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国际光学杂志/2021/文章

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体积 2021 |文章的ID 5527724 | https://doi.org/10.1155/2021/5527724

Abdullah Al-Mamun Bulbul, Abbas Z. Kouzani, m.a. Parvez Mahmud, Abdullah- al Nahid， ＂太赫兹波段新型矩形PCF (R-PCF)生化传感器(BCS)的设计与数值分析"，国际光学杂志， 卷。2021， 文章的ID5527724， 16 页面， 2021。 https://doi.org/10.1155/2021/5527724

太赫兹波段新型矩形PCF (R-PCF)生化传感器(BCS)的设计与数值分析

Abdullah Al-Mamun Bulbul，1 Abbas Z. Kouzani，2 帕尔韦兹·马哈茂德先生，2 和 阿卜杜拉·阿尔Nahid1

1库尔纳大学电子与通信工程学科，孟加拉国库尔纳9208

2迪肯大学工程学院，澳大利亚维多利亚州吉朗3216

学术编辑器:苏莱曼·w·哈伦
收到了 2021年1月7日
修改后的 2021年1月22日
接受 2021年2月5日
发表 2021年2月19日

摘要

本文提出了一种新型的基于pcf的传感器，用于检测不同的化学物质和生物成分。所提出的生化传感器(BCS)由简单排列的矩形孔组成。采用全向量有限元法(FEM)对BCS检测分析物的能力进行了评价。性能指标证明了该BCS在感应折射率在1.33-1.48范围内的各种分析物方面的能力。所提出的BCS在体积吸收和约束损失方面都显示出较低的值。该BCS在2.5太赫兹处的最大相对灵敏度约为95.82%。必威2490此外，该传感器在同一兴趣点的色散仅为0.12±0.011 ps/THz/cm。这些结果证明，所提出的BCS将在感知有毒化学物质、非法药物、生物成分等方面发挥关键作用。此外，基于矩形的PCF结构简单，通过实践现有的制造策略，保证了制造的可行性。

1.介绍

太赫兹(THz)波段作为光谱学、传感、天体物理学、遗传、生物医学和电信等多种应用领域的合适操作区域，越来越受到人们的欢迎。1- - - - - -8]。该波段提供从0.1到10太赫兹的宽频带。一个完整的太赫兹系统需要3个基本元素，包括波导、源和探测器。近年来太赫兹源和探测元件的发展加快了太赫兹传感的发展。此外，许多太赫兹波导，例如布拉格波导[9]、金属线[10]、金属管[11]等，都是最近提出的。然而，这些波导大多不能达到较高的相对灵敏度。为了避免这个问题，近年来提出了几种基于光子晶体光纤(PCF)的太赫兹波导。

研究人员已经成功地模拟了在太赫兹波段工作的基于pcf的化学和生物传感器。PCF作为一种传感器，可用于感知多种化学和生物元素，例如燃料掺假的检测[12]，盐度[13]、有毒化学品[14]，血液成分[5]和胆固醇[15]。该传感器通过保持更高的分集和光学参数的标准值来解决传统光纤的障碍。此外，这种类型的传感器比现有的检测系统快得多。该传感器的一个重要特性是通过仔细调整PCF的芯孔和包层孔的尺寸、位置和结构来实现光学参数的可调性。此外，这种类型的传感器提供了许多更有利的特性，包括更高的相对灵敏度，更低的材料和约束损耗(CL)，重量轻，坚固耐用，更便宜等。所有这些特点都扩大了基于pcf的传感器在化学和生物传感应用中的潜在应用，包括RNA和DNA的研究[16- - - - - -18]、检测癌细胞[19- - - - - -21]、酒精的分类与检测[22- - - - - -26]、福尔马林检测[27，28]，以及基于表面等离子共振的生物传感器[29- - - - - -31]。

