Design and optimization of integrated plasmo-photonic sensors

Abstract

The research efforts of this thesis have been revolved around the development of novel plasmo-photonic refractive index sensors addressing the requirements for real-time detection with high-sensitivity. Firstly, two types of open-cladded, water-loaded plasmonic waveguides (a stripe-based and a slot-based) were investigated for their integration in a low-loss photonic platform targeting maximum coupling efficiency and compatibility with complementary metal-oxide semiconductor (CMOS) fabrication processes. For the photonic platform, silicon nitride has been selected since it offers multiple benefits compared to silicon including lower cost and lower propagation losses. With regard to metal materials, gold (Au) was initially deployed as the reference material, and then aluminum (Al) and copper (Cu) have been investigated for CMOS manufacturing. Τhe numerical investigation showed that the CMOS-compatible structures exhibit similar performance with the gold-based counterparts with coupling losses at telecom wavelengths even in the sub-dB region for the Au-based hybrid slot structure and close to 1 dB for the Cu-based configurations. In terms of sensitivity credentials, the stripe waveguide is more sensitive to refractive index changes of the surrounding liquid than the slot-based one. Hence, the stripe-based plasmonic waveguide was selected for the development of a highly sensitive plasmonic-assisted integrated photonic refractive index sensor with real-time control and optimization capabilities consisting of a Si3N4-based Mach-Zehnder interferometer (MZI) with a 70 μm long, Au-based metal stripe in the sensing arm serving as the sensing transducer. In the reference arm, a thermo-optic phase shifter followed by a variable optical attenuator have been incorporated for performance optimization. The proposed sensor was fabricated and experimentally evaluated exhibiting a bulk sensitivity of 1930 nm/RIU and an ER of 37 dB. Further optimization was explored by a theoretical analysis that correlates the sensitivity with the sensor’s FSR. This analysis showed that sensitivity increases with increasing FSR and can be boosted up to 60000 nm/RIU for a sensor with FSR in the range of 600 nm. However, the above theoretical analysis neglected the effect of dispersion leading to discrepancies between theoretically expected and simulated values of the sensor sensitivity for high-FSR configurations beyond 150 nm. This finding stimulated research efforts towards a new theoretical framework that can reliably explore even high-FSR Mach-Zehnder interferometers that typically yield higher sensitivities and accurately calculate both their FSR and sensitivity taking into account dispersion. In the extended study, the phase difference, Δφ, between the two arms with respect to wavelength was expressed as a parabola by means of a 2nd order Taylor series expansion concluding to a new, more precise formula for the FSR calculation. As a next step, the above findings were translated into a second equation for the calculation of the sensitivity of an MZI-based sensor when its FSR is known. This formula shows that the sensitivity of a high-FSR sensor is not univocally defined by the FSR and the plasmonic waveguide length but the dispersion characteristics of the constituting waveguides also play a significant role. Deploying the new theory, the sensitivity can be boosted to >10^5 nm/RIU by simply exploiting dispersion engineering of the waveguides.