Ukrainian Journal of Physical Optics


2023 Volume 24, Issue 2


ISSN 1816-2002 (Online), ISSN 1609-1833 (Print)

Ultrawide-range refractive-index sensor based on asymmetric integrated Y-junction optical waveguide

1Phongwisit P., 1,2Kamoldilok S., 1Limsuwan P. and 1,2Srinuanjan K.*

1Department of Physics, School of Science, King Mongkut`s Institute of Technology Ladkrabang, Bangkok 10520, Thailand, keerayoot.sr@kmitl.ac.th
2Devices and Systems for Energy and Environment Research Unit, School of Science, King Mongkut`s Institute of Technology Ladkrabang, Bangkok 10520, Thailand
*Corresponding author

ABSTRACT

We present a novel ultrawide-range refractive index (RI) sensor based on an asymmetric Y-junction optical splitter. A cylindrically shaped rod with a diameter of 350 nm and a height of 1000 nm with a different RI is inserted into a junction of the asymmetric Y-junction waveguide. This rod serves as a sensing area. Our sensor is simulated using a finite-difference time-domain technique. The splitting ratio is studied for the cases of two operating wavelengths, 1480 and 1550 nm. The results show that the splitting ratio can be described as a parabolic function of the RI of the sensing area at both operating wavelengths. An approximately linear relationship between the splitting ratio and the RI occurs in a narrower RI region of 1.00–1.50, thus enabling to design an ultrawide-range RI sensor. The sensor sensitivities at the wavelengths 1480 and 1550 nm are equal respectively to 0.2653 and –0.4908 RIU–1, with the corresponding R2 parameters amounting to 0.9889 and 0.9777. Our device can serve as an ultrawide-range optical RI sensor for identification of micro-scale biochemical or chemical specimens.

Keywords: refractive-index sensors, intensity-shift sensors, Y-junction waveguides, integrated photonics