近几十年来，人们提出了几种基于折射率(RI)的化学和生物传感器。在[5]，提出了一种基于pcf的生物传感器。该模型特别针对基于RI的血液成分感测。该模型保持低CL，但显示出约166000的高有效面积(EA)必威2490μ米21.5太赫兹。该传感器的相对灵敏度仅为79.9%，色散较高。在[32]，提出了一种基于pcf的化学传感器，其中包层孔是七方定位的。在检测苯、乙醇和水时，对传感器的传感性能进行了评价。在1.0太赫兹下，传感器的相对灵敏度仅为63.24%。该传感器的几个关键光学参数包括数值孔径和有效材料损耗(EML)尚未确定。另一种基于pcf的化学传感器介绍于[14]。该传感器被设计用于检测有害化学物质，即沙林、索曼和塔苯。传感器暴露0.009 cm−1EML和1.71 × 10−14厘米−1CL。在1.8太赫兹下，该传感器的相对灵敏度为94.4%。然而，该传感器忽略了真实传感区域和数值孔径。一种基于pcf的NaCl传感器在[33]，其中传感器的核心由四边形矩形组成。该传感器的相对灵敏度为91.5%，相对灵敏度为0.004 cm−1EML，但EA更高，为397340μ米21.8太赫兹。最近，一种基于pcf的化学传感器在[34来检测乙醇、苯和水。传感器显示3.02 × 10−8厘米−1CL，但EML还没有估计这个传感器。然而，该传感器对苯的相对灵敏度几乎达到78.1%。在[35]，提出了一种ag -石墨烯涂层表面等离子体共振(SPR)传感器，用于检测RI范围为1.33至1.41的分析物。这个模型显示12.6μm/RIU波长灵敏度为79.4 × 10−5RIU分辨率，但该模型的高CL约为1.75 × 10必威24902水在625 nm时dB/cm。此外，该传感器由复杂的h形PCF组成。在[36]，提出了另一种基于h形pcf的SPR传感器，以提高传感范围。该传感器可以检测1.33至1.49 RI的分析物。这个模型只有1.2 × 103.灵敏度为nm/RIU，峰值损耗为14.34 dB/cm。

大多数现有的空心和多孔岩心PCF传感器都是专门为检测任何特定分析物或一组相关分析物而建模的。此外，大多数可用的传感器模型无法同时获得更高的相对灵敏度和更低的损耗，而SPR传感器具有RI限制，因为大多数SPR传感器无法有效地检测RI大于1.41的分析物[35，37- - - - - -40]。然而，大多数现有的传感器都是用复杂的PCF结构建模的，其中包括一个复合的气孔排列。这种复杂的结构肯定会增加制造的限制。因此，基于制造友好型PCF结构的生化传感器(BCS)仍有很大的发展空间，该传感器将能够感知各种各样的化学物质和生物成分。

本文将一个简单的基于矩形的PCF (R-PCF)结构建模为BCS。在1.5 ~ 4.0太赫兹范围内对所提出的R-PCF结构进行了数值研究。研究了所提出的BCS的光学参数，以检验其传感性能。本研究对RI范围为1.33 ~ 1.48的分析物进行了研究。除了获得所有性能指标的典型值外，本研究的关键目标之一是提出一种高度制造友好的BCS，这是通过PCF结构中仅存在矩形孔来确保的。R-PCF保证了外差检测，已经提出了几种基于R-PCF的传感器[41- - - - - -45]。此外，由矩形组成的非对称PCF结构亦已实施[46，47]。

2.传感器设计

本文研究了一种新颖、统一、简单的基于PCF的BCS模型。利用基于有限元的软件对基于pcf的传感器进行建模。的x-yBCS的平面表示如图所示1。传感器的核心区域包含一个矩形，用表示Cr在图中。的高度Cr是400μM，而宽度是410μm.覆层区域通过8个矩形气孔的简单排列来模拟。这八个矩形可以根据其高度和宽度的相似性分为两类。这两种类型的包层矩形表示为Cl1和Cl2。的宽度和高度Cl1是200μM和1000μ单独m。另一方面，的宽度和高度Cl2是200μM和400μm。传感器的半径是750μM，包括75μm(半径的10%)完美匹配层(PML)在外层。支柱，两个连续矩形之间的间隙，是10μm为基于pcf的传感器。多种纤维材料可供选择，包括二氧化硅，zeonex, topas等。[48- - - - - -50]。zeonex和topas的各种优异性能影响了研究人员选择它们作为纤维材料。两者的固定RI都为1.53，色散较低，太赫兹波段的材料损耗较低。然而，zeonex有一些额外的功能;例如，更高的耐化学性和玻璃化转变温度[49，50]。在任何PCF的成功制造中，这两个特性都是非常需要的。因此，选择zeonex作为拟议BCS的纤维物质。光的传播剖面在x和y偏振模式(PoM)如图所示2(一个)和2 (b)，同时用1.44 RI检测分析物。该图揭示了在核心区内传播波受到高度限制的事实。


