Tilted fiber Bragg gratings and their sensing applications

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

The review covers current achievements and prospects for the development of fiber sensorics associated with tilted fiber Bragg gratings (TFBGs), including metal-coated (plasmonic) sensors. The physical nature of the excitation of the cladding modes in such structures is discussed, and the main properties of TFBGs are considered. Special attention is devoted to sensing applications of TFBGs, including data processing methods for TFBG sensing systems. The process of fabricating tilted fiber Bragg gratings is described, as is the method of thin metal film deposition onto the side surface of the fiber.

About the authors

Oleg Vladislavovich Butov

Kotel'nikov Institute of Radio Engineering and Electronics, Russian Academy of Sciences

Email: obutov@mail.ru
Doctor of physico-mathematical sciences

Kirill Aleksandrovich Tomyshev

Kotel'nikov Institute of Radio Engineering and Electronics, Russian Academy of Sciences

Email: scatterdice@gmail.com
Candidate of physico-mathematical sciences, Head Scientist Researcher

Igor Aleksandrovich Nechepurenko

Kotel'nikov Institute of Radio Engineering and Electronics, Russian Academy of Sciences; All-Russia Research Institute of Automatics named after N L Dukhov

Email: i-nechepurenko@mail.ru
Candidate of physico-mathematical sciences

Aleksandr Viktorovich Dorofeenko

Kotel'nikov Institute of Radio Engineering and Electronics, Russian Academy of Sciences; All-Russia Research Institute of Automatics named after N L Dukhov; Institute for Theoretical and Applied Electromagnetics, Russian Academy of Sciences

Email: adorofeenko@itae.ru
ORCID iD: 0000-0003-1796-6007
Scopus Author ID: 9239835200
Candidate of physico-mathematical sciences, no status

Sergei Apollonovich Nikitov

Kotel'nikov Institute of Radio Engineering and Electronics, Russian Academy of Sciences; Moscow Institute of Physics and Technology (National Research University); Saratov State University

Email: nikitov@cplire.ru
ORCID iD: 0000-0002-2413-7218
Scopus Author ID: 7004556902
ResearcherId: P-8206-2014
Doctor of physico-mathematical sciences, Professor

