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Título: Análise numérica de nanoestruturas de ouro na sensibilidade de redes de Bragg corroídas
Título(s) alternativo(s): Numerical analysis of gold nanostructures in the sensitivity of etched fiber Bragg gratings
Autor(es): Scheiner, Denys de Souza
Orientador(es): Kamikawachi, Ricardo Canute
Palavras-chave: Fibras ópticas
Redes de Bragg
Nanoestruturas
Ouro
Refração
Campos elétricos
Simulação (Computadores)
Optical fibers
Bragg gratings
Nanostructures
Gold
Refraction
Electric fields
Computer simulation
Data do documento: 1-Dez-2025
Editor: Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Câmpus: Curitiba
Citação: SCHEINER, Denys de Souza. Análise numérica de nanoestruturas de ouro na sensibilidade de redes de Bragg corroídas. 2025. Tese (Doutorado em Engenharia Elétrica e Informática Industrial) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, 2025.
Resumo: O presente trabalho apresenta sensores baseados em redes de Bragg corroídas (EFBG) funcionalizados com nanoestruturas de ouro (AuNEs) e expostas a meios externos com índice de refração de 1,00 a 1,44. Através da utilização do software COMSOL Multiphysics® foram avaliadas diferentes configurações de AuNEs sobre o núcleo da fibra, considerando os diferentes tamanhos e distâncias entre as AuNEs. Resultados qualitativos e quantitativos foram obtidos em função do índice de refração efetivo, comprimento de onda de Bragg, sensibilidade do sensor, perda de confinamento, perfil de guiamento da fibra, intensidade do campo elétrico no sensor, diâmetro do campo modal e outros. Para uma fibra sem revestimento de AuNEs, qualitativamente se observou que o diâmetro modal aumenta com o aumento do índice de refração externo, o que por sua vez, intensifica o campo evanescente, levando ao aumento da sensibilidade do dispositivo ao índice de refração externo. Para fibras revestidas com AuNEs, foi possível observar uma redução da intensidade do campo elétrico no núcleo em função do índice de refração externo, a qual está relacionada ao fenômeno da perda de confinamento e ao aumento da intensidade do campo elétrico entre as AuNEs. Sendo que existe uma correlação entre a diminuição da intensidade do campo no núcleo e o aumento da intensidade do campo entre as nanoestruturas. Por fim, foram apresentados resultados laboratoriais para comparar com as simulações computacionais com destaque à análise da atenuação e da sensibilidade de EFBGs funcionalizadas com nanopartículas de ouro (AuNPs), em função do índice de refração externo e da separação entre as mesmas. Apresentado um modelo para prever uma distância crítica de separação na qual ocorre atenuação total para todos os índices de refração externos, além de um aumento máximo de sensibilidade nessa condição. Verificou-se que essas distâncias críticas de separação possuem a mesma ordem de grandeza do diâmetro das AuNPs, embora não necessariamente o mesmo valor. O modelo foi experimentalmente verificado em três EFBGs com diferentes distâncias médias de separação entre AuNPs. Apesar das inevitáveis diferenças entre o modelo e as condições experimentais, os perfis de atenuação e sensibilidade apresentaram a mesma tendência, tanto nos resultados simulados quanto nos experimentais. Isso indica que os parâmetros livres do modelo permitem a descrição de condições mais complexas do que aquelas consideradas nas simulações. Portanto, os modelos empíricos propostos neste trabalho descrevem adequadamente a atenuação e a sensibilidade em função da distância de separação entre as AuNPs. Finalmente, esses modelos podem ser úteis para a otimização de EFBGs funcionalizadas com nanopartículas.
Abstract: This work presents sensors based on etched fiber Bragg gratings (EFBGs) functionalized with gold nanostructures (AuNEs) and exposed to external media with refractive indices ranging from 1.00 to 1.44. Using COMSOL Multiphysics®, different configurations of AuNEs on the fiber core were evaluated, considering varying sizes and distances between them. Qualitative and quantitative results were obtained as a function of the effective refractive index, Bragg wavelength, sensor sensitivity, confinement loss, fiber guiding profile, electric field intensity in the sensor, modal field diameter, and other parameters. For a fiber without AuNEs coating, it was qualitatively observed that the modal diameter increases with the external refractive index, which in turn enhances the evanescent field, leading to increased sensor sensitivity to the external refractive index. When coated with AuNEs, a reduction of the electric field intensity in the core was also observed as the external refractive index increased, associated with the confinement loss phenomenon and the increased electric field intensity between the AuNEs. There is a clear correlation between the decrease in core electric field intensity and the increase of the electric field intensity between the nanostructures. Finally, laboratory results were presented to compare with computational simulations, highlighting the analysis of attenuation and sensitivity of EFBGs functionalized with gold nanoparticles (AuNPs) as a function of the external refractive index and AuNPs separation. A model was presented to predict a critical separation distance at which full attenuation occurs for all external refractive indices, along with a maximum sensitivity at this condition. These critical separation distances were found to be of the same order of magnitude as the AuNPs diameter, although not necessarily the same value. The model was experimentally verified in three EFBGs with different average AuNP separation distances. Despite inevitable differences between the model and experimental conditions, the attenuation and sensitivity profiles showed the same trends in both simulated and experimental results. This indicates that the model’s free parameters allow for the description of more complex conditions than those considered in the simulations. Therefore, the empirical models proposed in this work adequately describe attenuation and sensitivity as a function of the AuNP separation distance. Finally, these models may be useful for optimizing EFBGs functionalized with nanoparticles.
URI: http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/39142
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