研究
数量:16 (6)DOI: DOI: 10.37532 / 0974 - 7494.2022.16 .174 (6)一种温度传感器的灵敏度高、Ultra-High-Quality因素基于光子晶体技术
- *通信:
- Kouddad Elhachemi电信和数字信号处理实验室,电气工程学院,电信部门,大学Djillali Liabes, Sidi-Bel-Abbes 22000年,阿尔及利亚电子邮件:kouddad20@hotmail.fr
收到日期:16 - 11月- 2022年手稿。tsnsnt - 22 - 80037;编辑器分配:11月18 - - 2022,PreQC不。tsnsnt - 22 - 80037 (PQ);综述:30 - 2022年11月,QC。tsnsnt - 22 - 80037 (Q);修改后:12 - 12月- 2022年手稿。tsnsnt - 22 - 80037 (R);发表:20 - 2022年12月,DOI: 10.37532 / 0974 - 7494.2022.16 .174 (6)
引用:Elhachemi K。莱拉D。,Rafah N. High Sensitivity and Ultra-High-Quality Factor for an all-Optical Temperature Sensor Based on Photonic Crystal Technology. Nano Tech Nano Sci IndJ.2022;16(6):174
文摘
在我们的工作中,我们提出一个新颖的温度传感器的设计基于一个二维(2 d)光子晶体共振腔结构设计的检测和监控温度在非常恶劣的环境条件下从0°C到500ºC。提出了结构的敏感性是109.8点/ºC,一个超高质量的因素、传动效率高、超小型尺寸。的特点,提出了模拟传感器在不同温度下使用平面波展开(PWE)法和时域有限差分(FDTD)法计算,分别,光子带隙(PBG)和传输效率。结果表明,谐振腔的波长增加线性增加温度。我们的传感器适用于基于纳米技术的应用程序
关键字
谐振腔;敏感性;光子晶体;PWE方法;FDTD方法;品质因数
介绍
近年来,光子晶体(PhC)吸引了很多关注,因为它更重要的属性控制和操纵光穿过晶体。基于这一特点,许多科学家正在寻找设计和应用程序对各种光学仪器、光学解码器等逻辑气体,传感器等(1- - - - - -7]。
由于他们几个优点,如带宽属性和小型化的灵活性,PhC-based设备现在扮演着非常重要的作用在光传感等新领域(8]。
最近,光学传感器吸引了研究人员的注意,因为他们的优势电子传感器、传输大数据在一个非常有限的高速度,可以解决全光传感器、光学开关,可调滤波器(9- - - - - -13]。光学传感器已经被使用在很多应用中有效地检测各种参数如压力、生化传感器,气体,电场和温度(14- - - - - -18]。温度测量是非常重要的,广泛应用于石化行业的风险控制应用,汽车工业,航空电子设备,工业安全、生物医药、和许多其他应用程序(19- - - - - -22]。
不同的光学温度传感器可以实现基于2 d-phc环谐振器和波导结构(23,24]。虽然纳米传感器基于环谐振器提供规范化的传输效率高,灵敏度高,优质因子(25]。PhC waveguide-based纳米传感器有很好的标准化传输效率但非常低质量的因素(26]。
在目前的工作中,我们提出了一种新的六角形纳米传感器基于谐振腔来检测温度在0°C到500°C。该温度传感器已经广泛应用在国防、化工、民用、金属生产、半导体工业和其他领域。温度监测对评估结构也很重要健康的设备。提出设计更紧凑,更简单。此外,它提供了一个非常高质量的因素和灵敏度高。
材料和方法
能带分析
在本节中,我们提出了基于2 d PhC初始温度传感器结构,六角形阵列的圆形硅柱的折射率等于3.42悬浮在空中。柱子的数量在x和z方向分别为23日和17日和半径之间的比例“R”和晶格常数«»是0.3图1 (a)。
一般来说,我们使用PWE方法获得的光子能带取决于三个主要参数如晶格常数、介电材料的介电常数,柱的半径。所示图1 (b),百事装瓶集团有三个地区的横电(TE)模式。归一化频率(一个/λ)三个区域的范围(0.23 - -0.32),(0.42 - -0.54),(.64点- 0.75)。百事装瓶集团的第二波长范围在1481.48和1904.76 nm,适合该传感器的设计,因为它属于第三窗口光学通讯。
图1:初始结构(a)在空中支柱(六角晶格)(b)为TE模式带隙结构。
温度效应分析
在我们的研究中,利用FDTD方法,使我们能够计算频谱效率由于传播的光场求解麦克斯韦在时域的微分方程。基于这些麦克斯韦方程,我们可以计算每个位置的空间内的光场的二维结构基于光子晶体TE模式,写如下:
优化二维计算光学波的模拟,使用完美匹配层(PML)吸收边界条件的定义由以下方程:
c是光速在真空中。