图1
的x-y提出的基于r - pcf的BCS的平面表示。
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(b)
图2
基于r - pcf的BCS的波传播曲线。(一)x-PoM及(b)y砰的一声。

基于pcf的模型在传感应用中的实验设置已经在几篇论文中进行了描述[51- - - - - -54]。模型如图5所示1都是试错法的结果。通过对不同结构进行建模，并对其光学参数进行比较，由于该模型的结果具有优势，因此选择了该模型。我们将此模型记为最优(OPT)模型。在保持杆杆值不变的情况下，我们将OPT模型调整了±10%，以表示其光学参数之间的比较，并证明选择OPT模型作为本文提出的BCS是合理的。这两个模型的设计参数由优化和OPT模型产生，如表所示1包括各自的宽度(W)及高度(H)。
模型 半径(μ米) PML -μ米) 支柱(μ米) Cr（W） （μ米) Cr（H） （μ米) Cl1（W） （μ米) Cl1（H） （μ米) Cl2（W） （μ米) Cl2（H） （μ米)
opt−10% 675 67.5 10 370 360 180 900 180 360
选择 750 75 10 410 400 200 1000 200 400
opt + 10% 825 82.5 10 450 440 220 1100 220 440
表1
设计参数为三种变型的传感器模型。

3.制造可行性

在早期阶段，PCF的制造被认为是使用堆叠和绘制方法实现的[55]，但该方法不能令人满意地制作具有复杂和不对称孔排列的PCF模型[56]。为了解决这些问题，又提出了几种方法，其中包括钻井[57]，溶胶-凝胶[58]，挤压[59]、3d列印[46)等。这些方法能够制造复杂的PCF结构。溶胶-凝胶法可以实现圆孔PCF模型的制备。另一方面，3d打印和挤压方法都可以制造不对称的PCF模型，包括矩形，方形和椭圆孔。提议的BCS包括一个单矩形核心和一个带有八个矩形空气孔的包层。因此，3d打印和挤压都将是制造基于r - pcf的BCS的合适选择。此外，带矩形孔的光纤保证了外差检测[41，42]。马克斯普朗克研究所最近制作了一些不对称PCF模型[46，47]。该研究所成功地制作了不同的PCF模型，包括椭圆、矩形等。这清楚地确保了使用现有的制造策略所提出的PCF结构的可行性，该结构包括简单的矩形排列。

BCS的核心需要被目标样本渗透。有几种可行的PCF选择性填充技术;例如，通过压缩气孔来选择性填充[60]，通过拼接单模纤维[61]，通过飞秒激光微加工[62)等。在这些策略中，我们更倾向于飞秒激光微加工方法的选择性填充。这个方法包括三个步骤。首先，PCF与普通单模光纤拼接。然后，将单模光纤在拼接结附近切割。最后，使用选择性激光打孔，使其通往芯孔或目标孔。通过这三个步骤，将光纤准备好与目标样品渗透。实践证明，该方法具有较高的效率、准确性和灵活性，已成为一种可靠的SF技术[63]。

4.传感性能评价的数学方法

为了评估本文提出的BCS的潜力，需要计算几个光学参数。这些参数分别对每种分析物进行估计。用目标分析物填充核心，光被注入核心。虽然光应该被束缚在核心区域，但一部分光会扩散到核心区域之外。真正的感应面积，也称为EA，是光传播的度量。EA使用以下公式进行评估，其中E定义横向电场[5，33]。

数值孔径(NA)是测量入射光可以进入和离开光纤的角度范围。它是一个无单位参数，是EA(光速)的函数。c)，工作频率(f)。对于传感应用来说，更高的NA是理想的，而这个理想的值是由更低的EA产生的。该参数的值使用以下公式计算[64]：

