en
Назад
DOI: 10.17586/1023-5086-2025-92-08-32-39
Датчик электрического поля на основе фотонного кристалла c использованием электромагнитных волн терагерцового диапазона
Полный текст на elibrary.ru
Xiaogang Wu, Xin Li, Shiliang Guo. Electric field sensor based on photonic crystal at THz wave (Датчик электрического поля на основе фотонного кристалла c использованием электромагнитных волн терагерцового диапазона) [на англ. языке] // Оптический журнал. 2025. Т. 92. № 8. С. 32–39. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2025-92-08-32-39
Xiaogang Wu, Xin Li, Shiliang Guo. Electric field sensor based on photonic crystal at THz wave (Датчик электрического поля на основе фотонного кристалла c использованием электромагнитных волн терагерцового диапазона) [in English] // Opticheskii Zhurnal. 2025. V. 92. № 8. P. 32–39. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2025-92-08-32-39
Предмет исследования. Структура и соотношения между параметрами основных элементов датчика электрического поля на основе двумерного фотонного кристалла, работающего в терагерцовом диапазоне длин волн. Цель работы. Создание сенсора электрического поля новой структуры на основе двумерного фотонного кристалла, функционирующего в диапазоне частот 1,5–3,5 ТГц, принцип действия которого основан на электрооптическом эффекте ниобата лития (LiNbO3). Метод. На основе двумерных теоретических моделей исследуется влияние изменения внешнего электрического поля на зонную структуру фотонного кристалла с последующей оптимизацией параметров сенсора методом конечных элементов по критерию увеличения чувствительности. Основные результаты. Доказано, что при найденных оптимальных размерах структуры датчика чувствительность к электрическому полю составляет не менее 1,21ґ10–3 ТГц/(мв/нм) при диапазоне напряжённости электрического поля от 100 до 1000 мВ/нм. Практическая значимость. Рассмотренный сенсор позволяет обнаружить и измерить напряжённость электрического поля с увеличенной чувствительностью, используя технологию фотонных кристаллов терагерцового диапазона длин волн.
сенсор электрического поля, фотонный кристалл, терагерцовый диапазон длин волн, запрещённая зона, чувствительность
Благодарность:Фонд естественных наук провинции Чжэцзян (LGN20E060001); Научно-технический проект Департамента образования провинции Хэбэй по гранту (ZD2022087); Хэбэйский инновационный центр интеллектуального восприятия и прикладных технологий сельскохозяйственных данных (ADIC2023Y002).
Коды OCIS: 220.0220, 260.1180, 280.4788, 300.6495
Список источников:1. Rostami A., Rasooli H., Baghban H. An overview of the technological and scientific achievements of the Terahertz // Terahertz Tech. 2010. V. 77. P. 1–89. https://doi.org/10.1007/978-3-642-15793-6_1
2. Musina G.R., Nikitin P.V., Chernomyrdin N.V. et al. Prospects of terahertz technology in diagnosis of human brain tumors — a review // J. Biomed. Photonics Eng. 2020. V. 6. № 2. P. 020201. https://doi.org/10.18287/JBPE20.06.020201
3. Manjappa M., Singh R. Materials for terahertz optical science and technology // Adv. Opt. Mater. 2020. V. 8. № 3. P. 1901984. https://doi.org/10.1002/adom. 201901984
4. Abadla M.M., Mousa H.M., Shabat M.M. Nonlinear planar optical waveguide sensors comprising metamaterial guiding films at terahertz frequencies // Opt. Quant. Electron. 2018. V. 50. P. 394. https://doi.org/10.1007/s11082-018-1669-8
5. Karthikeyan M.P., Samanta D., Banerjee A. et al. Design and development of terahertz medical screening devices // Trends in Wireless Communication and Information Security. 2021. V. 740. P. 395–404. https://doi.org/10.1007/978-981-33-6393-9
6. Tzydynzhapov G., Gusikhin P., Muravev V. et al. New real-time sub-terahertz security body scanner // J. Infrared Milli. Terahz. Waves. 2020. V. 41. P. 632–641. https://doi.org/10.1007/s10762-020-00683-5
7. Tao Y.H., Fitzgerald A.J., Wallace V.P. Non-contact, non-destructive testing in various industrial sectors with terahertz technology // Sensors. 2020. V. 20. № 3. P. 712. https://doi.org/10.3390/s20030712
8. Nejat M., Nozhat N. Ultrasensitive THz refractive index sensor based on a controllable perfect MTM absorber // IEEE Sensors Journal. 2019. V. 19. № 22. P. 10490–10497. https://doi.org/10.1109/JSEN.2019.2931057
9. Karmakar S., Kumar D., Varshney R.K. et al. Strong terahertz matter interaction induced ultrasensitive sensing in Fano cavity based stacked metamaterials // J. Physics D: Applied Physics. 2020. V. 53. № 41. P. 415101. https://doi.org/10.1088/1361-6463/ab94e3
1-. Abramova V., Sinitskii A., Tretyakov Y. Photonic crystals with a specified bandgap width // JETP Letters. 2007. V. 86. № 41. P. 317–320. https://doi.org/10.1134/S0021364007170080
11.Ciobanu M., Preda L., Savastru D. et al. Band gaps for some specific photonic crystals structures // Quantum Matter. 2013. V. 2. № 1. P. 60–66. https://doi.org/ 10.1166/qm.2013.1026
12. Tong K., Cui W., Yan G. et al. Study on temperature property of band structures in one-dimensional photonic crystals // Optoelectron. Lett. 2007. V. 3. P. 444–447. https://doi/org/10.1007/s11801-007-7063-6
13. Ei-Naggar S.A. Tunable terahertz omnidirectional photonic gap in one dimensional graphene-based photonic crystal // Opt. Quant. Electron. 2015. V. 47. № 7. P. 1627–1636. https://doi.org/10.1007/s11082-014-0021-1
14. Zegadi R., Ziet L., Satour F. Z. et al. Design of a wide ranging highly sensitive pressure sensor based on twodimensional photonic crystals // Plasmonics. 2019. V.
