کارآیی یک ساختار تلفیقی از بلور فوتونی- میکرودیسک در طراحی یک حس‌گر کاربردی نانوذرات

حمیدی, رقیه; دارائی, احمدرضا; محسنی‌فرد, عاطفه

doi:10.22055/jrmbs.2020.15612

کارآیی یک ساختار تلفیقی از بلور فوتونی- میکرودیسک در طراحی یک حس‌گر کاربردی نانوذرات

نوع مقاله : مقاله پژوهشی کامل

نویسندگان

گروه فیزیک، دانشکده علوم، دانشگاه سیستان و بلوچستان، زاهدان، ایران

10.22055/jrmbs.2020.15612

چکیده

در این مقاله، با تلفیق ساختار یک مشدد نوری میکرودیسک و یک بلور فوتونی به فرم یک آرایه از حفره‌های مکعبی هوا بر مسیری دایروی در نزدیکی پیرامون آن، به طراحی و شبیه‌سازی یک نانوحس‌گر کاربردی برای نانوذرات پرداخته می‌شود. سرانجام طراحی شیارهایی با عمقی به اندازه کسری از ضخامت دیسک که حفره‌های مکعبی هوا را در همان مسیر دایروی متصل می‌سازد، به تولید شرایط ویژه برای ساخت وسیله حس‌گری نانوذرات کمک می‌نماید. در این ساختار ترکیبی، محبوس‌سازی مدهای نوری برای حس‌گری، در حجم مدی کوچک و با فاکتور کیفیت بسیار زیاد، مهیا گردیده است. نتایج حجم مدی به میزان 0.075(λ/n)3 در ناحیه یک نانوشیار مرکزی برای مدهای با فاکتور کیفیت بزرگ‌تر از ده میلیون، قابل حصول با استفاده از شبیه‌سازی با روش المان محدود، گزارش می‌گردد. خصوصیات حس‌گری ساختار با استفاده از تغییر طول‌موج مدها برای هندسه‌های مختلف دیسک، آرایه بلور فوتونی و مقادیر ابعاد شیارهای متصله مورد آنالیز قرار گرفته و دسترسی به حساسیت قابل قبولی به میزان 109 nm/RIU (نانومتر بر واحد ضریب شکست)، مقدور است.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Performance of an Integrated Structure of Photonic Crystal-Microdisk in a Functional Nano-Particles Sensor

نویسندگان [English]

S. Roghaye Hamidi
Ahmadreza Daraei
Atefeh Mohsenifard

Department of Physics, Faculty of Science, University of Sistan and Baluchestan, Zahedan, Iran.

چکیده [English]

In this paper, the design and simulation of a functional nano-particles nano-sensor is presented by combining the structure of an optical microdisk resonator and photonic crystal in the form of an array of cubic air-holes along the circular path near microdisk’s periphery. Finally, the design of slots with a depth of about a fraction of the thickness of the disk, which links the neighboring air-holes in the same circular path, helps to create special conditions for making the nano-particles sensor device. In this combined structure, small modal volume with very high quality factor modes is provided to confine optical modes for sensing. We report values as 0.075(λ/n)3 for the modal volume in the centralized slot area for modes with a quality factor larger than 10 million, using finite element method simulation. Sensing properties of the structure are analyzed using variation of wavelength of the modes for different disk geometries, photonic crystal array, and the dimensions of the linked slots, and access to an acceptable sensitivity 109 nm/RIU (nm/refractive index unit) is possible.

کلیدواژه‌ها [English]

Nano-Particle
Nano-Structure
Nano-Sensor
Photonic Microdisk
Tapered Cavity
Groove/Slot

مراجع

[1] J.M. Liu, Principles of Photonics, Cambridge University Press, (2016).

[2] I.A. Sukhoivanov, I.V. Guryev, Photonic crystals: Physics and practical modeling, Springer-Verlag Berlin Heidelberg 152 (2009).

[3] K. Vahala, Optical Microcavities, Advanced Series in Applied Physics 5, World Scientific Pub. Co. Pte. Ltd. (2004).

[4] E. Yablonovitch, Photonic band-gap crystals, Journal of Physics: Condensed Matter516 (1993) 2443. https://doi.org/10.1088/0953-8984/5/16/004.

[5] J.B. Pendry, Calculating photonic band structure, Journal of Physics: Condensed Matter 8 9 (1996) 1085. https://doi.org/10.1088/0953-8984/8/9/003.

[6] E. Yablonovitch, T.J. Gmitter, K.M. Leung, Photonic band structure: The face-centered-cubic case employing nonspherical atoms, Physical Review Letter 67 17 (1991) 2295. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.67.2295.

[7] T.F. Krauss, M. Richard, S. Brand, Two-dimensional photonic-bandgap structures operating at near-infrared wavelengths, Nature 383 6602 (1996) 699. https://doi.org/10.1038/383699a0.

[8] C.M. Soukoulis, The history and a review of the modelling and fabrication of photonic crystals, Nanotechnology 13 3 (2002) 420.

[9] D. Sanvitto, A. Daraei, A. Tahraoui, M. Hopkinson, P.W. Fry, D.M. Whittaker, M.S. Skolnick, Observation of ultrahigh quality factor in a semiconductor microcavity, Applied Physics Letters 86 (2005) 191109. https://doi.org/10.1063/1.1925774.

[10] M.I. Cheema, U.A. Khan, A.M. Armani, A.G. Kirk, Towards more accurate microcavity sensors: maximum likelihood estimation applied to a combination of quality factor and wavelength shifts, Optics Express 21 19 (2013) 22817-22828. https://doi.org/10.1364/OE.21.022817.

[11] K. Srinivasan, M. Borselli, O. Painter, A. Stintz, S. Krishna, Cavity Q, mode volume, and lasing threshold in small diameter AlGaAs microdisks with embedded quantum dots, Optics Express 14 3 (2006) 1094-1105. https://doi.org/10.1364/OE.14.001094.

[12] A. Daraei, M.E. Daraei, Thin cylindrical slot in an optical microdisk cavity for sensing biomaterials, Applied Physics A 123 4 (2017) 216. https://doi.org/10.1007/s00339-016-0745-9.

[13] S.R. Hamidi, A. Daraei, A. Mohsenifard, Proceeding of 24^th Iranian Conference on Optics and Photonics (ICOP 2018)- 10^th Iranian Conference on Photonics Engineering and Technology (ICPET 2018), Shahrekord University, Shahrekord, Iran, (2018) 577-580.

[14] V.M. Passaro, B. Troia, M. La Notte, F. De Leonardis, Photonic resonant microcavities for chemical and biochemical sensing, RSC Advances 3 1 (2013) 25-44. doi: 10.1039/C2RA21984K.

[15] K. Cicek, M. Eryürek, A. Kiraz, Single-slot hybrid microring resonator hydrogen sensor, JOSA B 34 7 (2017) 1465-1470. https://doi.org/10.1364/JOSAB.34.001465.

[16] S.M. Grist, S.A. Schmidt, J. Flueckiger, V. Donzella, W. Shi, S.T. Fard, J.T. Kirk, D.M. Ratner, K.C. Cheung, L. Chrostowski, Silicon photonic micro-disk resonators for label-free biosensing, Optics Express 21 7 (2013) 7994-8006. https://doi.org/10.1364/OE.21.007994.