EML是由于光纤材料的吸收而造成的光功率损失。Zeonex，拟议的BCS的纤维材料，要为这一损失负责。适当设计PCF模型并减小背景区域将使EML保持在可忽略的水平。根据摄动理论[33，65]，方程(3.)已用于计算所提出的BCS的关键参数。

方程()的分母3.)表示Poynting向量的积分，其中H表示磁场强度。ε0和μ0分别为自由空间介电常数和磁导率。η和α分别为RI和吸收系数。

使用zeonex作为纤维材料可能会引入可忽略不计的材料分散[66]。因此，这种色散可以避免，唯一需要考虑的色散是波导色散。具有平坦色散的PCF便于检查光纤继承多通道信号的能力。因此，可以通过该参数来评价信号从源到汇的传播质量。分散度(D)，是用下列公式[67，68]： 在哪里ω和ηeff分别为角频率和有效RI。

影响传感性能的另一个关键参数是CL。这种损耗是由于不当的PCF结构和模态的漏性造成的。因此，适当的PCF模型可以降低CL值。CL的量用下式量化:

直接计算任何基于pcf的传感器传感性能的最重要光学参数是相对灵敏度(RS)。该参数与功率分数(Pf)，它量化了核心中存在的光功率与整个注入功率的比较。所提出的BCS的相对灵敏度是用 在哪里η一个为分析物的RI。

5.仿真结果

不同类型的分析物或目标样品分别一次注入传感器的核心区域。然后，通过所提出的BCS核心区域的光传播为我们提供了不同类型分析物的不同光学参数值。

5.1.最佳模型选择

为了验证本文选择的OPT模型作为BCS，我们首先对OPT - 10%、OPT和OPT + 10%模型的光学参数值进行了计算。我们对具有1.44 RI的分析物进行了此模拟。

中的EffA值x- - -y三种型号在太赫兹波段的-PoM如图所示3(一个)和3 (b),分别。由于EffA是测量光在PCF内部传播的方式，因此较低的EffA值是可取的。在OPT−10%的模型中，它的值最低，而在OPT + 10%的模型中，它的值最高。OPT模型的EffA曲线位于另外两个模型之间。OPT型号显示98975μ米2和99121年μ米2在x- - -y-PoM，分别为2.5太赫兹。

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(b)
图3
三种模型在太赫兹波段的ea比较。(一)x-PoM及(b)y砰的一声。

NA表示聚光晶体聚光的效率。每个基于pcf的化学传感器都期望有更高的NA值。数字4图中为三种模型的太赫兹波段NA值。在2.5 THz下，OPT−10%模式的NA最高，而OPT模式的NA为0.2104。


图4
三种模式在太赫兹波段的数值孔径表示。

EML在x- - -y-PoM如图所示5(一个)和5 (b)分开。在…的情况下x-极化时，OPT - 10%模式的EML最低，约为0.0058 cm必威2490−12.5太赫兹。同样，OPT−10%模型显示EML最低，约为0.0057 cm必威2490−1在2.5太赫兹y砰的一声。然而，OPT型号的EML仅为0.0060厘米−10.0058厘米−1在x- - -y-偏振模式，分别在非常接近最低值的同一点。

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图5
比较三种模式的EML随太赫兹波段的变化。(一)x-PoM及(b)y砰的一声。

数字6表示三种模型在太赫兹波段的色散。三种模式均表现出较低的色散，但与OPT - 10%模式相比，OPT和OPT + 10%模式表现出较低的色散。然而，这三种模型在2.4 ~ 3.0 THz频段内均表现出近乎平坦的色散。在这些频率范围内，OPT - 10%、OPT和OPT + 10%模型的色散值分别为0.1467±0.0129、0.1206±0.0116和0.1206±0.0116 ps/THz/cm。


图6
三种模型在太赫兹波段的色散表示。

CL在x- - -y三种模型的-PoM如图所示7(一)和7 (b),分别。所有模型都显示出太赫兹波段的超低CL。两者的最低值x- - -y在2.5太赫兹下，OPT模型得到了-PoM。中OPT模型的CL值x- - -y-PoM是3.20 × 10−129 × 10−12厘米−12.5太赫兹。