References

  1. Kapron F. P., Keck D. B., Maurer R. D., Appl. Phys. Lett., 17 (1970), 423
  2. Гуляев Ю. и др., Фотон-экспресс, 2005, № 6, 114
  3. Желтиков А. М., УФН, 170 (2000), 1203
  4. Желтиков А. М., УФН, 177 (2007), 737
  5. Дианов Е. М., Крюков П. Г., Квантовая электроника, 31 (2001), 877
  6. Волошин В. В. и др., Радиотехника и электроника, 54 (2009), 890
  7. Попов С. М. и др., Квантовая электроника, 49 (2019), 1127
  8. Butov O. V., Dianov E. M., Golant K. M., Meas. Sci. Technol., 17 (2006), 975
  9. Ramakrishnan M. et al., Sensors, 16 (2016), 99
  10. Ye X. W., Su Y. H., Han J. P., Sci. World J., 2014 (2014), 652329
  11. Yatseev V. A., Zotov A. M., Butov O. V., Results Phys., 19 (2020), 103485
  12. Tomyshev K. A. et al., Proc. SPIE, 10323 (2017), 103235K
  13. Дианов Е. М., УФН, 174 (2004), 1139
  14. Kashyap R., Fiber Bragg Gratings, Academic Press, Burlington, MA, 2010
  15. Wikszak E. et al., Opt. Lett., 31 (2006), 2390
  16. Баган В. А., Никитов С. А., Чаморовский Ю. К., Успехи современной радиоэлектроники, 2010, № 5, 65
  17. Smirnov A. M. et al., ACS Photon., 5 (2018), 5038
  18. Butov O. V. et al., J. Opt. Soc. Am. B, 34 (2017), A43
  19. Rybaltovsky A. A. et al., Results Phys., 16 (2020), 102832
  20. Smirnov A. M., Butov O. V., Opt. Lett., 46 (2021), 86
  21. Nechepurenko I. A., Dorofeenko A. V., Butov O. V., Opt. Express, 29 (2021), 13657
  22. Popov S. M. et al., Results Phys., 9 (2018), 806
  23. Hill K. O. et al., Appl. Phys. Lett., 32 (1978), 647
  24. Bragg W. L., Scientia, 23 (1929), 153
  25. Meltz G., Morey W. W., Glenn W. H., Opt. Lett., 14 (1989), 823
  26. Othonos A., Rev. Sci. Instrum., 68 (1997), 4309
  27. Васильев С. А. и др., Квантовая электроника, 35 (2005), 1085
  28. Hill K. O., Meltz G., J. Lightwave Technol., 15 (1997), 1263
  29. Butov O. V. et al., Журн. прикладной спектроскопии, 83:6–16 (2016), 661
  30. Krohn D. A., MacDougall T., Mendez A., Fiber Optic Sensors: Fundamentals and Applications, SPIE Press, Bellingham, WA, 2014
  31. Butov O. V. et al., Sensors, 19 (2019), 4228
  32. Butov O. et al., Optical Fiber Sensors. Proc. TuB6 Optical Society of America, 2006
  33. Butov O. V. et al., Proc. SPIE, 9157 (2014), 91570X
  34. Rao Y.-J., Opt. Lasers Eng., 31 (1999), 297
  35. Moyo P. et al., Eng. Struct., 27 (2005), 1828
  36. Qiao X. et al., Sensors, 17 (2017), 429
  37. Kinet D. et al., Sensors, 14 (2014), 7394
  38. Иванов О. В., Никитов С. А., Гуляев Ю. В., УФН, 176 (2006), 175
  39. Meltz G., Morey W., Glenn W., Optical Fiber Communication Conf. Proc. TUG1 Optical Society of America, 1990
  40. Kashyap R., Wyatt R., Campbell R., Electron. Lett., 29 (1993), 154
  41. Erdogan T., Sipe J. E., J. Opt. Soc. Am. A, 13 (1996), 296
  42. Liu Y., Zhang L., Bennion I., Meas. Sci. Technol., 10 (1999), L1
  43. Lee K. S., Erdogan T., Appl. Opt., 39 (2000), 1394
  44. Li Y., Froggatt M., Erdogan T., J. Lightwave Technol., 19 (2001), 1580
  45. Westbrook P., Strasser T., Erdogan T., IEEE Photon. Technol. Lett., 12 (2000), 1352
  46. Zhou K. et al., Opt. Lett., 30 (2005), 1285
  47. Mihailov S. et al., Electron. Lett., 37 (2001), 284
  48. Albert J., Shao L. Y., Caucheteur C., Laser Photon. Rev., 7 (2013), 83
  49. Caucheteur C., Guo T., Albert J., Analyt. Bioanalyt. Chem., 407 (2015), 3883
  50. Caucheteur C. et al., Opt. Express, 19 (2011), 1656
  51. Dong X. et al., Photon. Sensors, 1 (2011), 6
  52. Chiu Y.-D., Wu C.-W., Chiang C.-C., Sensors, 17 (2017), 2129
  53. Tomyshev K. A. et al., Phys. Status Solidi A, 216 (2019), 1800541
  54. Dolzhenko E. I., Tomyshev K., Butov O. V., Proc. SPIE, 11772 (2021), 117720S
  55. Chan C.-F. et al., Appl. Opt., 46 (2007), 1142
  56. Laffont G., Ferdinand P., Meas. Sci. Technol., 12 (2001), 765
  57. Guo T. et al., Opt. Express, 17 (2009), 5736
  58. Miao Y-p, Liu B., Opt. Fiber Technol., 15 (2009), 233
  59. Cai Z. et al., Opt. Express, 23 (2015), 20971
  60. Zheng J. et al., Opt. Commun., 312 (2014), 106
  61. Caucheteur C. et al., Proc. SPIE, 5855 (2005), 451
  62. Giles C., J. Lightwave Technol., 15 (1997), 1391
  63. Yariv A., Yeh P., Optical Waves in Crystals, Wiley, New York, 1984
  64. Butov O. V. et al., Opt. Commun., 213 (2002), 301
  65. Hale G. M., Querry M. R., Appl. Opt., 12 (1973), 555
  66. Sypabekova M. et al., Biosensors Bioelectron., 146 (2019), 111765
  67. Miao Y. et al., IEEE Photon. Technol. Lett., 21 (2009), 441
  68. Dolzhenko E. I., Tomyshev K., Butov O. V., Phys. Status Solidi RRL, 14 (2020), 2000435
  69. Aldaba A. L. et al., Sensors Actuators B, 254 (2018), 1087
