immobilised on the surface of the waveguide cladding. ^ 5 cl, 7 dwg

Description

Изобретение относится к волоконно-оптическим устройствам (сенсорам), предназначенным для анализа состава и концентрации газообразных и жидких веществ, а также тонких слоев молекул (включая биологические).The invention relates to fiber-optic devices (sensors) for analyzing the composition and concentration of gaseous and liquid substances, as well as thin layers of molecules (including biological).

Существующие в настоящее время сенсорные волноводные устройства, как правило, основаны на использовании одного из двух принципов: (i) оптическом возбуждении аналита эванесцентным полем, т.е. распространяющейся за пределами сердцевины волновода частью волноводной моды, и (ii) регистрации небольшого изменения постоянной распространения волноводной моды, возникающего в результате изменения показателя преломления аналита или иммобилизации (био)молекул на оболочке волновода.Currently existing sensory waveguide devices are usually based on the use of one of two principles: (i) optical excitation of the analyte by an evanescent field, i.e. part of the waveguide mode propagating outside the core of the waveguide, and (ii) recording a small change in the propagation constant of the waveguide mode, resulting from a change in the refractive index of the analyte or immobilization of (bio) molecules on the waveguide shell.

Рассмотрим несколько примеров волоконно-оптических сенсорных устройств. В заявке на патент США US 2004057647 (LYONS DANALD R (US). APPARATUS FOR AND METHODS OF SENSING EVANESCENT EVENTS IN A FLUID FIELD) описана схема, при которой волоконное сенсорное устройство имеет круглую сердцевину и D-образную оболочку, при этом плоский срез оболочки обладает дифракционной решеткой. Эванесцентное поле проникает в исследуемое вещество, прикладываемое к месту плоского среза D-образной оболочки. Условия распространения лазерного излучения изменяются при изменении состояния исследуемого вещества, что затем фиксируется с помощью системы регистрации. В патенте США US 5436167 (ROBILLARD JEAN J (US), FIBER OPTICS GAS SENSOR) представлен волоконно-оптический сенсор, в котором один из участков этого сенсора покрыт прозрачным полупроводниковым материалом, который функционирует как газовый поглотитель. Этот полупроводниковый материал может абсорбировать атомы и молекулы исследуемого газа, что изменяет его показатель преломления. Лазерное излучение направляется в оптическое волокно с известным состоянием поляризации. При изменении показателя преломления полупроводниковой оболочки изменяется состояние поляризации проходящего света. По изменению поляризации света определяют присутствие и концентрацию исследуемого газа.Consider a few examples of fiber optic sensor devices. US Patent Application US2004057647 (LYONS DANALD R (US). APPARATUS FOR AND METHODS OF SENSING EVANESCENT EVENTS IN A FLUID FIELD) describes a circuit in which a fiber sensor device has a round core and a D-shaped sheath, with a flat section of the sheath possesses a diffraction grating. An evanescent field penetrates the test substance, applied to the place of a flat cut of the D-shaped shell. The conditions for the propagation of laser radiation change with a change in the state of the test substance, which is then recorded using a registration system. US Pat. No. 5,436,167 (ROBILLARD JEAN J (US), FIBER OPTICS GAS SENSOR) discloses a fiber optic sensor in which one portion of this sensor is coated with a transparent semiconductor material that functions as a gas absorber. This semiconductor material can absorb the atoms and molecules of the test gas, which changes its refractive index. Laser radiation is directed into an optical fiber with a known state of polarization. When the refractive index of the semiconductor shell changes, the state of polarization of the transmitted light changes. The change in the polarization of light determines the presence and concentration of the test gas.

Для реализации сенсорных систем все шире используются микроструктурированные (фотонно-кристаллические) световоды (J.C.Knight, J.Broeng, Т.А.Birks, and P.St.J.Russell, Science 282, 1476 (1998); P.St.J.Russell, Science 299, 358 (2003); J.C.Knight, Nature 424, 847 (2003); A.M.Желтиков, Оптика микроструктурированных волокон (Москва, Наука, 2004); A.M.Желтиков, Успехи физических наук, 177 (2007)). Планарные интегральные волноводные системы на основе антирезонансного отражения обеспечивают высокую чувствительность регистрации биохимических процессов в аналите и могут быть использованы для прямого мониторинга биомолекулярных процессов. Микроструктурированные волокна представляют значительный интерес для разработки новых оптических сенсоров (Т.М.Monro, W.Belardi, K.Furusawa, J.С.Baggett, N.G.R.Broderick, and D.J.Richardson, Meas. Sci. Technol. 12, 854 (2001); L.Rindorf, J.B.Jensen, М.Dufva, L.H.Pedersen, P.E.Høiby, and O.Bang, Opt. Express 14, 8224 (2006)). В сенсорах на основе микроструктурированных (МС) световодов, продемонстрированных в работе М.Т.Myaing, J.Y.Ye, Т.В.Norris, Т.Thomas, J.R.Baker, Jr., W.J.Wadsworth, G.Bouwmans, J.C.Knight, and P.S.J.Russell, Opt. Lett. 28, 1224 (2003), возбуждающее излучение доставляется к объекту по сердцевине МС-волокна. Внутренняя часть МС-оболочки имеет отверстия с размерами порядка микрометра и служит для доставки рассеянного либо флуоресцентного сигнала по волокну от исследуемого объекта к приемнику излучения, который может располагаться рядом с источником излучения. Такая конструкция волокна обеспечивает высокие эффективности зондирования химических и биологических растворов методами однофотонной и двухфотонной люминесценции. Микроструктурированная оболочка волокна может использоваться также в качестве системы микрокапилляров, заполняемых предельно малым объемом исследуемого раствора. Излучение, распространяющееся вдоль сердцевины волокна, вызывает люминесценцию регистрируемых молекул (S.Konorov, A.Zheltikov, and М.Scalora, Opt. Express 13, 3454 (2005)). Такие волоконные сенсоры могут быть интегрированы в системы хранения и обработки химических и биологических данных, включая биочипы, для считывания и преобразования хранимой информации.Microstructured (photonic-crystalline) optical fibers (JCKnight, J. Broeng, T.A. Birks, and P.St. J. J. Russell, Science 282, 1476 (1998); P.St.J are increasingly used to implement sensor systems Russell, Science 299, 358 (2003); JCKnight, Nature 424, 847 (2003); AMZheltikov, Optics of microstructured fibers (Moscow, Nauka, 2004); AMZheltikov, Uspekhi Fizicheskikh Nauk, 177 (2007)). Planar integrated waveguide systems based on antiresonance reflection provide high sensitivity for recording biochemical processes in the analyte and can be used for direct monitoring of biomolecular processes. Microstructured fibers are of significant interest for the development of new optical sensors (T.M. Monro, W. Belardi, K. Furusawa, J.C. Baggett, NGR Broderick, and DJ Richardson, Meas. Sci. Technol. 12, 854 (2001) ; L. Rindorf, JB Jensen, M. Dufva, LH Pedersen, PE Høiby, and O. Bang, Opt. Express 14, 8224 (2006)). In sensors based on microstructured (MS) fibers, demonstrated by M.T. Myaing, JYYe, T.V. Norris, T.Thomas, JRBaker, Jr., WJWadsworth, G. Bouwmans, JCKnight, and PSJ Russell, Opt. Lett. 28, 1224 (2003), the exciting radiation is delivered to the object through the core of the MS fiber. The inner part of the MS shell has openings with dimensions of the order of a micrometer and serves to deliver a scattered or fluorescent signal through the fiber from the object under study to the radiation receiver, which can be located next to the radiation source. This fiber design provides high sensing efficiencies of chemical and biological solutions using single-photon and two-photon luminescence methods. The microstructured fiber sheath can also be used as a system of microcapillaries filled with an extremely small volume of the test solution. Radiation propagating along the fiber core causes luminescence of the detected molecules (S. Konorov, A. Zheltikov, and M. Scalora, Opt. Express 13, 3454 (2005)). Such fiber sensors can be integrated into chemical and biological data storage and processing systems, including biochips, for reading and converting stored information.