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(b)
图7
三种模型在太赫兹波段的CL表示。(一)x-PoM及(b)y砰的一声。

数据8(一个)和8 (b)三个模型的相对灵敏度的表示是否在x- - -y砰的一声。OPT + 10%模型在两者中均表现出优势的相对敏感性x- - -y-PoM与其他两种模型相比，因为相对灵敏度是核心功率分数的函数，该模型的核心功率分数更高。在2.5太赫兹下，OPT + 10%模式的相对灵敏度分别为95.99和95.94%。另一方面，OPT模型的相对灵敏度分别达到95.20%和95.13%x- - -y-PoM，频率相同。

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(b)
图8
描述了三种模式的相对灵敏度随太赫兹波段的变化。(一)x-PoM及(b)y砰的一声。

表格2表示三种模型的光学参数的数值。最佳值用斜体标出。这个斜体标记表明，三种模型中没有一种对所有参数都占主导地位。考虑到光学参数之间的权衡，本文选择OPT模型作为BCS。OPT模型在损失和相对敏感性之间保持平衡。获得更高的功率分数、相对灵敏度和NA以及更低的EML、EA、色散和CL是任何类型的基于pcf的传感器的关键目标。由于在OPT−10%、OPT和OPT + 10%模型中，没有特定的模型能同时达到所有参数的标准值，所以我们必须选择一个参数几乎达到典型值的模型。因此，我们选择OPT模型作为本研究的BCS。
模型 EffAX（μ米2） EffAY（μ米2） NA EMLX(cm−1） EMLY(cm−1） 色散(ps /太赫兹/厘米) CLX(cm−1） CLY(cm−1） RSX（%） RSY（%）
opt−10% 82939 83051 0.2288 0.0058 0.0057 0.1467±0.0129 1.13 × 10−10 3.11 × 10−10 94.18 94.09
选择 98975 99121 0.2104 0.0060 0.0058 0.1206±0.0116 3.20×10−12 9.00×10−12 95.20 95.13
opt + 10% 116435 116610 0.1946 0.0061 0.0061 0.1206±0.0116 5.00 × 10−12 1.38 × 10−11 95.99 95.95
表2
三种型号2.5太赫兹卫星的光学参数比较。
5.2.最优支柱选择

为了评估我们的BCS的最佳支撑值，我们改变了它的值，并评估了每次的光学参数。我们模拟了三个struct值的OPT模型，即7.5μ10米,μM和12.5μm.我们对具有1.44 RI的分析物进行了此模拟。

数据9(一个)和9 (b)图中太赫兹波段的EffA值x- - -y-PoM分别用于三个不同的支柱值。7.5μm支柱模型在2.5 THz时EffA值最低x- - -y砰的一声。EffA的值为10μM支撑模型中x- - -y-PoM介于其他两个模型的EffA值之间。

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(一)
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(b)
图9
三种模型在太赫兹波段具有不同的支撑值时的ea表示。(一)x-PoM及(b)y砰的一声。

7.5的太赫兹波段NA值μ10米,μM和12.5μm支柱模型如图所示10。所有三种模型显示的NA值几乎相等。然而，7.5μm支撑模型显示，在2.5 THz时NA的最大值为0.2136。NA的值为10μm支柱模型在太赫兹区接近最大NA。


图10
三种不同支板在太赫兹波段的数值孔径描述。

数据(11日)和11 (b)中显示EML的值x- - -y-PoM分别用于三个模型。12.5μm支柱模型显示EML在两个模型中的最低值x- - -y砰的一声。这些值分别是0.0059和0.00576厘米−1在2.5太赫兹x- - -y分别是-PoM，而10μM支柱模型有0.0060 cm和0.0058 cm−1以相同的频率。

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(b)
图11
三种不同结构值在太赫兹波段的EML表示。(一)x-PoM及(b)y砰的一声。

三种不同支撑值模型的太赫兹波段色散量如图所示12。所有模型在2.4 ~ 3.0 THz范围内色散接近平坦。10μm支柱模型在2.5太赫兹处色散最小。7.5时色散值分别为0.1223±0.0121、0.1206±0.0116和0.1206±0.0116 ps/THz/cmμ10米,μM和12.5μM个支柱模型。


