Integrated photonic circuits for multiplexing and sensing applications

Abstract

During the last decades Photonic Integrated Circuits (PIC) have witnessed remarkable progress in a variety of applications spanning from optical interconnects to optical sensors. However, PICs also face several challenges due to their size and performance limitations that need to be addressed in order to keep up with the increased market demands. To overcome the above problems of photonic technology, in this content, the combination of silicon photonics with plasmonic waveguides has been proposed as a possible solution for the next generation of photonic integrated circuits towards enabling more reliable, precise and compact devices. Towards this direction, the main research outcomes of this thesis have been revolved around the development of (i) a novel plasmo-photonic refractive index (RI) sensor and (ii) a silicon Arrayed Waveguide Gratings Router (AWGR) for the communication of different RI sensor in a single device. This thesis consists of 5 different Chapters. Chapter 1 describes the plasmo-photonic technology and the need of using both technologies. Then, Chapter 2 presents the concept, the layout, the theoretical analysis of the proposed plasmo-photonic RI sensor and the theoretical proof of the independence between sensitivity and plasmonic waveguide length. Chapter 3 demonstrates the experimental validation for different configurations and experimentally presents for the first time a bimodal R.I. with sensitivity value of 4464 nm/RIU for uncladded photonic waveguides and 6069 nm/RIU for cladded photonic waveguide. Furthermore, this chapter presents the experimental results for the sensitivity value for different plasmonic lengths. Chapter 4 displays the theoretical and experimental study of a 16×16 silicon photonic AWGR and finally the Chapter 5 mention the conclusion and the future work.Initially, the concept of the sensor is described. The sensor consists of two access photonic SU-8 waveguides (WG) with dimensions 1.8 μm x 1.5 μm (thickness x width) separated by an 80 nm × 7 μm aluminum (Al) metal stripe WG located on top of an appropriately thinner SU-8 WG layer (bottom layer). At the plasmonic area, two metal-insulator interfaces are formed at the top and bottom surfaces of the plasmonic stripe, which are able to support SPP modes of TM polarization. A detailed design is conducted to optimize the sensor architecture, focusing on the critical parameters, such as the Extinction Ratio and the sensitivity of the sensor, that affect its performance. Simulation results are presented, demonstrating the sensor's response to various configurations with different dimension of photonic waveguides at the input and the output part of the sensor and for the thickness of the photonic waveguide under the Al stripe. Apart from the comprehensive theoretical analysis of bimodal single-arm interferometric sensors, this thesis presents the mathematical expression that delineates the relationship between sensor sensitivity and length. According to the above analysis, the sensitivity of bimodal sensors