UDC: 681.586.5

    1. Dinh T-V, Choi I Y, Son Y-S, Kim J-C, 2016. A review on non-dispersive infrared gas sensors: Improvement of sensor detection limit and interference correction. Sens.Act. B: Chem. 231: 529-538. doi:10.1016/j.snb.2016.03.040
    2. Nazemi H, Joseph A, Park J, Emadi A, 2019. Advanced micro- and nano-gas sensor technology: A review. Sensors 19(6): 1285. doi:10.3390/s19061285
    3. Goldenstein C S, Spearrin R M, Jeffries J B, Hanson R K, 2017. Infrared laser-absorption sensing for combustion gases. Prog.En.Comb.Sci. 60: 132-176. doi:10.1016/j.pecs.2016.12.002
    4. Ranacher C, Consani C, Tortschanoff A, Jannesari R, Bergmeister M, Grille T, Jakoby B, 2018. Mid-infrared absorption gas sensing using a silicon strip waveguide. Sens.Act. A: Phys. 277: 117-123. doi:10.1016/j.sna.2018.05.013
    5. Popa D, Udrea F, 2019. Towards integrated mid-infrared gas sensors. Sensors 19(9): 2076. doi:10.3390/s19092076
    6. Chu R, Guan C, Bo Y, Shi J, Zhu Z, Li P, Yang J, Yuan L, 2019. All-optical graphene-oxide humidity sensor based on a side-polished symmetrical twin-core fiber Michelson interferometer. Sens.Act. B: Chem. 284: 623-627. doi:10.1016/j.snb.2019.01.011
    7. Ahsani V, Ahmed F, Jun M BG, Bradley C, 2019. Tapered fiber-optic Mach-Zehnder interferometer for ultra-high sensitivity measurement of refractive index. Sensors 19: 1652. doi:10.3390/s19071652
    8. Sun B, Chen M-Y, Zhang Y-K, Yang J-C, 2012. Design of refractive index sensors based on the wavelength-selective resonant coupling phenomenon in dual-core photonic crystal fibers. J.Biomed.Opt. 17(3): 037002, doi:10.1117/1.JBO.17.3.037002
    9. Zaky Z A, Ahmed A M, Shalaby A S, Aly A H, Refractive index gas sensor based on the Tamm state in a onedimensional photonic crystal: Theoretical optimization. Sci.Rep. 10: 9736. doi:10.1038/s41598-020-66427-6
    10. Srinuanjan K, Kamoldilok S, Tipaphong W, Yupapin PP, 2011. A nano-scale transducer using a PANDA type ring resonator for gas sensor applications. Optik 123(6): 475-478, doi:10.1016/j.ijleo.2011.05.008
    11. Gao B, Wang Y, Zhang T, Xu Y, He A, Dai L, Zhang J, 2019. Nanoscale refractive index sensors with high figures of merit via optical slot antennas. ACS Nano, 13: 9131-9138. doi:10.1021/acsnano.9b03406
    12. Bello V, Simoni A, Merlo S, 2020. Spectral phase shift interferometry for refractive index monitoring in microcapillaries. Sensors 20(4): 1043. doi:10.3390/s20041043
    13. P. Wang, L. Zhang, Y. Xia, L. Tong, X. Xu, Y. Ying, 2012. Polymer nanofibers embedded with aligned gold nanorods: A new platform for plasmonic studies and optical sensing. Nano Lett. 12: 3145−3150. doi:10.1021/nl301055f
    14. Al-Qazwini Y, Noor A S M, Yaacob M H, Harun SW, Mahdi MA, 2015. Fabrication and characterization of a refractive index Sensor based on SPR in an etched plastic optical fiber. Proc.Engin. 120: 969-974. doi:10.1016/j.proeng.2015.08.829
    15. Dormeny A A, Sohi P A, Kahrizi M, 2020. Design and simulation of a refractive index sensor based on SPR and LSPR using gold nanostructures. Res.Phys. 16: 102869. doi:10.1016/j.rinp.2019.102869
    16. Dong M, Zheng C, Miao S, Zhang Y, Du Q, Wang Y, Tittel F K, 2017. Development and Measurements of a Mid-Infrared Multi-Gas Sensor System for CO, CO2 and CH4 Detection. Sensors 17(10): 2221. doi:10.3390/s17102221
    17. Gervais A, Jean P, Shi W, LaRochelle S, 2019. Design of slow-light subwavelength grating waveguides for enhanced on-chip methane sensing by absorption spectroscopy. IEEE Journ. Sel.Top.Quant.Elect. 25(3): 5200308. doi:10.1109/JSTQE.2018.2885496
    18. Tan C, Ji WB, Mamidala V, Chow KK, Tjin SC, 2014. Carbon-nanotube-deposited long period fiber grating for continuous refractive index sensor applications. Sens.Act. B: Chem. 196: 260-264. doi:10.1016/j.snb.2014.01.063
    19. Sequeira F, Cennamo N, Rudnitskaya A, Nogueira R, Zeni L, Bilro L, 2019. D-shaped POF sensors for refractive index sensing - the importance of surface roughness. Sensors 19(11): 2476. doi:10.3390/s19112476
    20. Yin B, Wu S, Wang M, Liu W, Li H, Wu B, Wang Q, 2019. High-sensitivity refractive index and temperature sensor based on cascaded dual-wavelength fiber laser and SNHNS interferometer. Opt. Express 27: 252-264. doi:10.1364/OE.27.000252
    21. Li Z, Hou L, Ran L, Kang J, Yang J, 2019. Ultra-sensitive fiber refractive index sensor with intensity modulation and self-temperature compensation. Sensors 19: 3820. doi:10.3390/s19183820
    22. Gu F, Zhang L, Yin X, Tong L, 2008. Polymer single-nanowire optical sensors. Nano Lett. 8(9): 2757-2761. doi:10.1021/nl8012314
    23. Qin J, Chen Y-H, Ding B, Blaikie R J, Qiu M, 2017. Efficient plasmonic gas sensing based on cavity-coupled metallic nanoparticles. J. Phys. Chem. C, 121: 24740-24744. doi:10.1021/acs.jpcc.7b06502
    24. Lee C W, Suh J M, Jang H W, 2019. Chemical sensors based on two-dimensional (2D) materials for selective detection of ions and molecules in liquid. Front. Chem. 7: 708. doi:10.3389/fchem.2019.00708
    25. Yang L C, Huang C-C, Huang H-C, Tsao S-L, 2011. A novel 1×2 optical power splitter with PBG structures on SOI substrate. Optik, 123: 306-309. doi:10.1016/j.ijleo.2011.03.025
    26. Chantakit T, Srinuanjan K, Yupapin P P, 2014. Two dimension photonic crystal Y-branch beam splitter with variation of splitting ratio based on hybrid defect controlled. Appl.Phys. A 117: 547-552. doi:10.1007/s00339-014-8701-z
    27. Ab-Rahman M S, Aziz A N A, Nordin R, Jumari K, 2020. Optimum design of an optical waveguide: determination of the branching angle of s-bend waveguides. Optik 200: 163249. doi:10.1016/j.ijleo.2019.163249
    28. Gašo P, Pudiš D, Seyringer D, Kuzma A, Gajdošová L, Mizera T, Goraus M, 2020. 3D polymer based 1×4 beam splitter. J. Lightwave Technol. 39(1): 154-161. doi:10.1109/JLT.2020.3026170
    29. Kawano K, Kitoh T, Introduction to optical waveguide analysis, New York: John Wiley &Sons, 2001. doi:10.1002/0471221600
    30. Okamoto K, Fundamentals of optical waveguides, Elsevier Inc, 2006. doi:10.1016/B978-012525096-2/50003-9
    31. Wheeler AJ, Ganji AR, Introduction to engineering experimentation, New Jersey: Pearson Education, 2010.
    32. Phongwisit P, Kamoldilok S, Buranasiri P, Srinuanjan K, Limsuwan P, 2022. Design and simulation of asymmetric Y-junction beam splitter with controllable splitting based on adjusted air-hole defect. Ukr. J. Phys. Opt. 23(3): 142-149. doi:10.3116/16091833/23/3/142/2022
    33. Smirnova A, Shimizu H, Pihosh Y, Mawatari K, and Kitamori T, 2016. On-chip step-mixing in a T-nanomixer for liquid chromatography in extended-nanochannels. Anal. Chem. 88: 10059−10064. doi:10.1021/acs.analchem.6b02395
    34. Wang X, Zhu J, Wen X, Wu X, Wu Y, Su Y, Tong H, Qi Y, Yang H, 2019. Wide range refractive index sensor based on a coupled structure of Au nanocubes and Au film. Opt. Mater. Express 9: 3079-3088. doi:10.1364/OME.9.003079
    35. Wang G, Lu Y, Duan L and Yao J, 2021. A refractive index sensor based on PCF with ultra-wide detection range. IEEE Journ.Sel.Top.Quant.Electr. 27(4): 5600108. doi:10.1109/JSTQE.2020.2993866