图12
三个支柱值在太赫兹波段的色散表示。

CL的波动x- - -y图中显示了由支撑值变化引起的pom(13日)和13 (b),分别。在这两个pom中，随着频率的增加，CL急剧下降。虽然CL为12.5μM支柱模型初始最低，为7.5μm支柱模型在2.5太赫兹时CL最低。在2.0太赫兹之后，三种模型的CL量立即接近于零。然而，这10个μm支柱模型证实，在2.5太赫兹时，两个pom的CL值都较低。7.5的CL值μM支柱模型为2.66 × 10−137.16 × 10−12厘米−1在x- - -y-PoM，分别为2.5太赫兹。这两个值都非常接近10的CL各自的值μM支撑模型。

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(b)
图13
三种支柱值的太赫兹波段CL的波动。(一)x-PoM及(b)y砰的一声。

数据(14日)和14 (b)描述了7.5的相对灵敏度值作为太赫兹波段的函数μ10米,μM和12.5μM支柱模型x -和ypom,分别。7.5μ在整个太赫兹波段，两种PoMs的相对灵敏度最高。该模型在2.5太赫兹下的相对灵敏度分别达到96.00%和95.96%x -和ypom,分别。另一方面，10μM杆模型在两者中表现出较高的相对灵敏度x -和y-PoM与12.5相比μM支撑模型。

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(b)
图14
三种模式的相对灵敏度随太赫兹波段的函数表示。(一)x-PoM及(b)y砰的一声。

7.5口径的光学参数值的数值比较μ10米,μM和12.5μm结构模型如表所示3.。每个光学参数的标准值用斜体标出。该表反映了7.5μ除了EML和色散外，m支柱模型的光学参数都有典型值。另一方面，10μM支柱模型在保持较低的损耗和较高的相对灵敏度的情况下，所有光学参数都接近典型值。考虑到这个场景，我们选择了10μM支柱模型，因为它通过保持相对较低的损耗和较高的相对灵敏度来平衡光学参数。
支柱(μ米) EffAX（μ米2） EffAY（μ米2） NA EMLX(cm−1） EMLY(cm−1） 色散(ps /太赫兹/厘米) CLX(cm−1） CLY(cm−1） RSX（%） RSY（%）
7.5 95849 96289 0.2136 0.0061 0.0059 0.1223±0.0121 2.66 × 10−13 7.16 × 10−12 96.00 95.96
10 98975 99121 0.2104 0.0060 0.0058 0.1206±0.0116 3.20×10−12 9.00×10−12 95.20 95.13
12.5 101775 101131 0.2076 0.0059 0.00576 0.1206±0.0116 7.93 × 10−12 3.17 × 10−11 94.24 94.16
表3
在2.5太赫兹下三种支杆值的光学参数比较。
5.3.基于ri的分析物传感

将最优的PCF结构和最优的支柱值结合在一起，对本文提出的BCS进行建模。然后用这个传感器来感应具有不同RI的不同化学物质。将任何特定的化学物质注入传感器的核心区域，使用更精细的网格分析来评估该化学物质的光学参数。该策略重复多次，以评估具有不同RI值(从1.33到1.48)的化学物质的光学参数。

数据(15日)和15 (b)描述了OPT模型在太赫兹波段的有效传感区域x- - -ypom,分别。两种PoM的EffA值均随光频的增加而减小。该传感器的这一特性表明，在高频率下，芯内的光强度更高。EffA的取值为104980、104310、103050、101910、100850、99880、98975、98130、97341μ米2在2.5太赫兹下，RI分别为1.33、1.34、1.36、1.38、1.40、1.42、1.44、1.46和1.48的化学品。

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图15
不同RI的分析物在太赫兹波段的ea比较。(一)x-PoM及(b)y砰的一声。

数字16比较具有不同RI值的化学品的拟议BCS的NA。建议的BCS在整个太赫兹波段保持NA的可接受值。在2.5太赫兹下，RI为1.33、1.34、1.36、1.38、1.40、1.42、1.44、1.46、1.48的化学物质的NA值分别为0.2045、0.2052、0.2064、0.2075、0.2085、0.2095、0.2104、0.2112、0.2121。