Сенсорные устройства на основе МС-световодов, осуществляющие возбуждение аналита эванесцентным полем, описаны в следующем базовом Европейском патенте ЕР 1236059 (PHOTONIC CRYSTAL FIBRE GUIDING A FIRST MODE AND A PUMP BEAM, RUSSELL, PHILIP ST JOHN (GB); BIRKS, TIMOTHY ADAM (GB); KNIGHT, JONATHAN CAVE (GB); MANGAN, BRIAN JOSEPH (GB)). Сенсорные устройства на основе регистрации изменения постоянной распространения волноводной моды в полых фотонно-кристаллических волокнах описаны в патенте КНР CN 1900696 (XUE CHENYANG ZHANG (CN), HOLLOW CORE PHOTON CRYSTAL FIBER-OPTIC FIBER GAS SENSOR). В патенте предложен газовый сенсор с использованием полого фотонно-кристаллического волокна. В этом устройстве имеется фотонно-кристаллическое волокно, обладающее относительно низкими потерями света при распространении света в его сердцевине по сравнению с обычными полыми волокнами. Имеется другое опорное плечо сенсора, содержащее эталонную кювету с газом, через которую проходит опорный пучок света. Система регистрации измеряет и сравнивает оба пучка света, т.е. в этой схеме имеется внешняя система сравнения условий пропускания волокна (по-существу, это есть внешняя интерферометрическая схема, которая использует опорный и исследуемый пучки света). При заполнении полой сердцевины фотонно-кристаллического волокна исследуемым газом или изменении его концентрации изменяется условия прохождения света в сердцевине полого волокна, и система регистрации фиксирует эти изменения.Sensors based on MS fibers that excite an analyte with an evanescent field are described in the following European Basic Patent EP 1236059 (PHOTONIC CRYSTAL FIBER GUIDING A FIRST MODE AND A PUMP BEAM, RUSSELL, PHILIP ST JOHN (GB); BIRKS, TIMOTHY ADAM (GB ); KNIGHT, JONATHAN CAVE (GB); MANGAN, BRIAN JOSEPH (GB)). Sensor devices based on recording changes in the propagation constant of the waveguide mode in hollow photonic crystal fibers are described in Chinese patent CN 1900696 (XUE CHENYANG ZHANG (CN), HOLLOW CORE PHOTON CRYSTAL FIBER-OPTIC FIBER GAS SENSOR). The patent proposes a gas sensor using a hollow photonic crystal fiber. This device has a photonic crystal fiber having relatively low light losses during the propagation of light in its core compared to conventional hollow fibers. There is another support arm of the sensor containing a reference gas cell through which the reference light beam passes. The registration system measures and compares both beams of light, i.e. this scheme has an external system for comparing fiber transmission conditions (in essence, this is an external interferometric scheme that uses reference and studied light beams). When filling the hollow core of the photonic crystal fiber with the gas under study or changing its concentration, the conditions for the passage of light in the core of the hollow fiber change, and the registration system records these changes.

Предметом настоящего патента являются сенсорные устройства и системы нового типа, основанные на полых световодах, включая МС-световоды. Принцип действия этих сенсоров основан на высокой чувствительности волноводных мод конечной оболочки планарных и цилиндрических полых волноводов к толщине структуры оболочки и к показателю преломления среды, заполняющей воздушные отверстия данной волноводной структуры. Разрабатываемые сенсорные устройства предназначены, во-первых, для регистрации тонких слоев молекул (включая биологические), иммобилизуемых на поверхности оболочки, а во-вторых, для регистрации малых изменения показателя преломления аналита, заполняющего воздушные отверстия волноводной структуры.The subject of this patent are sensor devices and systems of a new type based on hollow fibers, including MS fibers. The principle of operation of these sensors is based on the high sensitivity of the waveguide modes of the final sheath of planar and cylindrical hollow waveguides to the thickness of the sheath structure and to the refractive index of the medium filling the air holes of this waveguide structure. The developed sensor devices are designed, firstly, to record thin layers of molecules (including biological ones) immobilized on the surface of the shell, and secondly, to record small changes in the refractive index of the analyte filling the air holes of the waveguide structure.

Задачей изобретения является создание сенсорного устройства, основанного на полых оптических световодах.The objective of the invention is to provide a sensor device based on hollow optical fibers.

Сенсорное устройство на основе полых оптических световодов содержит источник света, оптический полый световод, систему регистрации, измеряющую изменение условий распространения света в световоде при наличии тестируемого аналита, отличающееся тем, что содержит антирезонансную интерферометрическую систему, непосредственно интегрированную в оболочку световода. Антирезонансная интерферометрическая система, интегрированная в оболочку световода, позволяет упростить сенсорное устройство за счет того, что не нужен внешний интерферометр, уменьшить размеры устройства.A sensor device based on hollow optical fibers contains a light source, an optical hollow fiber, a registration system that measures the change in the conditions of light propagation in the fiber in the presence of a test analyte, characterized in that it contains an antiresonance interferometric system directly integrated into the fiber cladding. The antiresonant interferometric system integrated into the cladding of the fiber makes it possible to simplify the sensor device due to the fact that an external interferometer is not needed and to reduce the size of the device.

Антирезонансная интерферометрическая система является интерферометром Фабри-Перо, образованным внутренней границей полого слоя световода, стеклянной оболочкой конечных размеров, сравнимых с длиной волны света, внешней оболочкой. Вариантом исполнения встроенной в оболочку световода интерферометрической системы является интерферометр Фабри-Перо.The antiresonant interferometric system is a Fabry-Perot interferometer formed by the internal boundary of a hollow fiber layer, a glass sheath of finite dimensions comparable to the wavelength of light, and an outer sheath. An embodiment of the interferometric system integrated into the optical fiber cladding is a Fabry-Perot interferometer.