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή διαπραγματεύεται τη σχεδίαση και βελτιστοποίηση πλασμο-φωτονικών αισθητήρων δείκτη διάθλασης ώστε να ικανοποιηθούν οι απαιτήσεις για ανίχνευση σε πραγματικό χρόνο και με μεγάλη ευαισθησία. Αρχικά, σχεδιάστηκαν 2 τύποι πλασμονικών κυματοδηγών «ανοιχτού» περιβλήματος (ένας κυματοδηγός τύπου λωρίδας με πεπερασμένο πλάτος και ένας κυματοδηγός διακένου) και η διεπαφή τους με φωτονικούς κυματοδηγούς σε υδάτινο περιβάλλον με στόχο τη μέγιστη μεταφορά ισχύος από το φωτονικό στο πλασμονικό μέρος και αντίστροφα καθώς και τη συμβατότητα με τη CMOS τεχνολογία. Για την υλοποίηση των φωτονικών δομών επιλέχθηκε ως εναλλακτικό διηλεκτρικό το νιτριδίου του πυριτίου αντί του πυριτίου λόγω των χαμηλότερων απωλειών που παρουσιάζει. Για τους πλασμονικούς κυματοδηγούς, στην αρχική μελέτη χρησιμοποιήθηκε ο χρυσός ως το πλασμονικό μέταλλο αναφοράς και στη συνέχεια οι αντίστοιχες διατάξεις μελετήθηκαν με τα συμβατά με τη CMOS τεχνολογία μέταλλα αλουμίνιο και χαλκό καταλήγοντας σε δομές με παρόμοια απόδοση παρουσιάζοντας απώλειες σύζευξης της τάξης του 1 dB ή ακόμα και μικρότερων του 1 dB. Σχετικά με την αναμενόμενη ευαισθησία των δύο κυματοδηγών, ο ρυθμός που υποστηρίζεται από τον κυματοδηγό λωρίδας είναι πιο ευαίσθητος σε αλλαγές του δείκτη διάθλασης του περιβάλλοντος μέσου. Επομένως, ο κυματοδηγός τύπου λωρίδας επιλέχθηκε για την ανάπτυξη ενός ολοκληρωμένου πλασμο-φωτονικού αισθητήρα δείκτη διάθλασης όπου ένας πλασμονικός κυματοδηγός μήκους 70 μm από χρυσό βρίσκεται ενσωματωμένος στον έναν κλάδο ενός φωτονικού συμβολόμετρου τύπου Mach-Zehnder και λειτουργεί ως η περιοχή ανίχνευσης. Στον κλάδο αναφοράς βρίσκεται ένας θερμο-οπτικός ολισθητής φάσης κι ένας μεταβαλλόμενος οπτικός εξασθενητής για τη βελτιστοποίηση της λειτουργίας του αισθητήρα. Μετά τη σχεδίαση, ο προτεινόμενος πλασμο-φωτονικός αισθητήρας κατασκευάστηκε και χαρακτηρίστηκε πειραματικά επιτυγχάνοντας ευαισθησία ίση με 1930 nm/RIU ενώ ο λόγος απόσβεσης μετρήθηκε ίσος με 37 dB. Στη συνέχεια, αναπτύχθηκε μια μεθοδολογία για την περαιτέρω βελτιστοποίηση της απόδοσης του αισθητήρα σύμφωνα με την οποία η ευαισθησία σχετίζεται με την ελεύθερη φασματική περιοχή του. Η θεωρητική ανάλυση που πραγματοποιήθηκε θεωρώντας μηδενική συχνοτική διασπορά του ενεργού δείκτη διάθλασης έδειξε ότι η ευαισθησία αυξάνεται με αυξανόμενο FSR και μπορεί να φτάσει μέχρι και 60000 nm/RIU αν ο αισθητήρας σχεδιαστεί με μεγάλη φασματική περιοχή της τάξης των 600 nm. Ωστόσο, παρατηρήθηκε ότι η παραπάνω μεθοδολογία οδηγεί σε κάποιες αποκλίσεις σε σχέση με τα αποτελέσματα της προσομοίωσης σε διατάξεις με FSR>150 nm κάτι το οποίο οφείλεται στη θεώρηση μηδενικής διασποράς. Επομένως, ακολούθησε επέκταση της παραπάνω μελέτης χρησιμοποιώντας όρους 2ης τάξης για την προσέγγιση της διαφοράς φάσης (Δφ) μεταξύ των 2 κλάδων καταλήγοντας σε νέα, ακριβέστερη αναλυτική εξίσωση για τον υπολογισμό του FSR που συμφωνεί με τα αποτελέσματα αριθμητικών προσομοιώσεων. Στη συνέχεια, προχωρήσαμε σε εξαγωγή νέας σχέσης για τον υπολογισμό της ευαισθησίας συμβολομετρικού αισθητήρα τύπου Mach-Zehnder σε συνάρτηση με το FSR που δίνει ακριβή αποτελέσματα ακόμα και στις περιπτώσεις μεγάλων FSR της τάξης των 300 nm. Η τελευταία ανάλυση έδειξε ότι η ευαισθησία δεν καθορίζεται μονοσήμαντα από το FSR της διάταξης αλλά εξαρτάται και από επιμέρους χαρακτηριστικά διασποράς των κυματοδηγών. Αυτό σημαίνει ότι διατάξεις με το ίδιο FSR μπορούν να έχουν διαφορετική τιμή ευαισθησίας και ότι η απόδοση μιας διάταξης επιδέχεται βελτιστοποίηση μέσω του κατάλληλου σχεδιασμού των κυματοδηγών αγγίζοντας τιμές >10^5 nm/RIU.