Study of some Physical Properties of 1D-Photonic Crystals: Biosensing Applications

Abstract

One-dimensional photonic crystals (1D–PhCs) enable precise spectral control via photonic band gaps and defect-mode resonances. This thesis develops and evaluates a compact biosensing platform based on a quarter-wave SiO2/TiO2 multilayer with a central defect cavity that hosts the analyte. Using a transfer-matrix formulation, we derive transmission and reflection spectra under lossless conditions and quantify sensing performance through sensitivity (S), quality factor (Q), figure of merit (FoM), and signal-to-noise ratio (SNR). We examine how the defect thickness (d0), the number of bilayers (N), and the incidence angle (θ) govern resonance position and linewidth. Parametric analysis shows that increasing d0 introduces additional cavity modes and can sharpen resonances, while larger N improves spectral selectivity and Q. Oblique incidence provides a practical knob to further narrow the resonance with a predictable blue shift. Focusing on clinically motivated detection of blood constituents, the device tracks refractive-index changes associated with human blood components and, in particular, variations in hemoglobin concentration. An optimized configuration (N=7, d0=10D, θ=20◦ ) yields narrow defect resonances with Q ≈ 2.6 × 104–3.9 × 104 and sensitivity S ≈ 476 nm/RIU. Across a representative hemoglobin range, the resonance wavelength red-shifts by ∼ 17.6 nm (from ∼ 771.6 nm to ∼ 789.2 nm), while maintaining FWHM on the order of 0.02–0.03 nm, enabling high-resolution discrimination of physiologically relevant changes. These results confirm that defect-engineered 1D–PhCs, realized with standard dielectric stacks, offer a simple, low-cost, and high-performance route to optical biosensing. The framework and guidelines reported here support dispersion-aware design, tolerance analysis, and further improvements via impedance matching and cavity-mode tailoring

تُمَكِّنُ البلّورات الفوتونية أحادية البُعد(D1-PhCs) من التحكم الطيفي الدقيق عبر فجوات الحزمة الفوتونية ورنينات الأنماط العيبية. يُطَوِّرُ هذا البحث ويُقَيِّمُ منصة استشعار حيوي مدمجة تعتمد على طبقات متناوبة من SiO₂/TiO₂ ذات ربع طول موجي، تحتوي في مركزها على تجويف عيبي يُوضَعُ فيه المُحَلَّل. باستخدام صياغة مصفوفة النقل، نحسب أطياف النفاذية في ظروف عديمة الفقد ونُكَمِّمُ أداء الاستشعار من خلال الحساسية (S) ومعامل الجودة (Q) ومعامل الكفاءة (FoM) ونسبة الإشارة إلى الضوضاء (SNR . (ندرس كيف تؤثر سماكة العيب 〖(d〗_0)وعدد الأزواج الثنائية (N) وزاوية السقوط (θ) في موقع الرنين وعرضه الطيفي. يُظهِرُ التحليل البارامتري أن زيادة d_0 تُدخل أنماط تجويف إضافية وقد تُحسِّنُ حدة الرنين، بينما يؤدي ارتفاع N إلى تعزيز الانتقائية الطيفية وزيادة Q. كما توفّر الزاوية المائلة أداة عملية لتضييق الرنين أكثر مع انزياح نحو الأطوال الموجية الأقصر. في سياق الكشف السريري عن مكوّنات الدم، يتتبع الجهاز التغيرات في قرينة الانكسار المرتبطة بمكوّنات دم الإنسان، وبخاصة تغيرات تركيز الهيموغلوبين. يُظهِرٌ التكوين الأمثل (θ=20° ,d_0=10D,N=7 ) رنينات عيبية ضيقة بمعامل جودة Q ≈ 2.6×10⁴-3.9×10⁴ وحساسية S ≈ 476 nm/RIU. عبر نطاق تمثيلي لتركيز الهيموغلوبين، ينزاح طول موجة الرنين نحو الأحمر بمقدار ~17.6 nm (من ~771.6 nm إلى ~789.2 nm)، مع بقاء عرض النصف الأقصى (FWHM) في حدود 0.02-0.03 nm، مما يتيح تمييزاً عالي الدقة للتغيرات الفسيولوجية ذات الصلة. تؤكد هذه النتائج أن البلّورات الفوتونية أحادية البعد المُهندسة بالعيوب، والمحققة عبر تراكيب عازلة قياسية، تتيح نهجاً بسيطاً ومنخفض التكلفة وعالي الأداء للاستشعار البصري الحيوي. يوفر الإطار والإرشادات المعروضة هنا أساساً لتصميم واعٍ للتشتت، وتحليل التحمّل، وتحسينات إضافية من خلال مطابقة الممانعة وتشكيل أنماط التجويف.