图16
不同RI下太赫兹波段数值孔径的表示。

文件中的EML值x和y具有不同RI的分析物的-PoM如图所示(17日)和17 (b)单独。该模型对两种PoM都保持较低的EML。模型显示0.0051、0.0052、0.0054、0.0056、0.0057、0.0059、0.0060、0.0061和0.0062厘米−1在2.5 THz下，分析物的EML分别为1.33、1.34、1.36、1.38、1.40、1.42、1.44、1.46和1.48 RIx砰的一声。

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(b)
图17
不同分析物在太赫兹波段的EML比较。(一)x-PoM及(b)y砰的一声。

数字18比较了所提出的BCS对不同分析物在太赫兹波段的色散。该模型对所有分析物保持超低分散。此外，该模型在2.4 ~ 3.0 THz范围内具有近似平坦的色散特性。在2.5 THz的色散值分别为0.1185±0.01225、0.1185±0.0123、0.1201±0.0127、0.1212±0.0129、0.1215±0.01325、0.1184±0.01215、0.1206±0.0116、0.1176±0.0112、0.122±0.0131，分别为1.33、1.34、1.36、1.38、1.40、1.42、1.44、1.46和1.48 RI。


图18
所提出的模型在太赫兹波段对不同分析物的色散表示。

对提出的BCS的CL进行了比较x- - -y -不同分析物的PoM如图所示(19日)和19 (b),分别。在两种传播模式下，CL在2.0太赫兹之后立即接近绝对零。这表明在传感器模型的核心内部有更高的光约束。CL值为6.92 × 10−10， 4.28 × 10−101.64 × 10−10， 6.30 × 10−11， 2.40 × 10−118.90 × 10−12， 3.20 × 10−12， 1.10 × 10−123.00 × 10−13厘米−1对于RI分别为1.33、1.34、1.36、1.38、1.40、1.42、1.44、1.46和1.48的分析物x- 2.5太赫兹时的pom。

(一)＂name=
(一)
(b)＂name=
(b)
图19
不同分析物在太赫兹波段的CL比较。(一)x-PoM及(b)y砰的一声。

的相对灵敏度曲线x- - -y-PoM显示在图中20(一个)和20 (b),分别。该模型对具有较高RI的化学物质具有较高的相对灵敏度。相对灵敏度分别为92.45、92.79、93.41、93.95、94.42、94.83、95.20、95.53和95.82%，相对灵敏度分别为RI 1.33、1.34、1.36、1.38、1.40、1.42、1.44、1.46和1.48x-PoM在2.5太赫兹，而在y-PoM时，BCS的相对灵敏度略低于x砰的一声。

(一)＂name=
(一)
(b)＂name=
(b)
图20
所提出的模型对不同分析物的相对灵敏度曲线的描述。(一)x-PoM及(b)y砰的一声。

不同分析物的光学参数的数值比较见表4。
国际扶轮 EffAX（μ米2） EffAY（μ米2） NA EMLX(cm−1） EMLY(cm−1） 色散(ps /太赫兹/厘米) CLX(cm−1） CLY(cm−1） RSX（%） RSY（%）
1.33 104980 103690 0.2045 0.0051 0.0049 0.1185±0.01225 6.92 × 10−10 2.10 × 10−09年 92.45 92.45
1.34 104310 103290 0.2052 0.0052 0.005 0.1185±0.0123 4.28 × 10−10 1.28 × 10−09年 92.79 92.67
1.36 103050 102460 0.2064 0.0054 0.0052 0.1201±0.0127 1.64 × 10−10 4.80 × 10−10 93.41 93.30
1.38 101910 101610 0.2075 0.0056 0.0054 0.1212±0.0129 6.30 × 10−11 1.80 × 10−10 93.95 93.85
1.40 100850 100760 0.2085 0.0057 0.0066 0.1215±0.01325 2.40 × 10−11 6.70 × 10−11 94.42 94.34
1.42 99880 99931 0.2095 0.0059 0.0057 0.1184±0.01215 8.90 × 10−12 2.50 × 10−11 94.83 94.76
1.44 98975 99121 0.2104 0.006 0.0058 0.1206±0.0116 3.20 × 10−12 9.00 × 10−12 95.20 95.13
1.46 98130 98340 0.2112 0.0061 0.006 0.1176±0.0112 1.10 × 10−12 3.00 × 10−12 95.53 95.47
1.48 97341 97590 0.2121 0.0062 0.0061 0.122±0.0131 3.00 × 10−13 1.00 × 10−12 95.82 95.77
表4
比较了该模型在2.5太赫兹下对不同分析物的传感性能。