    Анотація. Описано новий сенсор показника заломлення (ПЗ) із надшироким робочим діапазоном на основі асиметричного оптичного подільника з Y-подібним з’єднанням. Стрижень циліндричної форми з діаметром 350 нм і висотою 1000 нм, який має інший ПЗ, вставляють у спай асиметричного хвилеводу з Y-подібним з’єднанням. Цей стрижень служить чутливою зоною. Виконано моделювання сенсора за допомогою методу скінченних різниць у часовій області. Досліджено коефіцієнт розщеплення для двох робочих довжин хвиль 1480 і 1550 нм. Результати показують, що коефіцієнт розщеплення на обох робочих довжинах хвилі можна описати як параболічну функцію ПЗ чутливої зони. Наближено лінійна залежність між коефіцієнтом розщеплення та ПЗ має місце для вужчої області ПЗ 1,00–1,50, що дає змогу розробити сенсор ПЗ із надшироким діапазоном. Чутливості сенсора на довжинах хвиль 1480 і 1550 нм дорівнюють відповідно 0,2653 і –0,4908 RIU–1, а відповідні параметри R2 складають 0,9889 і 0,9777. Наш пристрій може слугувати оптичним сенсором ПЗ із надшироким робочим діапа¬зоном для ідентифікації мікроскопічних біохімічних або хімічних зразків.

    Ключові слова: датчики показника заломлення, сенсори із зсувом інтенсивності, хвилеводи з Y-подібним з’єднанням, інтегрована фотоніка

Free download this article 

© Ukrainian Journal of Physical Optics ©