Ukrainian Journal of Physical Optics 
Home page
 
 

Other articles 

in this issue
Extremely sensitive chemical sensor for terahertz regime based on a hollow-core photonic crystal fibre

1Md. Selim Reza and 2Md. Ahasan Habib

1Department of Electrical and Electronic Engineering, Bangabandhu Sheikh Mujibur Rahman Science and Technology University, Gopalganj 8100, Bangladesh (selimreza.bsmrstu.eee@gmail.com)
2Department of Electrical and Electronic Engineering, Rajshahi University of Engineering and Technology, Rajshahi 6204, Bangladesh (habib.eee.116.ah@gmail.com)

Download this article

Abstract. WWe suggest a new kind of sensor based on a hollow-core photonic crystal fibre. It is aimed at identification of different chemicals using terahertz-range electromagnetic signals. Software based on a full-vectorial finite-element method is used to design this fibre and explore its propagation characteristics. By filling the core air hole with aqueous analytes and tuning different designing parameters at 2.4 THz, one can achieve the maximal relative sensitivities 98.5, 98.2 and 97.6% respectively for benzene, ethanol and water analytes. Moreover, the confinement loss and the bulk material loss as low as 1.64×10–13cm–1 and 0.004cm–1 can simultaneously be obtained under optimal conditions. The fibre suggested by us can be easily manufactured using modern fabrication techniques. We hope that our sensor can be efficiently used in many real-life applications.

Keywords: photonic crystal fibres, sensors, terahertz range, sensitivity, confinement loss

UDC: 535.8+621.391.64
Ukr. J. Phys. Opt. 21 8-14
doi: 10.3116/16091833/21/1/8/2020
Received: 09.01.2020

Анотація. Запропоновано сенсор нового типу на основі фотонного кристалічного волокна з пустотілою серцевиною. Сенсор призначено для ідентифікації різних хімічних речовин за допомогою електромагнітних сигналів терагерцового діапазону. Для розробки конструкції цього волокна та вивчення характеристик поширення світла в ньому використано програмне забезпечення, засноване на повновекторному методі скінченних елементів. Заповнюючи отвір для повітря в серцевині водними аналітами та налаштовуючи різні конструктивні параметри при 2,4 ТГц, можна досягти максимальної відносної чутливості 98,5, 98,2 та 97,6% відповідно для бензолу, етанолу та води. Крім того, за оптимальних умов одночасно одержуємо низькі втрати утримання та основні матеріальні втрати – відповідно 1,64×10–13см–1 і 0,004см–1. Запропоноване нами волокно можна легко виготовити за допомогою сучасних технологій. Ми сподіваємося, що відповідний сенсор може виявитися ефективним для багатьох практичних застосувань.
 
REFERENCES
  1. Ho I C, Guo X and Zhang X C, 2010. Design and performance of reflective terahertz air biased-coherent-detection for time domain spectroscopy. Opt. Express. 18: 2873-2883. doi:10.1364/OE.18.002872
  2. Habib M A and Anower M S, 2019. Design and numerical analysis of highly birefringent single mode fiber in terahertz regime. Opt. Fiber Technol. 47: 197-203. doi:10.1016/j.yofte.2018.11.006
  3. Fischer B M, Hoffmann M, Helm H, Wilk R, Rutz F, Ostmann T K, Koch M and Jepsen P U, 2005. Terahertz time-domain spectroscopy and imaging of artificial RNA. Opt. Express. 13: 5205-5215. doi:10.1364/OPEX.13.005205
  4. Habib M A and Anower M S, 2019. Square porous core microstructure fiber for low loss terahertz applications. Opt. Spectrosc. 126: 607-613. doi:10.1134/S0030400X19050126
  5. Asaduzzaman S, Ahmed K, Bhuiyan T and Farah T, 2016. Hybrid photonic crystal fiber in chemical sensing. Springer Plus. 5: 1-11. doi:10.1186/s40064-016-2415-y
  6. Arif M F H and Biddut M J H, 2017. A new structure of photonic crystal fiber with high sensitivity, high nonlinearity, high birefringence and low confinement loss for liquid analyte sensing applications. Sens. Biosens. Appl. 12: 8-14. doi:10.1016/j.sbsr.2016.11.003
  7. Arif M F H, Ahmed K, Asaduzzaman S and Azad M A K, 2016. Design and optimization of photonic crystal fiber for liquid sensing applications. Photon. Sens. 6: 279-288. doi:10.1007/s13320-016-0323-y
  8. Paul B K, Ahmed K, Asaduzzaman S and Islam M S, 2017. Folded cladding porous shaped photonic crystal fiber with high sensitivity in optical sensing applications: design and analysis. Sens. Biosens. Appl. 12: 36-42. doi:10.1016/j.sbsr.2016.11.005
  9. Saiful Islam Md, Sultana J, Ahmed K, Rakibul Islam M, Dinovitser A, Wai-Him Ng B and Abbott D, 2018. A novel approach for spectroscopic chemical identification using photonic crystal fiber in the terahertz regime. IEEE Sens. J. 18: 575-582. doi:10.1109/JSEN.2017.2775642
  10. Saiful Islam Md, Sultana J, Rifat A A, Dinovitser A, Wai-Him Ng B and Abbott D, 2018. Terahertz sensing in a hollow core photonic crystal fiber. IEEE Sens. J. 18: 4073-4080. doi:10.1109/JSEN.2018.2819165
  11. Habib M A, Anower M S, Abdulrazak L F and Reza M S, 2019. Hollow core photonic crystal fiber for chemical identification in terahertz regime. Opt. Fiber Technol. 52: 101933. doi:10.1016/j.yofte.2019.101933
  12. Falkenstein P, Merritt C D, and Justus B L, 2004. Fused performs for the fabrication of photonic crystal fibers. Opt. Lett. 29: 1858-1860. doi:10.1364/OL.29.001858
(c) Ukrainian Journal of Physical Optics