Антирезонансная интерферометрическая система выполнена так, что при распространении света в системе образует узкие линии в спектре пропускания световода, образующиеся за счет антирезонансной многолучевой интерференции при взаимодействии волноводных мод полой сердцевины и стеклянной оболочки. Положение линии в спектре пропускания световода зависит от наличия аналита в полом световоде. Узкие линии в спектре пропускания световода позволяют повысить чувствительность регистрации малых изменений показателя преломления аналита и, следовательно, повысить чувствительность регистрации монослоев биомолекул (включая молекулы ДНК), иммобилизуемых на поверхности оболочки волновода.The antiresonant interferometric system is designed so that when light propagates in the system, it forms narrow lines in the transmission spectrum of the fiber, which are formed due to antiresonant multipath interference due to the interaction of the waveguide modes of the hollow core and the glass shell. The position of the line in the transmission spectrum of the fiber depends on the presence of analyte in the hollow fiber. The narrow lines in the transmission spectrum of the fiber allow increasing the detection sensitivity of small changes in the refractive index of the analyte and, therefore, increasing the detection sensitivity of monolayers of biomolecules (including DNA molecules) immobilized on the surface of the waveguide sheath.

Сенсорное устройство имеет планарную геометрию.The sensor device has planar geometry.

Сенсорное устройство имеет цилиндрическую геометрию. Вариантами исполнения сенсорного устройства являются планарная или цилиндрическая геометрия.The sensor device has a cylindrical geometry. Options for the execution of the sensor device are planar or cylindrical geometry.

Система регистрации выполнена так, чтобы детектировать изменения положения узких линий спектре пропускания световода, определяемых антирезонансной интерферометрической системой. Детектирование аналита осуществляют за счет измерения изменений положения линий в спектре пропускания полого световода, спектр которых определяется встроенным в оболочку интерферометром Фабри-Перо. Подобный интерферометр является чувствительным к малым изменениям в условиях распространения света, связанных с наличием исследуемого вещества на стенках либо внутри полой сердцевины. Другими словами, детектирование осуществляется за счет высокой чувствительности мод конечной оболочки полых волноводов к толщине кольцевой структуры оболочки и к показателю преломления среды, заполняющей воздушные отверстия волноводной структуры.The registration system is designed to detect changes in the position of narrow lines in the transmission spectrum of the fiber, determined by the antiresonant interferometric system. The analyte is detected by measuring changes in the position of lines in the transmission spectrum of a hollow fiber, the spectrum of which is determined by the Fabry-Perot interferometer integrated into the cladding. Such an interferometer is sensitive to small changes in the conditions of light propagation associated with the presence of the test substance on the walls or inside the hollow core. In other words, the detection is carried out due to the high sensitivity of the modes of the final cladding of hollow waveguides to the thickness of the annular structure of the cladding and to the refractive index of the medium filling the air holes of the waveguide structure.

Сенсорное устройство содержит хотя бы два оптических полых световода, интегрированных на платформе единого чипа. Это позволяет создавать сенсорное устройство для параллельного экспресс-мониторинга нескольких био(аналитов).The sensor device contains at least two optical hollow fibers integrated on a single chip platform. This allows you to create a sensor device for parallel rapid monitoring of several bio (analytes).

Техническим результатом разработки сенсорного устройства на основе оптических полых световодов является:The technical result of the development of a sensor device based on optical hollow optical fibers is:

- более высокая по сравнению с имеющимися аналогами чувствительность регистрации малых изменений показателей преломления аналита;- higher than the available analogues sensitivity of recording small changes in the refractive indices of the analyte;

- более высокая по сравнению с имеющимися аналогами чувствительность регистрации монослоев биомолекул (включая молекулы ДНК), иммобилизуемых на поверхности оболочки волновода;- higher in comparison with existing analogues sensitivity of registration of monolayers of biomolecules (including DNA molecules) immobilized on the surface of the waveguide sheath;

- отсутствие внешнего интерферометра, т.к. интерферометрическая система (типа интерферометра Фабри-Перо) интегрирована в волновод,- lack of an external interferometer, because an interferometric system (such as a Fabry-Perot interferometer) is integrated into the waveguide,

- возможность создания системы для параллельного экспресс-мониторинга нескольких (био)аналитов.- the possibility of creating a system for parallel rapid monitoring of several (bio) analytes.

Фиг.1 Схематическое изображение цилиндрического полого оптического сенсорного устройства с встроенным интерферометром Фабри-Перо.Figure 1 Schematic illustration of a cylindrical hollow optical sensor device with a built-in Fabry-Perot interferometer.

Фиг.2. Геометро-оптическая картина волноводного распространения излучения в полом волноводе: n1, nc1 - показатели преломления сердцевины и оболочки, θ1, θ2 - углы, который падающий и преломленный лучи образуют с нормалью к поверхности раздела сердцевины и оболочки, t - поперечный размер сердцевины,

Figure 00000001
- постоянная распространения волноводной моды, k0=2π/λ, λ - длина волны, волноводной мод, h - собственное значение волноводной моды падения и преломления.Figure 2. The geometrical-optical picture of the waveguide propagation of radiation in a hollow waveguide: n 1 , n c1 are the refractive indices of the core and the sheath, θ 1 , θ 2 are the angles that the incident and refracted rays form normal to the interface between the core and the sheath, t is the transverse dimension cores
Figure 00000001
is the propagation constant of the waveguide mode, k 0 = 2π / λ, λ is the wavelength, waveguide mode, and h is the eigenvalue of the waveguide mode of incidence and refraction.

Фиг.3. Спектр пропускания планарного (сплошная и пунктирная линии) и цилиндрического (штрихпунктирная линия) полого волновода с единственным антирезонансным слоем в оболочке. Показатель преломления оболочки волновода рассчитан с помощью формулы Селлмейера для плавленого кварца. Показатель преломления сердцевины n1=1. Поперечный размер сердцевины волновода t=10 мкм, толщина антирезонансного слоя d=0.5 мкм, длина волновода L=2 см.Figure 3. The transmission spectrum of the planar (solid and dashed lines) and cylindrical (dash-dotted lines) hollow waveguides with a single antiresonant layer in the cladding. The refractive index of the waveguide sheath was calculated using the Sellmeier formula for fused silica. The core refractive index n 1 = 1. The transverse dimension of the core of the waveguide is t = 10 μm, the thickness of the antiresonance layer is d = 0.5 μm, and the length of the waveguide is L = 2 cm.