检测操作的一种温度传感器是基于折射率变化的函数thermooptical效果。折射率将修改根据温度,使光子带隙和中心波长的结构发生了变化,这个变化是作为(27]:
n°介质的折射率在零温度(0°C),αthermo-optical系数由2.4×10吗−4 /°C的折射率介质温度在0 (0°C)硅和∆T是温差(28]。
结果与讨论
设计温度传感器结构的二维六角形状基于谐振腔所示图2所示。我们的传感器是由两个quasi-waveguides在水平管道的方向,和一个共振腔位于它们之间。创建内联quasi-waveguides通过删除9硅柱为双方作为输入和输出。谐振腔是由优化射线等一些内部支柱的黑色棒(R * 1.3),蓝色棒(R * 0.5),和绿色棒(R * 0.45)放置在六角形阵列将光信号从输入到输出quasi-in-line波导。共振波长是观察使用监视器放置在传感器的输出。传感器的总大小is18µm×12µm。
图2:提出了温度传感器的设计。
本节描述的光学检测结果提出了传感器结构。图3显示的电场分布的共振腔波长1682.1 nm的输出提出设备的温度范围0°C到500°C与50°C步长。图4图形化地显示了归一化传播提出了传感器的输出在零温度(0°C),对应于81.5%波长1682.1 nm的强度。另一方面,共振波长的关系作为温度的函数所示图5和重现表1。必要的功能参数的温度传感器设计与前面提到的传感器相比,在进行了概括表2。它表明,动态范围,品质因数(Q) =λ0 /∆λ,和提出了温度传感器的灵敏度比前面现有的传感器(28- - - - - -34]。这些结果使用Q-Finder获得的模型RSoft软件2 d-fdtd相结合的快速方法谐波分析计算品质因数Q [35,36]。
图3:共振腔的电场分布在1682.1海里。
图4:谐振腔的谐振波长在0°C。
图5:共振波长和温度之间的线性关系。
表1。温度传感器的功能参数在不同的温度
| 温度(°C) | 折射率(RIU) | 共振波长(nm) | 传动效率(%) | 品质因数 | 波长偏移 |
|---|---|---|---|---|---|
| 0 | 3.42 | 1682.1 | 81.5 | 17 156年 | / |
| 50 | 3.432 | 1687.5 | 62年 | 688年14 | 5.4纳米 |
| One hundred. | 3.444 | 1693.2 | 64.6 | 525年12 | 5.7纳米 |
| 150年 | 3.456 | 1698.6 | 89.6 | 943 | 5.4纳米 |
| 200年 | 3.468 | 1704.1 | 92.2 | 182 | 5.5纳米 |
| 250年 | 3.48 | 1709.7 | 66.7 | 412 | 5.6纳米 |
| 300年 | 3.492 | 1714.9 | 96.8 | 707年11 | 5.2纳米 |
| 350年 | 3.504 | 1720.6 | 98年 | 027年14 | 5.7纳米 |
| 400年 | 3.516 | 1725.9 | 50.8 | 17 234年 | 5.3纳米 |
| 450年 | 3.528 | 1731.6 | 53 | 21 105 | 5.7纳米 |
| 3.54 | 1737年 | 50.1 | 25 349年 | 5.4纳米 |
表2。该温度传感器的功能参数与以前的作品。
| 参考 | 动态范围(°C) | 品质因数 | 温度敏感性(pm /°C) |
|---|---|---|---|
| 现在的工作 | 0到500 | 17 156年 | 109.8 |
| [27] | 0到100 | / | 6.6 |
| [29] | 25到200 | 214年 | / |
| [30] | 0到450 | 738.7 | 59.25 |
| [31] | 0到80 | 2506.5 | 93.61 |
| [32] | 20到90 | / | 84年 |
| [33] | 20到70 | 415.7 | 88.7 |
| [34] | 0到360 | / | 92.3 |
结论
在本文中,我们提出了一个基于二维六角结构的谐振腔设计温度传感应用。thermo-optical效应的存在的“Si”材料中起着非常重要的作用对温度传感器。PWE仿真的结果表明,共振频率转移到一个较低的频率通过增加温度。所有的功能特性的研究提出了传感器实现通过使用PWE和FDTD方法。温度检测、共振腔结构的最大质量17156倍,一个非常高的灵敏度约109.8点/°C,动态范围是0°C到500°C,和一个2 26µm大小- - - - - -,因此,设计很简单,稳定,适合各种应用程序集成光学。
确认
这项工作由总局支持科学研究和技术发展(DGRSDT)。
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