is independent of the detection area length and depends only on the difference between the group indices of the two propagating modes. After determining the dimensions of the waveguides, the fabrication of the proposed sensor and the experimental characterization followed. More specifically, a different configuration of the plasmo-photonic sensor was characterized. Through the experiments the plasmonic propagation losses were calculated and found equal to 0.10 dB/μm for the top mode and 0.143 dB/μm for the bottom mode, while the photonic to plasmonic interface losses were found equal to 2.28 dB. The above values are in quite good agreement with the simulation results, i.e., propagation losses of 0.055 dB/μm for the top mode and 0.104 dB/μm for the bottom mode, and interface losses of 2 dB per interface. Also, RI experiments were performed using a sensor with plasmonic length equal to 100 μm. The achieved experimental bulk RI sensitivity was found equal with 4464 nm/RIU by using liquid samples with varying refractive indexes. The above sensitivity value was in good agreement with the one expected from the theory (5806 nm/RIU). After that, the experimental study of the sensitivity using a bimodal plasmo-photonic sensor with different plasmonic stripe lengths (50, 75, 100 μm) was carried out, revealing that the length of plasmonic waveguide has no impact on sensing performance. The obtained sensitivity values for the sensors with the above plasmonic stripe length were found equal to 4464, 4386, 4362 nm/RIU, respectively. These findings give the ability for more compact and powerful sensors that can achieve high sensitivity values at ultra short sensing lengths. After the proof of principle of the uncladded bimodal sensor, the next step was the experimental characterization of cladded bimodal sensor. Adding the protective cladding, the protection from environmental parameters such as dust was achieved and the sensor with the extra cladding layer was suitable for bio-experiments. RI experiments reveal sensitivity value equal to 6069 nm/RIU, which are in excellent agreement with the value expected from theory (6078 nm/RIU).Finally, a comprehensive study of the principle of operation, design, fabrication, simulation, and experimental characterization of Arrayed Waveguide Gratings Routers (AWGR) was described for use as a multiplexer towards enabling multiplexed sensor devices. After the theoretical analysis that defines the optimum AWGR dimensions, including waveguide dimensions and refractive index contrast, the AWGR was fabricated and experimentally evaluated. The experimental demonstration of the AWGR revealed a channel spacing equal to 1.063 nm (189 GHz), a free spectral range (FSR) of 17.8 nm (3.15 THz), a 3-dB channel bandwidth of 0.655 nm (116 GHz), a channel peak insertion loss (IL) value that ranges between 3.9 dB and 8.37 dB yielding a loss non-uniformity (Uni) of 4.47 dB among all port combinations, and a crosstalk value equal to 21.65 dB. The experimental results of the AWGR were in good agreement with the results obtained from the simulations.To summarize, the