Metamaterial optical waveguide sensors

Dissertant

Mehjez, Imad M. A.

Thesis advisor

Shabat, Muhammad Musa
Khozondar, Hala J.

University

Islamic University

Faculty

Faculty of Science

Department

Department of Physics

University Country

Palestine (Gaza Strip)

Degree

Master

Degree Date

2008

Arabic Abstract

تحظى مسألة انتشار الموجات الكهرومغناطيسية في الأوساط المختلفة الخطية منها و اللاخطية باهتمام متزايد من قبل الباحثين في حقل الالكترونيات البصرية في الآونة الأخيرة، و لقد عمد الكثير منهم إلى حل معادلات ماكسويل في عدة طبقات، و اقترح آخرون صيغ عامة يمكن تطبيقها على نبائط مؤلفة من عدة طبقات (multi-layer planner waveguides).

إن من أهم استخدامات المسالك الموجية (optical waveguides) أنها أساس في صناعة المجسات الضوئية و بخاصة في أبحاث الاستشعار الكيميائي الحيوي بحيث يتم تحويل التغيرات المصاحبة لتفاعل كيميائي أو حيوي أو الناتجة عن ترسيب طبقات معينة (بروتين-بكتيريا-مضادات حيوية...) إلى نبضة يمكن قياسها اعتمادا على التغيرات الحاصلة في الصفات الضوئية في طبقات المجس.

يتمتع هذا النوع من المجسات بأهمية خاصة بسبب ما تتميز به من صغر حجمها و رخص ثمنها و ثباتها الكيميائي و الميكانيكي عادة و إمكانية استخدامها في المناطق الخطرة دون خطر الانفجار و نحوه.

و بناء على ما تقدم، اقترح العلماء نماذج عديدة لهذه المجسات و قاموا بتحليلها نظريا و قدموا حلولا لبناء مجسات ذات كفاءة عالية، إلا أن غالبية هذه الأبحاث ركزت على النوع الخطي فقط، و لم تتعرض باستفاضة إلى المجسات اللاخطية.

لقد تم في هذه الأطروحة دراسة المجسات اللاخطية و ذلك عندما يكون المسلك الأساسي (guiding film) من مواد يسارية (LHMs) في كل من المسالك الموجية ذات الطابع الكهربي المستعرض و المغناطيسي المستعرض على حد سواء transverse electric and transverse magnetic waves))، و تركزت الدراسة على الاستشعار المتجانس (.(homogeneous sensing المجس المقترح يتعامل مع ثلاثة أوساط على شكل شرائح مختلفة و هي عبارة عن طبقة وسطى من مواد يسارية (LHMs) محاطة من أعلى بوسط غير خطي و من أسفل بوسط خطي.

لقد تم تطبيق معادلات ماكسويل في الطبقات المختلفة للمجس و عرض الحلول المناسبة لها ثم طبقت الشروط الحدية و التي من خلالها تم الحصول على معادلة التشتت للنظام قيد الدراسة و التي أمكن من خلالها تقديم شكل رياضي يحكم حساسية المجس.

هذه الحساسية بدورها أخضعت لمعالجات رياضية للحصول على الشرط اللازم لكي تكون حساسية المجس أكبر ما يمكن، و تم تقديم نموذج نظري لهذا المجس حدد فيه سمك الطبقة الوسطى (width film wave guiding) الذي يجعل استجابة المجس أكبر ما يمكن.

و تم كذلك دراسة تدفق الطاقة (power flow) عبر طبقات المجس و ذلك من أجل تفسير ما عرض لنا من نتائج و تأكيد وجود تلك النهاية العظمى في تصرف الحساسية مع تغير سمك الطبقة الوسطى.

تبين من الدراسة أن ثمة صلة وثيقة بين الجزء الضئيل من إجمالي الطاقة التي تتدفق في الطبقة العلوية و حساسية أجهزة الاستشعار و في معظم الحالات يمكن اعتبارها متطابقة تقريبا و بالتالي فإن تعزيز نسبة إجمالي الطاقة المتدفقة في الطبقة العلوية أمر أساسي لتطبيقات الاستشعار.

كلما زادت اللاخطية في الطبقة العلوية انزاحت قمة الموجة نحو الطبقة العلوية و بالتالي ازدادت حساسية المجس.

نسبة سماحية الطبقة العليا إلى الطبقة الوسطى يجب أن تكون عالية ما أمكن بينما نسبة سماحية الطبقة السفلية إلى الطبقة الوسطى يجب أن تكون في الحد الأدنى لزيادة نسبة المجال المضمحل في الطبقة العلوية و تقليله ما أمكن في الطبقة السفلية، لذلك فإن المجس الضوئي معكوس التماثل (nc > ns) يوصى به بشدة في الحالات التي يمكن فيها الحصول على هذا التماثل المعكوس.

English Abstract

Propagation of electromagnetic waves in linear and nonlinear media has received an increasing attention from researchers in the optoelectronics field. A great attention is nowadays paid to optical waveguide sensors because they offer many advantages such as : small size, low price, safe when used in aggressive environments and mechanically stable. Many theoretical studies concerning analysis of dispersion equations were introduced for many planar waveguide structures, and some authors have proposed scaling rules and universal dispersion analysis. Homogeneous sensors are mainly used in concentration measurements while surface sensors are used in detecting of adsorbed layers . The type of waveguides mostly used in chemical and medical sensing is the planner optical waveguide structure with normal asymmetry (i.

e.

the substrate refractive index being greater than that of the cover). Sensitivity of measuring the physical or chemical quantities appearing in the cover region depends on the strength and distribution of the evanescent field in that cover.

Sensitivity optimization requires suitable choice of the guiding layer thickness and the materials from which sensor layers are constructed, so that the sensor may exhibit its maximum sensitivity. Scientists have proposed various types of these sensors and theoretically analysed them and suggested solutions for constructing highly efficient sensors. In this thesis, we investigate nonlinear waveguide sensors when the guiding layer is a Left- Handed material (LHM) for both transverse electric (TE) and transverse magnetic (TM) waves.

We consider the case when the analyte homogenously distributed in the cladding, i.

e., homogenous sensing.

The proposed structure consists of a left-Handed material (LHM) as a guiding layer sandwiched between a linear substrate and a nonlinear cover with an intensity dependent refractive index. The dispersion relation of the proposed structure is derived and the sensitivity of the effective refractive index to variations in the refractive index of the cladding is obtained.

The condition required for the sensor to exhibit its maximum sensitivity is presented.

The variation of the sensitivity with different parameters of the structure is studied and explained.

The power flow through the sensor layers is also considered because the fraction of total power flowing in the covering medium is related to sensitivity. With respect to planar optical waveguide sensors, the main remarks gained from our investigations can be summarized as follows : • There is a close connection between the fraction of total power propagating in the covering medium and the sensitivity of the sensor.

In most cases, they may be regarded as nearly identical thus the enhancement of the fraction of total power flowing in the cladding is essential for sensing applications. • As the nonlinearity of the cladding increases, the wave crest is displaced towards the cladding and as a result the sensitivity of the optical waveguide sensor is enhanced. • Cladding to film permittivity ratio should be as high as possible but substrate to film permittivity ratio should be as low as possible to increase the evanescent field tail in the cladding and to reduce it as possible in the substrate.

The inversion of the conventional waveguide symmetry is strongly recommended if possible.

In some cases it is not possible especially when the analyte is air.

Main Subjects

Physics

Topics

• Optical communications

No. of Pages

67

Table of Contents

• APA
• MLA
• AMA

Language

English

Data Type

Arab Theses

Record ID

BIM-303365