Фиг.4. Спектры пропускания полого цилиндрического волновода, заполненного аналитом с показателем преломления n1=1.33 в отсутствие (1, 2) и при наличии (3, 4) слоя биомолекул толщиной 10 нм. Толщина оболочки волновода d=400 нм, показатель преломления оболочки n2=1.46. Поперечный размер сердцевины волновода t=15 мкм (1, 3), 100 мкм (2, 4).Figure 4. The transmission spectra of a hollow cylindrical waveguide filled with an analyte with a refractive index n 1 = 1.33 in the absence of (1, 2) and in the presence of (3, 4) a layer of biomolecules with a thickness of 10 nm. The thickness of the waveguide sheath d = 400 nm, the sheath refractive index n 2 = 1.46. The transverse size of the waveguide core is t = 15 μm (1, 3), 100 μm (2, 4).

Фиг.5. Спектры пропускания полого цилиндрического волновода, заполненного аналитом с показателем преломления n1=1.33 (сплошная линия) и n1=1.34. Толщина оболочки волновода d=400 нм, показатель преломления оболочки n2=1.46. Поперечный размер сердцевины волновода t=100 мкм.Figure 5. The transmission spectra of a hollow cylindrical waveguide filled with an analyte with a refractive index of n 1 = 1.33 (solid line) and n 1 = 1.34. The thickness of the waveguide sheath d = 400 nm, the sheath refractive index n 2 = 1.46. The transverse size of the core of the waveguide is t = 100 μm.

Фиг.6. Изображение поперечного сечения полого волокна с микроструктурированной оболочкой (а). Спектр пропускания волокна (б): сплошная линия - экспериментальные данные, штриховая линия - результат расчетов для t=20 мкм, d=1.4 мкм.6. Cross-sectional image of a hollow fiber with a microstructured sheath (a). Fiber transmission spectrum (b): solid line — experimental data, dashed line — calculation result for t = 20 μm, d = 1.4 μm.

Фиг.7. Изображение поперечного сечения волноводной структуры, состоящей из системы полых волноводов, позволяющей осуществить параллельное детектирование различных биохимических процессов в растворе на платформе единого чипа.7. A cross-sectional image of a waveguide structure consisting of a system of hollow waveguides, which allows parallel detection of various biochemical processes in a solution on a single chip platform.

Принцип действия сенсорного устройстваThe principle of operation of the touch device

Рассмотрим полый волновод общего вида, состоящий из сердцевины с показателем преломления n1 и однородной бесконечной оболочки с показателем преломления nc1. В рамках представлений геометрической оптики собственной моде волновода соответствует луч света, распространяющийся вдоль зигзагообразной траектории (фиг.2), точки излома которой соответствуют точкам частичного отражения луча от границы раздела между сердцевиной и оболочкой волновода. Затухание такой моды обусловлено неполным отражением излучения от границы раздела между сердцевиной и оболочкой. Коэффициент затухания α при этом может быть вычислен (A.Yariv, P.Yeh, Optical Waves in Crystals, New York, Wiley, 1984) по следующей формуле:Consider a hollow waveguide of a general form, consisting of a core with a refractive index n 1 and a uniform infinite sheath with a refractive index n c1 . In terms of representations of geometric optics, the eigenmode of the waveguide corresponds to a light beam propagating along a zigzag path (Fig. 2), the break points of which correspond to the points of partial reflection of the beam from the interface between the core and the waveguide sheath. The attenuation of this mode is due to incomplete reflection of radiation from the interface between the core and the shell. The attenuation coefficient α can be calculated (A. Yariv, P. Yeh, Optical Waves in Crystals, New York, Wiley, 1984) using the following formula:

Figure 00000002
Figure 00000002

где r - коэффициент отражения границы раздела,where r is the reflection coefficient of the interface,

Figure 00000003
Figure 00000003

- число точек излома зигзагообразной траектории светового луча на длине L, θ1 - угол, который световой луч образует с нормалью к поверхности раздела между сердцевиной и оболочкой (фиг.2).is the number of fracture points of the zigzag trajectory of the light beam along the length L, θ 1 is the angle that the light beam forms with a normal to the interface between the core and the shell (figure 2).

Для волноводной моды с постоянной распространения

Figure 00000004
, где k0=2π/λ, λ - длина волны, волноводной мод, h - собственное значение волноводной моды (фиг.2), имеемFor waveguide mode with propagation constant
Figure 00000004
where k 0 = 2π / λ, λ is the wavelength of the waveguide mode, h is the eigenvalue of the waveguide mode (Fig. 2), we have

Figure 00000005
Figure 00000005

Для планарного волновода с толщиной центрального слоя (сердцевины) tFor a planar waveguide with a thickness of the central layer (core) t

Figure 00000006
Figure 00000006

где m - целое число.where m is an integer.

Ввиду того что приемлемый уровень потерь в полом волноводе обеспечивается для собственных мод, соответствующих режиму скользящего падения на границу раздела между сердцевиной и оболочкой, полагаем h<<k0n1 и преобразуем выражение (2) к видуDue to the fact that an acceptable level of losses in the hollow waveguide is ensured for the eigenmodes corresponding to the mode of sliding incidence at the interface between the core and the cladding, we set h << k 0 n 1 and transform expression (2) to the form

Figure 00000007
Figure 00000007

Коэффициент отражения в выражении (1) определяется согласно формулам Френеля, которые при выполнении условия h<<k0n1 приводят к следующему соотношению:The reflection coefficient in the expression (1) is determined according to the Fresnel formulas, which, when the condition h << k 0 n 1 is satisfied, leads to the following relation:

Figure 00000008
Figure 00000008

где θ2 - угол, который преломленный луч образует с нормалью к поверхности раздела (фиг.2).where θ 2 is the angle that the refracted beam forms with a normal to the interface (figure 2).

Логарифмируя формулу (1) и используя соотношение ln(1+ξ)≈ξ, верное для малых ξ, получаемLogarithm of formula (1) and using the relation ln (1 + ξ) ≈ξ, which is true for small ξ, we obtain

Figure 00000009
Figure 00000009

Коэффициент затухания собственных мод цилиндрического полого волновода с диаметром t (фиг.1) может быть получен путем умножения выражения (7) на фактор (2u1/πm)2, где ul - предельное значение собственного значения собственной моды цилиндрического волновода (для основной моды l=0, J0(u0)=0).The attenuation coefficient of the eigenmodes of a cylindrical hollow waveguide with a diameter t (Fig. 1) can be obtained by multiplying expression (7) by the factor (2u 1 / πm) 2 , where u l is the limit value of the eigenvalue of the eigenmode of a cylindrical waveguide (for the main mode l = 0, J 0 (u 0 ) = 0).