proposed cladded bimodal plasmo-photonic sensor, exploiting Al as the plasmonic metal and SU-8 as the photonic platform, offer high bulk sensitivity values, reducing the footprint of the device. The combination with photonic AWGR offer promising prospects for advanced sensing and interconnections application, providing a powerful tool for comprehensive and accurate detection of a wide range of biological analytes in a single device improving the performance capabilities of sensors.

Κατά την διάρκεια των τελευταίων χρόνων τα φωτονικά ολοκληρωμένα κυκλώματα (ΦΟΚ) (photonic integrated circuits) έχουν σημειώσει αξιοσημείωτη πρόοδο σε μία ποικιλία εφαρμογών που εκτείνονται από τις οπτικές διασυνδέσεις μεγάλων ή και μικρότερων αποστάσεων έως τους οπτικούς αισθητήρες. Παρόλα αυτά τα ΦΟΚ αντιμετωπίζουν αρκετές προκλήσεις κυρίως λόγω του περιορισμένου μεγέθους των φωτονικών συστημάτων, οι οποίες όμως χρειάζεται να αντιμετωπιστούν για να μπορέσουν τα ΦΟΚ να συμβαδίσουν με τις συνεχώς αυξανόμενες απαιτήσεις της αγοράς. Για να ξεπεραστούν τα προβλήματα που αντιμετωπίζει η φωτονική τεχνολογία έχει προταθεί ο συνδυασμός της χρήσης της φωτονικής τεχνολογίας βασισμένη στο πυρίτιο με τους πλασμονικούς κυματοδηγούς ως μια πιθανή λύση για την επόμενη γενιά των ολοκληρωμένων φωτονικών κυκλωμάτων. Με αυτόν τον τρόπο, θα συνδυαστούν τα πλεονεκτήματα της κάθε τεχνολογίας με σκοπό την δημιουργία πιο αξιόπιστων και γρήγορων συσκευών με μικρότερες διαστάσεις. Προς αυτή την κατεύθυνση, τα κύρια αποτελέσματα της παρούσας διατριβής επικεντρώθηκαν στα ακόλουθα ευρήματα: (1) στην θεωρητική ανάλυση, στον σχεδιασμό και στην ανάπτυξη ενός πλασμο-φωτονικού αισθητήρα που ανιχνεύει την αλλαγή στον δείκτη διάθλασης διαφόρων υγρών διαλυμάτων και (2) στην δημιουργία ενός κυκλικού δρομολογητή βασισμένο στο πυρίτιο για την επικοινωνία πολλαπλών αισθητήρων σε μία μόνο συσκευή. Η συγκεκριμένη διατριβή αποτελείται από 5 διαφορετικά κεφάλαια. Το Κεφάλαιο 1 εισάγει τον αναγνώστη τόσο στην φωτονκή όσο και στην πλασμονική τεχνολογία αναφέροντας τα πλεονεκτήματα / μειονεκτήματα καθώς και τις εφαρμογές της εκάστοτε τεχνολογίας. Επίσης το Κεφάλαιο 1 περιγράφει την ανάγκη χρήσης του συνδυασμού των 2 τεχνολογιών για την ανάπτυξη βελτιωμένων συσκευών. Έπειτα, το Κεφάλαιο 2, παρουσιάζει την κύρια ιδέα, τη διάταξη, την θεωρητική ανάλυση του πλασμο φωτονικού αισθητήρα και επιπρόσθετα αποδεικνύει χρησιμοποιώντας τους κατάλληλους μαθηματικούς τύπους ότι η τιμή της ευαισθησίας ενός διτροπικού πλασμο-φωτονικού αισθητήρα μονού βραχίονα παραμένει σταθερή και δεν εξαρτάται από τα μήκη των πλασμονικών κυματοδηγών που χρησιμοποιούνται, οδηγώντας με αυτό τον τρόπο σε πιο συμπαγείς αισθητήρες. Τα παραπάνω θεωρητικά αποτελέσματα αποδεικνύονται χρησιμοποιώντας και το αντίστοιχο λογισμικό που παρέχεται από την LUMERICAL. Στην συνέχεια, το Κεφάλαιο 3, αναλύει τα πειραματικά αποτελέσματα που προέκυψαν από την πειραματική ανάλυση διαφόρων αισθητήρων και αναφέρει τον 1ο αισθητήρα μονού βραχίονα με τιμή ευαισθησίας ίση με 4464 nm/RIU για φωτονικούς κυματοδηγούς εισόδου/εξόδου χωρίς προστατευτικό περίβλημα και περιγράφει επίσης και τα πειραματικά ευρήματα