所提出的BCS的性能指标与表中其他传感器进行了比较5。与其他传感器相比，该模型的光学参数均具有典型值。
Ref。 国际扶轮 太赫兹频率。 EffA (μ米2） NA EML (cm−1） 色散(ps /太赫兹/厘米) ConfL (cm−1） 灵敏度(%)
［5］ 1.33, 1.35, 1.38 1.5 166000 - - - - - - - - - - - - 20. 2.93 × 10−14 79.91
［32］ 1.33 1.354 1.366 1.0 144000 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 2.5 × 10−14 63.24
［14］ 1.366 1.394 1.44 1.8 - - - - - - - - - - - - 0.009 - - - - - - 1.71 × 10−14 94.40
［33］ 1.3326 - -1.3505 1.8 397340 - - - - - - 0.004 - - - - - - 4.87 × 10−11 91.50
［34］ 1.33 1.354 1.366 1.0 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 3.02 × 10−8 78.06
［69］ 1.33 1.354 1.366 1.7 - - - - - - 0.42 0.028 0.275 1.23 × 10−8 89.00%
［70］ 1.41, 1.45 2.5 - - - - - - - - - - - - 0.028 - - - - - - 5.00 × 10−15 89.00
提出了BCS 1.33 - -1.48 2.5 97341 0.2121 0.0051 0.1176±0.0112 3.00×10−13 95.82
表5
提出的BCS与现有传感器的比较。

6.结论

本文提出了一种在太赫兹波段下工作的简单矩形BCS。该BCS可有效应用于生物成分和化学品检测目的。该传感器的传感性能在1.5 ~ 3.0太赫兹范围内进行了评估。此外，所提出的BCS包含一个简单的矩形排列，这将确保该传感器的制造可行。该传感器在2.5太赫兹处的相对灵敏度最高可达95.82%。此外，该传感器的EML和CL可以忽略不计。由于该BCS模型具有极低的损耗和超高的相对灵敏度，可以有效且高效地应用于不同样品的生化传感应用，不同样品的RI在1.33 ~ 1.48之间。

数据可用性

这是一项基于模拟的研究，没有使用外部数据。

利益冲突

作者声明无利益冲突。

作者的贡献

Abdullah Al-Mamun Bulbul, Abbas Z. Kouzani, M. A. Parvez Mahmud和Abdullah- al Nahid对这项研究进行了概念化。正式分析由Abdullah Al-Mamun Bulbul进行。资金收购由Abbas Z. Kouzani和M. A. Parvez Mahmud完成。Abdullah Al-Mamun Bulbul和Abdullah- al Nahid调查了这项研究。方法是由Abdullah Al-Mamun Bulbul, m.a. Parvez Mahmud和Abdullah- al Nahid开发的。项目管理由Abbas Z. Kouzani和M. A. Parvez Mahmud负责。资源由Abbas Z. Kouzani和M. A. Parvez Mahmud获得。监督由Abbas Z. Kouzani, M. A. Parvez Mahmud和Abdullah-Al Nahid完成。Abbas Z. Kouzani和Abdullah-Al Nahid证实了研究结果。Abdullah Al-Mamun Bulbul, m.a. Parvez Mahmud和Abdullah- al Nahid对可视化研究做出了贡献。 Writing of original draft was performed by Abdullah Al-Mamun Bulbul and Abdullah-Al Nahid. Review and editing were done by Abbas Z. Kouzani and M. A. Parvez Mahmud.

致谢

作者感谢迪肯大学，Geelong, VIC 3216为本研究提供资源。

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