Рассмотрим теперь волноводную структуру с полой сердцевиной с показателем преломления n1 и толщиной t и оболочкой, содержащей слой конечной толщины d с показателем преломления n2. Для простоты будем предполагать, что за пределами этого слоя показатель преломления оболочки близок показателю преломления сердцевины. Для расчета коэффициента отражения от границы раздела между сердцевиной и оболочкой в выражении (1) воспользуемся хорошо известным результатом для коэффициента отражения интерферометра Фабри-ПероWe now consider a waveguide structure with a hollow core with a refractive index n 1 and thickness t and a cladding containing a layer of finite thickness d with a refractive index n 2 . For simplicity, we assume that outside this layer the refractive index of the shell is close to the refractive index of the core. To calculate the reflection coefficient from the interface between the core and the shell in expression (1), we use the well-known result for the reflection coefficient of the Fabry-Perot interferometer

Figure 00000010
Figure 00000010

ЗдесьHere

Figure 00000011
Figure 00000011

Figure 00000012
Figure 00000012

где rF - коэффициент отражения, вычисляемый по формулам Френеля (6).where r F is the reflection coefficient calculated by the Fresnel formulas (6).

В режиме скользящего падения, θ1<<1, h<<β, выражения (9) и (10) принимают видIn the sliding falling mode, θ 1 << 1, h << β, expressions (9) and (10) take the form

Figure 00000013
Figure 00000013

Figure 00000014
Figure 00000014

Сплошной линией на фиг.3 представлен спектр пропускания T(λ)=exp(-αL) для основной собственной моды (m=1) планарного полого волновода рассматриваемого типа, рассчитанный с использованием формул (1), (5), (8)-(10). Показатель преломления оболочки волновода определялся по формуле Селлмейера для плавленого кварца. Другие параметры волновода выбирались следующим образом: n1=1, t=10 мкм, d=0.5 мкм, L=2 см.The solid line in Fig. 3 shows the transmission spectrum T (λ) = exp (-αL) for the fundamental eigenmode (m = 1) of a planar hollow waveguide of the type under consideration, calculated using formulas (1), (5), (8) - (10). The refractive index of the waveguide sheath was determined by the Sellmeyer formula for fused silica. Other parameters of the waveguide were selected as follows: n 1 = 1, t = 10 μm, d = 0.5 μm, L = 2 cm.

При выполнении равенстваWhen performing equality

Figure 00000015
Figure 00000015

где l - целое число, обеспечиваются условия резонансного возбуждения мод оболочки волновода, идентичных модам интерферометра Фабри-Перо. В этом режиме мода сердцевины оказывается резонансно связана с модами сердцевины и испытывает сильное затухание. При выполнении условия (13), таким образом, в спектре пропускания волновода наблюдается ярко выраженные минимумы (см. фиг.3).where l is an integer, the conditions for resonant excitation of the waveguide cladding modes are identical, which are identical to the modes of the Fabry-Perot interferometer. In this mode, the core mode is resonantly coupled to the core modes and experiences strong attenuation. When condition (13) is fulfilled, thus, pronounced minima are observed in the transmission spectrum of the waveguide (see Fig. 3).

При выполнении условияWhen the condition is met

Figure 00000016
Figure 00000016

где j - целое число, связь между модами сердцевины и оболочки оказывается минимальной. Моды интерферометра Фабри-Перо, образующего оболочку рассматриваемого волновода, при выполнении равенства (14) антирезонансны модам сердцевины. Пропускание волновода при этих условиях достигает максимума (фиг.3).where j is an integer, the connection between the modes of the core and the shell is minimal. The modes of the Fabry-Perot interferometer forming the cladding of the waveguide under consideration, when equality (14) is fulfilled, are antiresonant to the core modes. The transmission of the waveguide under these conditions reaches a maximum (figure 3).

Подстановка выражения (8) в формулу (1) при выполнении условия (14) с учетом выражений (6) и (10) приводит к следующему результату:Substitution of expression (8) into formula (1) when condition (14) is satisfied taking into account expressions (6) and (10) leads to the following result:

Figure 00000017
Figure 00000017

Как следует из выражения (15), коэффициент потерь полого волновода с антирезонансной оболочкой изменяется пропорционально третьей степени длины волны излучения и обратно пропорционально четвертой степени поперечного размера сердцевины. Коэффициент пропускания для такого волновода показан штрихпунктирной линией на фиг.3. Для высших волноводных мод, как следует из выражения (15), коэффициент затухания растет пропорционально третьей степени индекса волноводной моды m. Таким образом, антирезонансная оболочка волновода приводит к значительному (по порядку величины в λm/t раз) снижению потерь собственных мод волновода по сравнению с потерями полого волновода со сплошной бесконечной оболочкой. Благодаря зависимости

Figure 00000018
антирезонансная оболочка волновода обеспечивает также существенно более высокую, по сравнению с бесконечной оболочкой, эффективность подавления высших волноводных мод (ср. формулы (7) и (15)).As follows from expression (15), the loss coefficient of a hollow waveguide with an antiresonant sheath changes in proportion to the third degree of the radiation wavelength and inversely to the fourth degree of the transverse size of the core. The transmittance for such a waveguide is shown by a dash-dot line in FIG. For higher waveguide modes, as follows from expression (15), the damping coefficient increases in proportion to the third power of the index of the waveguide mode m. Thus, the antiresonant sheath of the waveguide leads to a significant (in the order of magnitude in λm / t times) decrease in the loss of the eigenmodes of the waveguide as compared with the loss of a hollow waveguide with a continuous infinite sheath. Thanks to addiction
Figure 00000018
the antiresonant cladding of the waveguide also provides a significantly higher, compared with the infinite cladding, suppression of higher waveguide modes (cf. formulas (7) and (15)).

Выражение для коэффициента затухания собственных мод цилиндрического полого волновода с диаметром t (фиг.1) может быть получено путем умножения коэффициента потерь для планарного полого волновода на фактор (2u1/πm)3, где u1 - предельное значение собственного значения собственной моды цилиндрического волновода. Рассчитанный спектр пропускания полого волновода, имеющего вид цилиндра с внутренним диаметром t=10 мкм и внешним диаметром 11 мкм, для n1=1 и L=2 см представлен штриховой линией на фиг.3.The expression for the attenuation coefficient of the eigenmodes of a cylindrical hollow waveguide with a diameter t (Fig. 1) can be obtained by multiplying the loss coefficient for a planar hollow waveguide by a factor (2u 1 / πm) 3 , where u 1 is the limit value of the eigenvalue of the eigenmode of the cylindrical waveguide . The calculated transmission spectrum of a hollow waveguide having the form of a cylinder with an inner diameter of t = 10 μm and an external diameter of 11 μm for n 1 = 1 and L = 2 cm is represented by a dashed line in Fig. 3.

Таким образом, сенсорное устройство совмещает две функции: (i) детектирования тонких слоев молекул (включая биологические) и атомов, осаждаемых на стенки полого волновода; (ii) детектирования малых изменений показателя преломления аналита, заполняющего полую сердцевину.Thus, the sensor device combines two functions: (i) detection of thin layers of molecules (including biological) and atoms deposited on the walls of a hollow waveguide; (ii) detecting small changes in the refractive index of the analyte filling the hollow core.