ενός αισθητήρα μονού βραχίονα αυτή την φορά έχοντας οι φωτονικοί κυματοδηγοί εισόδου/εξόδου ένα extra υλικό το οποίο τους προστατεύει από περιβαλλοντικούς παράγοντες όπως η σκόνη, επιτυγχάνοντας τιμή ευαισθησίας ίση με 6069 nm/RIU. Τα πειραματικά αποτελέσματα βρίσκονται σε πλήρη συμφωνία με τα αντίστοιχα αποτελέσματα που προέκυψαν από τις θεωρητικές αναλύσεις. Εκτός των παραπάνω πειραματικών αποτελεσμάτων το συγκεκριμένο κεφάλαιο περιγράφει τις πειραματικές μετρήσεις για την τιμή ευαισθησίας για διάφορα μήκη πλασμονικού κυματοδηγού. Το Κεφάλαιο 4 αναδεικνύει την θεωρητική και πειραματική μελέτη ενός 16×16 κυκλικού δρομολογητή συστοιχίας κυματοδηγών και τέλος στο Κεφάλαιο 5 αναφέρονται τα συμπεράσματα της παρούσας εργασίας και οι μελλοντικές εργασίες. Αρχικά, περιγράφεται η ιδέα του προτεινόμενου αισθητήρα. Αυτός αποτελείται από 2 φωτονικούς κυματοδηγούς οι οποίοι βασίζονται στο πολυμερές υλικό SU-8 και έχουν διαστάσεις 1.8 μm x 1.5 μm (πάχος x μήκος) οι οποίοι διαχωρίζονται από έναν πλασμονικό Αλουμίνιο κυματοδηγό λωρίδας με συνολικές διαστάσεις 80 nm x 7 μm ο οποίος βρίσκεται πάνω από έναν λεπτότερο φωτονικό κυματοδηγό (κάτω επίπεδο). Στην πλασμονική περιοχή, 2 περιοχές μετάλλου/απομονωτή δημιουργούνται στην επάνω και στην κάτω επιφάνεια του Αλουμινίου αντίστοιχα. Σε αυτές τις περιοχές υπάρχει η δυνατότητα διάδοσης για τα Πολαριτόνια Επιφανειακού Πλασμονίου (Surface Plasmon Polaritons, SPP ). Ένας λεπτομερής σχεδιασμός έλαβε χώρα με στόχο την βελτιστοποίηση του τελικού αισθητήρα βελτιστοποιώντας διάφορες παραμέτρους που διαδραματίζουν σπουδαίο ρόλο στην συνολική συμπεριφορά του αισθητήρα όπως είναι ο Λόγος Σβέσης στην έξοδο και η ευαισθησία που μπορούμε να πετύχουμε. Στο 2ο κεφάλαιο παρουσιάζονται επίσης τα αποτελέσματα που προέκυψαν από τις προσομοιώσεις δείχνοντας την συμπεριφορά του αισθητήρα σε διαφορετικές διατάξεις στις οποίες τόσο οι διαστάσεις των κυματοδηγών εισόδου και εξόδου όσο και το πάχος του ενδιάμεσου φωτονικού κυματοδηγού άλλαζαν. Εκτός από την εκτενή θεωρητική ανάλυση των αισθητήρων μονού βραχίονα, η παρούσα διατριβή παρουσιάζει επιπλέον τη μαθηματική ανάλυση που ακολουθήθηκε για να περιγράψει την σχέση μεταξύ της ευαισθησίας του αισθητήρα μονού βραχίονα και του μήκους του χρησιμοποιούμενου πλασμονικού κυματοδηγού. Σύμφωνα με την παραπάνω ανάλυση και μελέτη, η ευαισθησία ενός αισθητήρα μονού βραχίονα είναι ανεξάρτητη από το μήκος της περιοχής ανίχνευσης και εξαρτάται μόνο από την διαφορά των δεικτών ομάδας των 2 ρυθμών (του πάνω ρυθμού στην διεπιφάνεια μετάλλου και διηλεκτρικού και του κάτω ρυθμού στην διεπιφάνεια του πλασμονικού κυματοδηγού με τον φωτονικό) που υποστηρίζονται από τον αισθητήρα μονού βραχίονα. Με αυτόν τον τρόπο χρησιμοποιώντας μικρότερο μήκος πλασμονικού κυματοδηγού αποφεύγουμε τις υψηλές απώλειες διάδοσης στον κυματοδηγό Αλουμινίου διατηρώντας παράλληλα την ευαισθησία του αισθητήρα σταθερή.