Design and Theoretical Analysis of a Dual-Polarized Quasi D-Shaped Plasmonic PCF Microsensor for Back-to-Back Measurement of Refractive Index and Temperature

折射率 双折射 分析化学(期刊) 材料科学 光学 物理 光电子学 化学 色谱法
作者
Iddrisu Danlard,Emmanuel Kofi Akowuah
出处
期刊:IEEE Sensors Journal [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:21 (8): 9860-9868 被引量:19
标识
DOI:10.1109/jsen.2021.3058224
摘要

We present a new quasi D-shaped plasmonic photonic crystal fiber (PCF) microsensor with dual polarization for back-to-back measurement of refractive index (RI) and temperature. The PCF structure of the microsensor is form birefringent and supports two orthogonal polarizations for independent probing of both RI and temperature variations. Thin layers of tantalum pentoxide (Ta 2 O 5 ) and gold (Au) are applied to the side-polished plane to form the RI sensing section. Furthermore, four micro air holes in the lower part of its outer cladding ring are gold-coated and selectively infiltrated with a temperature-sensitive liquid. A detailed investigation and numerical analyses of the coupling characteristics and sensing responses are presented using the finite element method (FEM) with a circular perfectly matched layer (PML). The RI metrics show a maximum wavelength sensitivity of 5000 nm/RIU and a maximum amplitude sensitivity of 266.54 RIU -1 from 1.35 to 1.46 RI range in the specified operating wavelength range of 1.25- 1.65 μ\textm. The corresponding RI resolution is 2.0×10 -5 RIU. For the temperature sensing metrics, a maximum amplitude sensitivity of 4.8×10 -2 ° \textC -1 , a maximum wavelength sensitivity of 3.0 nm/°C, and a maximum resolution of 3.33×10 -2 ° \textC from -50°C to 50°C is achieved. With appropriate instrumentation incorporating a polarization selector, the microsensor can double as a real-time simultaneous multiparameter sensor. Applications for the proposed microsensor can be found in molecular science, medical measurement and analysis, terrestrial environmental engineering and data assessment, aquatic ecosystem investigations, pharmaceutical and alimentary process control and validation, cryogenic studies, and several others.
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