15. P. 907–913. https://doi.org/10.1007/s11468-018-0873-514. Jahani D., Raissi B., Taati F. et al. Optical properties of fluidic defect states in one-dimensional graphenebased photonic crystal biosensors: visible and infrared Hall regime sensing // Eur. Phys. J. Plus. 2020. V. 135. P. 160. https://doi.org/10.1140/epjp/s13360-019-00056-5
16. Rao D.G.S., Swarnakar S., Palacharla V. et al. Design of all-optical AND, OR, and XOR logic gates using photonic crystals for switching applications // Photon. Netw. Commun. 2021. V. 41. P. 109–118. https://doi.org/10.1007/s11107-020-00916-6
17. Li J. Terahertz modulator using photonic crystals // Opt. Commun. 2007. V. 269. № 1. P. 98–101. https://doi.org/10.1016/j.optcom.2006.07.053
18. Sultana J., Islam M.S., Ahmed K. et al. Terahertz detection of alcohol using a photonic crystal fiber sensor // Appl. Optics. 2018. V. 57. № 10. P. 2426–2433. https://doi.org/10.1364/AO.57.002426
19. Mou F.A., Rahman M.M., Islam M.R. et al. Development of a photonic crystal fiber for THz wave guidance and environmental pollutants detection // Sensing and Bio-Sensing Research. 2020. V. 29. P. 100346.10. https://doi.org/1016/j.sbsr.2020.100346
20. Sen S., Abdullah-Al-Shafi M., Sikder A.S. et al. Zeonex based decagonal photonic crystal fiber (D-PCF) in the terahertz (THz) band for chemical sensing applications // Sensing and Bio-Sensing Research. 2020. V. 31. P. 100393. https://doi.org/10.1016/j.sbsr.2020.100393
21. Kuiri B., Dutta B., Sarkar N. et al. Design and optimization of photonic crystal fiber with low confinement loss guiding 98 OAM modes in THz band // Optical Fiber Tech. 2022. V. 68. P. 102752. https://doi.org/10.1016/j.yofte.2021.102752
22. Bendib S., Zegadi A., Djeffal N. Improved sensitivity of 2D annular photonic crystal biosensor working at THz frequency range // Opt. Quant. Electron. 2025. V. 48. P. 528. https://doi.org/10.1007/s11082-016-0803-8
23. Hossain M.S., Faruq M.O., Rana M.M. et al. Sensitivity analysis for detecting chemicals by the optical chemical sensor based Photonic Crystal Fiber (PCF) in the Terahertz (THz) regime // Phys. Scr. 2021. V. 96. № 12. P. 125121. https://doi.org/10.1088/1402-4896/ac42ec
24. Zegadi R., Zegadi A., Zebiri C. et al. Enhanced 2D photonic crystal sensor for high sensitivity sulfuric acid (H2SO4) and hydrogen peroxide (H2O2) detection // Silicon. 2025. V. 14. № 16. P. 11001–11006. https://doi.org/10.1007/s12633-022-01836-y
25. Kim W.K., Kwon S.W., Jeong W.J. et al. Integrated optical modulator for signal up-conversion over radio-onfiber link // Optics Express. 2009. V. 17. № 4. P. 2638–2645. https://doi.org/10.1364/OE.17.002638
26. Bosyj C., Bhadwal N., Coyle T. et al. Brazing strategies for high temperature ultrasonic transducers based on LiNbO3 piezoelectric elements // Instruments. 2018. V. 3. № 1. P. 2. https://doi.org/10.3390/instruments3010002
27. Taleb S.M., Fakhri M.A., Adnan S.A. Physical investigations of nanophotonic LiNbO3 films for photonic applications // J. Ovonic Research. V. 15. № 4. P. 261–269.
28. Takigawa R., Utsumi J. Direct bonding of LiNbO3 and SiC wafers at room temperature // Scripta Materialia. 2019. V. 174. P. 58–61. https://doi.org/10.1016/ j.scriptamat.2019.08.027
29.Razi S., Ghasemi F. Tunable photonic crystal wavelength sampler with response in terahertz frequency range // Opt. Quant. Electron. 2019. V. 51. P. 104. https://doi.org/10.1007/s11082-019-1821-0
30. Hebling J., Stepanov A.G., Almási G. et al. Tunable THz pulse generation by optical rectification of ultrashort laser pulses with tilted pulse fronts // Appl. Phys. B. 2004. V. 78. P. 593–599. https://doi.org/ 10.1007/s00340-004-1469-7
31. Stoyanov N.S., Feurer T., Ward D.W. et al. Direct visualization of a polariton resonator in the THz regime // Optics Express. 2004. V. 12. № 11. P. 2387–2396. https://doi.org/10.1364/OPEX.12.002387