Принцип действия сенсора первого типа иллюстрируется на фиг.1, 4. Образование слоя биомолекул на поверхности кольцевой оболочки полого световода в результате биохимических процессов в растворе аналита, заполняющего воздушные отверстия волновода (см. фиг.1), приводит к сдвигу минимума в спектре пропускания волновода (фиг.5). При разработке сенсоров слоев биомолекул, содержащих ДНК, необходимо принимать во внимание, что прямая иммобилизация молекул ДНК на поверхности плавленого кварца оказывается невозможной из-за того, что поверхность кварца несет отрицательный заряд, а молекулы ДНК содержат отрицательно заряженные фосфатные группы. Для иммобилизации молекул ДНК часто используется поли-L-лизин (L.Rindorf, J.В.Jensen, M.Dufva, L.H.Pedersen, Р.Е.Høiby, and О.Bang, Opt. Express 14, 8224 (2006)), который содержит положительно заряженные аминогруппы, способствующие образованию молекулярному монослою на отрицательно зараженной поверхности кварца. Формирование такого слоя позволяет иммобилизовать молекулы ДНК на поверхности кварцевой оболочки волновода (фиг.1) с образованием слоя толщиной порядка 10 нм с показателем преломления (1.45-1.48), близким к показателю преломления кварца. Образование такого слоя в растворе, введенном в воздушные отверстия волноводной структуры, может быть зарегистрировано по спектральному сдвигу полос пропускания полого волновода с кольцевой оболочкой (фиг.4).The principle of operation of the sensor of the first type is illustrated in figures 1, 4. The formation of a layer of biomolecules on the surface of the annular sheath of a hollow fiber as a result of biochemical processes in a solution of analyte filling the air holes of the waveguide (see figure 1) leads to a shift of the minimum in the transmission spectrum of the waveguide (figure 5). When developing sensors for layers of biomolecules containing DNA, it must be taken into account that direct immobilization of DNA molecules on the surface of fused silica is impossible due to the fact that the surface of the quartz carries a negative charge, and DNA molecules contain negatively charged phosphate groups. Poly-L-lysine is often used to immobilize DNA molecules (L. Rindorf, J. B. Jensen, M. Dufva, LH Pedersen, P. E. Høiby, and O. Bang, Opt. Express 14, 8224 (2006)) , which contains positively charged amino groups that contribute to the formation of a molecular monolayer on the negatively infected surface of quartz. The formation of such a layer allows immobilizing DNA molecules on the surface of the quartz shell of the waveguide (Fig. 1) with the formation of a layer with a thickness of the order of 10 nm with a refractive index (1.45-1.48) close to the refractive index of quartz. The formation of such a layer in a solution introduced into the air holes of the waveguide structure can be detected by the spectral shift of the transmission bands of a hollow waveguide with an annular sheath (Fig. 4).

Ключевым параметром, определяющим чувствительность биохимического сенсора, основанного на регистрации сдвига минимума в спектре пропускания полого световода с антирезонансной оболочкой, является фактор F, задаваемый выражением (10). По своему физическому смыслу этот фактор определяет резкость интерференционной картины ньютоновых полос, формируемых модами Фабри-Перо кольцевой оболочки волновода. Для собственных мод полого цилиндрического волновода, соответствующих режиму скользящего падения на границу раздела между сердцевиной и оболочкой, θ1<<1, h<<β, фактор F вычисляется согласно формуле (12). Как следует из этого выражения, при большом отношении t/λ провалы в спектр пропускания полого волновода характеризуется наличием узких провалов, соответствующих резонансному возбуждению мод Фабри-Перо в кольцевой оболочке волновода. В таком режиме обеспечивается возможность регистрации сверхтонких слоев, формируемых на оболочке волновода в результате биохимических процессов.The key parameter determining the sensitivity of a biochemical sensor based on recording the minimum shift in the transmission spectrum of a hollow fiber with an antiresonant sheath is factor F, given by expression (10). In its physical sense, this factor determines the sharpness of the interference pattern of Newtonian bands formed by the Fabry-Perot modes of the annular waveguide sheath. For the eigenmodes of a hollow cylindrical waveguide corresponding to the regime of sliding incidence at the interface between the core and the cladding, θ 1 << 1, h << β, the factor F is calculated according to formula (12). As follows from this expression, for a large t / λ ratio, dips in the transmission spectrum of a hollow waveguide are characterized by the presence of narrow dips corresponding to resonant excitation of the Fabry-Perot modes in the annular shell of the waveguide. In this mode, it is possible to register ultrathin layers formed on the shell of the waveguide as a result of biochemical processes.

Предположим, что в результате иммобилизации ДНК на монослое поли-L-лизина на обеих поверхностях оболочки волновода образуется слой толщиной

Figure 00000019
(фиг.1) с показателем преломления, близким к показателю преломления оболочки. При этом можно считать, что толщина оболочки полого волновода увеличилась на
Figure 00000020
. В окрестности резонанса (13) с модами Фабри-Перо кольцевой оболочки, обеспечивающего минимум пропускания волновода, имеем δ/2=πl+ξ/2, где
Figure 00000021
- малый параметр, так что sin2(δ/2)≈ξ2/4. Минимальный сдвиг минимума в спектре пропускания волновода, который еще может быть зарегистрирован, определим равным спектральной ширине δλ минимума пропускания, которая может быть найдена в приближенном виде из соотношения Fsin2(δ/2)≈Fξ2/4=1.Suppose that as a result of DNA immobilization on a monolayer of poly-L-lysine, a layer is formed on both surfaces of the waveguide sheath
Figure 00000019
(figure 1) with a refractive index close to the refractive index of the shell. In this case, it can be assumed that the sheath thickness of the hollow waveguide increased by
Figure 00000020
. In the vicinity of resonance (13) with the Fabry-Perot modes of the annular shell, which ensures the minimum transmission of the waveguide, we have δ / 2 = πl + ξ / 2, where
Figure 00000021
- a small parameter, so that the sin 2 (δ / 2) ≈ξ 2/4. Minimum minimum shift in the transmission spectrum of the waveguide, which can still be registered, define equal spectral width δλ transmission minimum, which can be found in the approximate form of the ratio Fsin 2 (δ / 2) ≈Fξ 2/4 = 1.