  70. Maier S. A., Plasmonics: Fundamentals and Applications, Springer, New York, 2007
  71. Brongersma M. L., Kik P. G., Surface Plasmon Nanophotonics, Springer, New York, 2007
  72. Sarid D., Challener W. A., Modern Introduction to Surface Plasmons: Theory, Mathematica Modeling and Applications, Cambridge Univ. Press, Cambridge, 2010
  73. Астапенко В. А., Электромагнитные процессы в среде, наноплазмоника и метаматериалы, ИД Интеллект, Долгопрудный, 2012
  74. Kretschmann E., Raether H., Z. Naturforschung A, 23 (1968), 2135
  75. Agranovich V. M., Mills D. L., Surface Polaritons: Electromagnetic Waves at Surfaces and Interfaces, North-Holland, Amsterdam, 1982
  76. Raether H., Surface Plasmons on Smooth and Rough Surfaces and on Gratings, Springer, Berlin, 1988
  77. Shalaev V. M., Kawata S. (Eds.), Nanophotonics with Surface Plasmons, Advances in Nano-Optics and Nano-Photonics, 2, Elsevier, Amsterdam, 2007
  78. Vinogradov A. P. et al., Phys. Rev. B, 97 (2018), 235407
  79. Homola J., Yee S. S., Gauglitz G., Sensors Actuators B, 54 (1999), 3
  80. Homola J., Piliarik M., Surface Plasmon Resonance Based Sensors, Ed. J. Homola, Springer, Berlin, 2006, 45
  81. Rich R. L., Myszka D. G., J. Mol. Recognition, 18 (2005), 431
  82. Naimushin A. N. et al., Biosensors Bioelectron., 17 (2002), 573
  83. Нечепуренко И. А. и др., Журн. радиоэлектроники, 2015, № 4, 1
  84. Lin H.-Y. et al., Sensors Actuators A, 138 (2007), 299
  85. Gentleman D. J., Booksh K. S., Talanta, 68 (2006), 504
  86. Dwivedi Y. S., Sharma A. K., Gupta B. D., Plasmonics, 3 (2008), 79
  87. Lin H.-Y. et al., Opt. Express, 20 (2012), 21693
  88. Navarrete M.-C. et al., Sensors Actuators B Chemical, 190 (2014), 881
  89. Verma R. K., Sharma A. K., Gupta B. D., Opt. Commun., 281 (2008), 1486
  90. Iga M., Seki A., Watanabe K., Sensors Actuators B, 101 (2004), 368
  91. Takagi K. et al., Sensors Actuators A, 161 (2010), 1
  92. Lin Y. et al., Sensors, 10 (2010), 9397
  93. Nguyen H. et al., Appl. Phys. Lett., 103 (2013), 193116
  94. Consales M. et al., ACS Nano, 6 (2012), 3163
  95. Jeong H.-H. et al., Opt. Eng., 50 (2011), 124405
  96. Sai V. V. R., Kundu T., Mukherji S., Biosensors Bioelectron., 24 (2009), 2804
  97. Han L. et al., J. Lightwave Technol., 35 (2017), 3360
  98. Marquez-Cruz V., Albert J., J. Lightwave Technol., 33 (2015), 3363
  99. Baiad M. D. et al., Opt. Lett., 38 (2013), 4911
  100. Feng D. et al., Opt. Express, 24 (2016), 16456
  101. Shao L.-Y., Shevchenko Y., Albert J., Opt. Express, 18 (2010), 11464
  102. Shevchenko Y. Y., Albert J., Opt. Lett., 32 (2007), 211
  103. Caucheteur C., Voisin V., Albert J., Opt. Express, 21 (2013), 3055
  104. Voisin V. et al., Appl. Opt., 50 (2011), 4257
  105. Tomyshev K. A. et al., J. Appl. Phys., 124 (2018), 113106
  106. Manuylovich E., Tomyshev K., Butov O. V., Sensors, 19 (2019), 4245
  107. Tomyshev K., Tazhetdinova D., Butov O., 2017 Progress in Electromagnetics Research Symp.-Spring (PIERS)
  108. Ortega-Gomez A. et al., Opt. Express, 29 (2021), 18469
  109. Albert J. et al., Methods, 63 (2013), 239
  110. Guo T. et al., Biosensors Bioelectron., 78 (2016), 221
  111. Snyder A. W., J. Opt. Soc. Am., 62 (1972), 1267
  112. Bialiayeu A., Doctoral Thesis, GRIN Verlag, München, 2015
  113. Chen C.-L., Foundations for Guided-Wave Optics, Wiley-Interscience, Hoboken, NJ, 2007
  114. Patrick H., Gilbert S. L., Opt. Lett., 18 (1993), 1484
  115. Askins C. G. et al., Opt. Lett., 19 (1994), 147
  116. Hill K. O. et al., Appl. Phys. Lett., 62 (1993), 1035
  117. Lemaire P. J. et al., Electron. Lett., 29 (1993), 1191
  118. Pham X. et al., J. Appl. Phys., 123 (2018), 174501
  119. Zhou W., Zhou Y., Albert J., Laser Photon. Rev., 11 (2017), 1600157
  120. Tomyshev K. et al., Sensors Actuators A, 308 (2020), 112016
  121. Yuan Y. et al., Analyt. Chem., 88 (2016), 7609
  122. Ribaut C. et al., Biosensors Bioelectron., 77 (2016), 315
  123. Ribaut C. et al., Biosensors Bioelectron., 92 (2017), 449
  124. Shevchenko Y. et al., Opt. Lett., 35 (2010), 637
  125. Udos W. et al., Optik, 219 (2020), 164970
  126. Cao Y. et al., Appl. Spectrom. Rev., 50 (2015), 499
  127. Riboh J. C. et al., J. Phys. Chem. B, 107 (2003), 1772
  128. Lobry M. et al., Biomed. Opt. Express, 11 (2020), 4862
  129. Leitão C. et al., IEEE Sensors J., 21 (2020), 3028
  130. Ricciardi A. et al., Analyst, 140 (2015), 8068
  131. Kornienko V. V. et al., IEEE Sensors J., 20 (2020), 6954
  132. Chubchev E. D. et al., J. Lightwave Technol., 40 (2022), 3046

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».