Thesis (Ph.D.) - Cairo University - Faculty of National Institute of Laser Enhanced Sciences - Department of Engineering Application of Laser

Bibliography: p. 172-187.

Nowadays, developing photonic biosensors with high sensitivity and compact size becomes mandatory due to the rapid progress in medical diagnostics. In this context, plasmonic photonic crystal fiber (PCF) sensors have advantages in terms of biocompatible and real time bio-sensing thanks to their high flexibility and unusual light control mechanisms. This thesis focuses on the design and analysis of highly sensitive, compact size, biocompatible and multifunctional PCF biosensors. The modal analysis of the proposed sensors is made by full-vectorial finite-element method with perfect matched layer boundary condition. First, dual core (DC) PCF multi-functional biosensor is also proposed and analyzed. The suggested structure has a dual-core filled with alcohol mixture. Further, two gold rods are mounted in the inner surface of central analyte infiltrated hole. The numerical results show that the two fundamental core modes (even mode and odd mode) have different characteristics through the entire wavelength range due to the geometry of the proposed PCF infiltrated by the alcohol. Moreover, the suggested design has very high refractive index (RI) and temperature sensitivity of 34600 nm/RIU and 21.05 nm/{u00B0}C, respectively, with high resolution of 2.89{u00D7}{u3016}10{u3017}^(-6) RIU. The achieved sensitivity is superior to those in the literature with muli-functionality. A highly sensitive dual D-shaped PCF biosensor based on surface plasmon resonance (SPR) sensing mechanism is proposed and analyzed. The upper and lower surfaces of the PCF are etched where two gold nanorods are mounted on them. At the resonance wavelength, the effective indices of the core guided mode and surface plasmon mode are equal. Therefore, maximum power transfer occurs from the core mode to the surface plasmon mode with high losses. The resonance wavelength highly depends on the analyte refractive index. Consequently, the suggested biosensor has high refractive index (RI) sensitivity of 12800 nm/RIU with resolution of 7.8{u00D7}{u3016}10{u3017}^(-6) RIU. Next, a multifunctional PCF is reported that can operate as a RI sensor and polarization filter as well. The full vectorial finite element method (FV-FEM) is used to numerically analyze the proposed design. Further, the filter characteristics are approved by using finite difference time domain method (FDTD). The suggested PCF filter has a dual D-shaped PCF. Thegold layers are coated over the etched surfaces. Therefore, the TM mode is attenuated due to the coupling with the plasmonic modes. A wide operation bandwidth from n=1.1 æm to n=1.7 æm with crosstalk (CT) less than -21 dB and very short device length of 36 æm are achieved.The attenuation loss peak of the TM mode at the resonance frequency depends on the analyte refractive index which achieves the RI sensing 5300 nm/RIU with resolution of 1.887{u00D7}{u3016}10{u3017}^(-5) RIU.

في الوقت الحاضر ، أصبح تطوير أجهزة الاستشعار الحيوية الضوئية ذات الحساسية العالية والحجم الصغير إلزاميًا بسبب التقدم السريع في التشخيص الطبي. في هذا السياق ، تتمتع مستشعرات الألياف البلورية الضوئية (PCF) بمزايا من حيث التوافق الحيوي , والاستشعار الحيوي فائق السرعه, و مرونتها العالية , وآليات التحكم في الضوء غير العادية. تركز هذه الأطروحة على تصميم وتحليل أجهزة الاستشعار الحيويةعالية الحساسية و ذات الحجم الصغير والمتوافقة حيوياً ومتعددة الوظائف. يتم إجراء التحليل النموذجي لأجهزة الاستشعار المقترحة من خلال طريقة العناصر المحدودة الاتجاهية الكاملة مع حالة حدود طبقة متطابقة تمامًا.أولاً ، تم اقتراح وتحليل جهاز الاستشعار البيولوجي متعدد الوظائف PCF ثنائي النواة (DC). يحتوي الهيكل المقترح على قلب ثنائي مملوء بمزيج كحول. علاوة على ذلك ، يتم تثبيت قضيبين من الذهب في السطح الداخلي للفتحة المخترقة المركزية. تظهر النتائج العددية أن الوضعين الأساسيين (الوضع الزوجي والوضع الفردي) لهما خصائص مختلفة من خلال نطاق الطول الموجي بأكمله بسبب هندسة PCF المقترح و الذى يحتوى على ثنائية النواه. علاوة على ذلك ، يحتوي التصميم المقترح على حساسية معامل انكسار عالٍ جدًا (RI) وحساسية درجة حرارة تبلغ 34600 نانومتر / وحدة معامل الانكسار و 21.05 نانومتر / درجة مئوية ، على التوالي ، بدقة عالية تبلغ 2.89×〖10〗^(-6)وحدة معامل الانكسار. تتفوق الحساسية المحققة على تلك الموجودة في الأدبيات ذات الوظائف المتعددة.
تم اقتراح وتحليل مستشعر حيوي PCF مزدوج عالي الحساسية على شكل D يعتمد على آلية استشعار رنين البلازمون السطحي (SPR). تم شطف الأسطح العلوية والسفلية من PCF حيث تم تركيب اثنين من القضبان الذهبية النانوية عليهما. عند طول موجة الرنين ، حيث تتساوى قيم معامل انكسار كلا من core mode و surface plasmon mode. لذلك ، يحدث أقصى نقل للطاقة من core mode إلى surface plasmon mode على السطح مع فقد عالي جدا. يعتمد الطول الموجي للرنين بشكل كبير على معامل انكسار المادة التحليلية. وبالتالي ، فإن المستشعر الحيوي المقترح لديه حساسية عالية لمعامل الانكسار (RI) تبلغ 12800 نانومتر / وحدة معامل الانكسار باستبانة 7.8×〖10〗^(-6)وحدة معامل الانكسار.
بعد ذلك ، تم عمل تقرير عن PCF متعدد الوظائف يمكن أن يعمل كمستشعر RI ومرشح استقطاب أيضًا. يتم استخدام طريقة العناصر المحدودة الاتجاهية الكاملة (FV-FEM) لتحليل التصميم المقترح عدديًا. علاوة على ذلك ، تمت الموافقة على خصائص المرشح باستخدام طريقة المجال الزمني المحدد (FDTD). يحتوي مرشح PCF المقترح على PCF مزدوج على شكل حرف D. طبقات الذهب مطلية فوق الأسطح المحفورة. لذلك ، يحدث فقد عالىلوضع TM بسبب الاقتران بأوضاع plasmonic. يتم تحقيق عرض نطاق تشغيل واسع من λ = 1.2 ميكرومتر إلى = 1.6 ميكرومتر مع تداخل (CT) أقل من -21 ديسيبل وطول جهاز قصير جدًا يبلغ 36 ميكرومتر. تعتمد ذروة خسارة التوهين في وضع TM عند تردد الرنين على معامل الانكسار التحليلي الذي يحقق حساسية استشعار لمعامل الانكسارقدرها 5300 نانومتر / وحدة معامل الانكسار بدرجة دقة بلغت1.887×〖10〗^(-5)وحدة معامل الانكسار

Issued also as CD

Text in English and abstract in Arabic & English.