Таким образом, приходим к следующему соотношению для минимальной регистрируемой толщины слоя биомолекул, формирующегося на поверхности оболочки волновода:

Figure 00000022
. Для полого волновода, заполненного аналитом с показателем преломления n1≈1.33 и имеющим оболочку с показателем преломления n2≈1.46 (фиг.1), минимальная регистрируемая толщина слоя иммобилизуемых биомолекул составляет
Figure 00000023
. При λ=0.5 мкм, t=100 мкм имеем
Figure 00000024
нм.Thus, we arrive at the following relation for the minimum detectable thickness of a layer of biomolecules formed on the surface of a waveguide sheath:
Figure 00000022
. For a hollow waveguide filled with analyte with a refractive index of n 1 ≈1.33 and having a shell with a refractive index of n 2 ≈1.46 (Fig. 1), the minimum recorded thickness of the layer of immobilized biomolecules is
Figure 00000023
. For λ = 0.5 μm, t = 100 μm, we have
Figure 00000024
nm

Для волновода с n1≈1.33, n2≈1.46 и толщиной невозмущенной оболочки d=400 нм минимум пропускания, соответствующий l=1, наблюдается на длине волны λ1≈480 нм (кривые 1 и 3 на фиг.4). Формирование слоя иммобилизованных ДНК молекул толщиной

Figure 00000025
нм на обеих поверхностях оболочки световода приводит к сдвигу минимума пропускания световода на
Figure 00000026
нм (фиг.5).For a waveguide with n 1 ≈1.33, n 2 ≈1.46 and an undisturbed cladding thickness d = 400 nm, a transmission minimum corresponding to l = 1 is observed at a wavelength of λ 1 ≈ 480 nm (curves 1 and 3 in Fig. 4). The formation of a layer of immobilized DNA molecules with a thickness
Figure 00000025
nm on both surfaces of the fiber sheath leads to a shift in the minimum transmittance of the fiber by
Figure 00000026
nm (figure 5).

Волноводный сенсор второго типа предназначен для регистрации малых изменений показателя преломления аналита, заполняющего воздушные отверстия волноводной структуры. Изменение показателя преломления аналита на малую величину δn приводит к сдвигу минимума в спектре пропускания полого волновода с кольцевой оболочкой (фиг.5). Величина этого сдвига Δλ может быть найдена путем дифференцирования выражения (13) по n1. Эта операция приводит к следующему результату:

Figure 00000027
. Для малого изменения показателя преломления аналита в окрестности резонанса (13) с модами Фабри-Перо кольцевой оболочки, обеспечивающего минимум пропускания волновода, имеем δ/2=πl+ζ/2, где
Figure 00000028
- малый параметр, так что sin2(δ/2)≈ζ2/4. Минимальное изменение показателя преломления, которые могут быть зарегистрированы с помощью такого сенсора, определяется параметром F и находится из уравнения Fsin2(δ/2)≈Fζ2/4=1. Решение этого уравнения с учетом выражения (12) приводит к следующему результату: |δn|≈λ2(2πn1dt)-1. Для n1=1.33, λ=0.5 мкм, d=0.4 мкм, t=100 мкм имеем |δn|≈7·10-4. Важно отметить, что, в отличие от многих интегральных антирезонансных волноводных сенсоров (F.Prieto, L.M.Lechuga, A.Calle, A.Llobera, and С.Dominguez, J. Lightwave Technol. 19, 75 (2001)), рассматриваемый тип сенсора не требует для измерений внешнего интерферометра, т.к. интерферометр Фабри-Перо по сути встроен в оболочку волновода, являющегося основой сенсорного устройства.The waveguide sensor of the second type is designed to detect small changes in the refractive index of the analyte filling the air holes of the waveguide structure. Changing the refractive index of the analyte by a small value of δn leads to a shift in the minimum in the transmission spectrum of a hollow waveguide with an annular sheath (Fig. 5). The magnitude of this shift Δλ can be found by differentiating expression (13) with respect to n 1 . This operation produces the following result:
Figure 00000027
. For a small change in the refractive index of the analyte in the vicinity of resonance (13) with the Fabry-Perot modes of the annular shell, which ensures the minimum transmission of the waveguide, we have δ / 2 = πl + ζ / 2, where
Figure 00000028
- a small parameter, so that the sin 2 (δ / 2) ≈ζ 2/4. The minimum refractive index change that can be detected by such a sensor, the parameter F is determined and stored from the equation Fsin 2 (δ / 2) ≈Fζ 2/4 = 1. The solution of this equation taking into account expression (12) leads to the following result: | δn | ≈λ 2 (2πn 1 dt) -1 . For n 1 = 1.33, λ = 0.5 μm, d = 0.4 μm, t = 100 μm, we have | δn | ≈7 · 10 -4 . It is important to note that, unlike many integrated antiresonant waveguide sensors (F. Prieto, LMLechuga, A. Calle, A. Llobera, and C. Dominguez, J. Lightwave Technol. 19, 75 (2001)), the considered type of sensor is not requires an external interferometer for measurements, as The Fabry-Perot interferometer is essentially integrated into the shell of the waveguide, which is the basis of the sensor device.

На фиг.6 (а) показано характерное изображения полого волновода с МС-оболочкой. Для волноводов этого класса наиболее важную роль играет ближайшая к сердцевине часть оболочки, имеющая форму кольца толщиной 1-2 мкм. Сплошной линией на фиг.6 (б) показан характерный спектр пропускания, измеренный для такой волноводной структуры. Отличительной чертой представленного спектра пропускания является наличием последовательности ярко выраженных максимумов и минимумов, положение которых с высокой точностью описывается в рамках представленной выше модели полого световода с кольцевой оболочкой (штриховая линия на фиг.6 (б)). Последовательность максимумов и минимумов в спектре пропускания волновода рассматриваемого типа соответствует ньютоновому ряду цветов тонкой пленки, роль которой в рассматриваемой волноводной структуре играет ограничивающее сердцевину стеклянное кольцо (фиг.6 (а)). На фиг.7 показана структура, интегрирующая полые волноводы различных диаметров и позволяющая, тем самым, осуществить параллельное детектирование различных биохимических процессов в растворе на платформе единого чипа.Figure 6 (a) shows a representative image of a hollow waveguide with an MS cladding. For waveguides of this class, the most important part is played by the part of the sheath closest to the core, which has the shape of a ring with a thickness of 1-2 microns. The solid line in Fig. 6 (b) shows the characteristic transmission spectrum measured for such a waveguide structure. A distinctive feature of the presented transmission spectrum is the presence of a sequence of pronounced maxima and minima, the position of which is described with high accuracy in the framework of the above model of a hollow fiber with an annular cladding (dashed line in Fig. 6 (b)). The sequence of maxima and minima in the transmission spectrum of the waveguide of the type in question corresponds to the Newtonian series of colors of a thin film, the role of which in the waveguide structure is played by the glass ring bounding the core (Fig. 6 (a)). Fig. 7 shows a structure that integrates hollow waveguides of various diameters and thereby allows parallel detection of various biochemical processes in a solution on a single chip platform.

Claims (5)

1. Сенсорное устройство на основе полых оптических световодов, содержащее источник света, оптический полый световод, антирезонансную интерферометрическую систему, непосредственно интегрированную в оболочку световода, систему регистрации, измеряющую изменение условий распространения света в световоде при наличии тестируемого аналита, отличающееся тем, что антирезонансая интерферометрическая система выполнена так, что при распространении света в системе образует узкие линии в спектре пропускания световода, образующиеся за счет антрезонансной многолучевой интерференции при взаимодействии волноводных мод полой сердцевины и стеклянной оболочки, система регистрации выполнена так, чтобы детектировать изменения положения узких линий в спектре пропускания световода, определяемых антирезонансной интерферометрической системой.1. A sensor device based on hollow optical fibers, containing a light source, an optical hollow fiber, an antiresonance interferometric system directly integrated into the sheath of the fiber, a recording system that measures the change in the propagation conditions of the light in the fiber with a test analyte, characterized in that the antiresonant interferometric system made so that when the light propagates in the system, it forms narrow lines in the transmission spectrum of the fiber, formed by resonant multipath interference in the interaction of the guided modes of a hollow core and a glass cladding, the registration system is configured to detect a change in the position of narrow lines in the spectrum of the optical fiber transmission defined antiresonant interferometer system. 2. Сенсорное устройство по п.1, отличающееся тем, антирезонансная интерферометрическая система является интерферометром Фабри-Перо, образованным внутренней границей полого слоя световода, стеклянной оболочкой конечных размеров, сравнимых с длиной волны света, внешней границей стеклянной оболочки.2. The sensor device according to claim 1, characterized in that the antiresonant interferometric system is a Fabry-Perot interferometer formed by the inner boundary of the hollow fiber layer, a glass sheath of finite dimensions comparable to the wavelength of light, the outer boundary of the glass sheath. 3. Сенсорное устройство по п.2, отличающееся тем, что сенсорное устройство имеет планарную геометрию.3. The sensor device according to claim 2, characterized in that the sensor device has planar geometry. 4. Сенсорное устройство по п.2, отличающееся тем, что сенсорное устройство имеет цилиндрическую геометрию.4. The sensor device according to claim 2, characterized in that the sensor device has a cylindrical geometry. 5. Сенсорное устройство по п.1, отличающееся тем, что содержит хотя бы два оптических полых световода. 5. The sensor device according to claim 1, characterized in that it contains at least two optical hollow fibers.
RU2010123805/28A 2010-06-11 2010-06-11 Sensor based on planar and cylindrical hollow light guides with integrated interferometric system RU2432568C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2010123805/28A RU2432568C1 (en) 2010-06-11 2010-06-11 Sensor based on planar and cylindrical hollow light guides with integrated interferometric system

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2010123805/28A RU2432568C1 (en) 2010-06-11 2010-06-11 Sensor based on planar and cylindrical hollow light guides with integrated interferometric system

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2432568C1 true RU2432568C1 (en) 2011-10-27

Family

ID=44998167

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2010123805/28A RU2432568C1 (en) 2010-06-11 2010-06-11 Sensor based on planar and cylindrical hollow light guides with integrated interferometric system

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2432568C1 (en)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2531127C2 (en) * 2013-01-10 2014-10-20 Открытое Акционерное Общество "АлМет" Photonic crystal waveguide for selective transmission of optical radiation
RU2568938C1 (en) * 2014-08-07 2015-11-20 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт информатики и проблем регионального управления Кабардино-Балкарского научного центра РАН Molecular gases detection and identification device
CN110726374A (en) * 2019-09-17 2020-01-24 天津大学 Optical fiber Fabry-Perot strain sensor based on single-mode optical fiber, manufacturing method and measuring method

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2531127C2 (en) * 2013-01-10 2014-10-20 Открытое Акционерное Общество "АлМет" Photonic crystal waveguide for selective transmission of optical radiation
RU2568938C1 (en) * 2014-08-07 2015-11-20 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт информатики и проблем регионального управления Кабардино-Балкарского научного центра РАН Molecular gases detection and identification device
CN110726374A (en) * 2019-09-17 2020-01-24 天津大学 Optical fiber Fabry-Perot strain sensor based on single-mode optical fiber, manufacturing method and measuring method
CN110726374B (en) * 2019-09-17 2021-12-07 天津大学 Optical fiber Fabry-Perot strain sensor based on single-mode optical fiber, manufacturing method and measuring method

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Urrutia et al. A comprehensive review of optical fiber refractometers: Toward a standard comparative criterion
US8920729B2 (en) Porous membrane waveguide sensors and sensing systems therefrom for detecting biological or chemical targets
Caucheteur et al. Mode-division and spatial-division optical fiber sensors
US8215834B2 (en) Optical fiber based polymer core sensor
Passaro et al. Photonic resonant microcavities for chemical and biochemical sensing
EP0507883A4 (en) Thin-film spectroscopic sensor
JPH08510831A (en) Method and apparatus for measuring refractive index
Bing et al. A surface-plasmon-resonance sensor based on photonic-crystal-fiber with large size microfluidic channels
Zhang et al. Fiber Loop Ring-Down Refractive Index Sensor Based on High-$ Q $ Photonic Crystal Cavity
CN109655434B (en) Optical fiber LMR sensor for multi-parameter measurement
Zheng et al. Nanofilm-coated photonic crystal fiber long-period gratings with modal transition for high chemical sensitivity and selectivity
Ahmed et al. Highly sensitive U-shaped micro-channel photonic crystal fiber–based plasmonic biosensor
Balaa et al. Experimental realization and numerical simulation of wavelength-modulated fibre optic sensor based on surface plasmon resonance
WO2006038367A1 (en) Substance adsorption detecting method and sensor
RU2432568C1 (en) Sensor based on planar and cylindrical hollow light guides with integrated interferometric system
Chopra et al. Tuning the sensitivity of a fiber-optic plasmonic sensor: An interplay among gold thickness, tapering ratio and surface roughness
Wu et al. Less-mode optic fiber evanescent wave absorbing sensor: Parameter design for high sensitivity liquid detection
Bekmurzayeva et al. Fabrication and interrogation of refractive index biosensors based on etched fiber Bragg grating (EFBG)
Abbas et al. Fabricate a highly sensitive surface plasmon resonance optical fiber sensor based on a D-shape fiber coated with gold (Au) nano-layer
JP3702340B2 (en) Refractive index measurement method
Sun et al. Analysis of hollow-core photonic bandgap fibers for evanescent wave biosensing
Talukdar Porous Silicon Photonics at Unity Confinement Factors for Surface Adlayer Biosensing
Igarashi et al. A compact-size and ultrasensitive optical biosensor using a double-spiral microresonator
Zhang et al. Air-silica core microstructured optical fiber-based SPR sensor for temperature and refractive index measurement
Sakib et al. Designing and characterizing a multi-core pcf spr biosensor

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20120612

NF4A Reinstatement of patent

Effective date: 20150727

QA4A Patent open for licensing

Effective date: 20200317