Μετά τον καθορισμό των κατάλληλων διαστάσεων των κυματοδηγών από τις θεωρητικές αναλύσεις ακολούθησε η κατασκευή και ο πειραματικός χαρακτηρισμός του αισθητήρα. Αναλυτικότερα, χαρακτηρίστηκαν ποικίλες παραλλαγές στις διαστάσεις των κυματοδηγών του αισθητήρα. Μέσων των οπτικών χαρακτηρισμών, υπολογίστηκαν οι απώλειες διάδοσης των πλασμονικών κυματοδηγών και βρέθηκαν ίσες με 0.10 dB/μm για τον πάνω ρυθμό και 0.143 dB/μm για τον κάτω ρυθμό ενώ οι απώλειες στην διεπιφάνεια του φωτονικού προς τον πλασμονικό κυματοδηγού υπολογίστηκαν ίσες με 2.28 dB. Οι παραπάνω πειραματικές τιμές βρίσκονται σε πλήρη συμφωνία με τις αναμενόμενες από την θεωρία τιμές, όπως για παράδειγμα οι θεωρητικές απώλειες διάδοσης οι οποίες είναι ίσες με 0.055 dB/μm για τον επάνω ρυθμό και 0.104 dB/μm για τον κάτω ρυθμό και απώλειες στην διεπιφάνεια του φωτονικού με τον πλασμονικό κυματοδηγό είναι ίσες με 2 dB. Επιπρόσθετα, χρησιμοποιώντας έναν αισθητήρα με πλασμονικό μήκος κυματοδηγού ίσο με 100 μm έλαβαν χώρα και πειράματα μεταβολής δείκτη διάθλασης. Η μέγιστη τιμή ευαισθησίας που επιτεύχθηκε για τα παραπάνω πειράματα ήταν ίση με 4464 nm/RIU χρησιμοποιώντας υγρά διαλύματα με διαφορετικούς δείκτες διάθλασης. Η παραπάνω τιμή ευαισθησίας βρίσκεται σε πλήρη συμφωνία με την ευαισθησία που αναμενόταν από την θεωρία (5806 nm/RIU). Στην συνέχεια ακολούθησε η πειραματική μελέτη της ευαισθησίας χρησιμοποιώντας αισθητήρες μονού βραχίονα με διαφορετικά μήκη πλασμονικού κυματοδηγού και ίσα με 50, 75 και 100 μm επιβεβαιώνοντας την θεωρία σύμφωνα με την οποία το μήκος του πλασμονικού κυματοδηγού δεν επηρεάζει την τιμή της ευαισθησίας του αισθητήρα. Οι τιμές ευαισθησίας για τα παραπάνω πλασμονικά μήκη υπολογίστηκαν ίσες με 4464, 4386, 4362 nm/RIU, αντίστοιχα. Τα παραπάνω αποτελέσματα προσφέρουν την δυνατότητα για πιο συμπαγείς αισθητήρες με μικρότερο αποτύπωμα που μπορούν να πετύχουν υψηλές τιμές ευαισθησίας σε μικρότερα μήκη ανίχνευσης. Μετά την πειραματική απόδειξη της αρχής λειτουργίας του αισθητήρα χωρίς κάποιο προστατευτικό περίβλημα, ακολούθησε η πειραματική μελέτη έχοντας εισαγάγει ένα προστατευτικό στρώμα στους φωτονικούς κυματοδηγούς εισόδου και εξόδου. Προσθέτοντας το επιπρόσθετο υλικό, επιτεύχθηκε η προστασία του αισθητήρα από περιβαλλοντικούς παράγοντες όπως είναι για παράδειγμα η σκόνη καθιστώντας τον αισθητήρα κατάλληλο για βιοχημικές εφαρμογές. Τέλος έλαβαν χώρα και πειράματα μεταβολής δείκτη διάθλασης πετυχαίνοντας τιμή ευαισθησίας ίση με 6069 nm/RIU η οποία βρίσκεται σε πλήρη συμφωνία με την θεωρητική τιμή ευαισθησίας που είναι ίση με 6078 nm/RIU. Τέλος, στην παρούσα διατριβή αναφέρεται μια εκτενής μελέτη της αρχής λειτουργίας, του σχεδιασμού, των προσομοιώσεων, της κατασκευής και του πειραματικού χαρακτηρισμού δρομολογητών συστοιχίας κυματοδηγών φραγμάτων περίθλασης (AWGR). Μετά την ολοκλήρωση της θεωρητικής ανάλυσης η οποία κατέληξε στις βέλτιστες διαστάσεις των κυματοδηγών ακολούθησε η κατασκευή του AWGR. Μετά την κατασκευή του AWGR παρουσιάζονται τα πειραματικά αποτελέσματα της διάταξης αποκαλύπτοντας διάστημα καναλιών του 16 x 16 AWGR ίσο με 1.063 nm (ή 189 GHz), ελεύθερο φασματικό εύρος ίσο με 17.8 nm και 3 dB εύρος ζώνης καναλιού ίσο με 0.655 nm (ή 116 GHz). Τα αποτελέσματα που προέκυψαν μετά τον πειραματικό χαρακτηρισμό του AWGR, βρίσκονται σε συμφωνία με αυτά που προέκυψαν από τις προσομοιώσεις, επικυρώνοντας με αυτό τον τρόπο την θεωρητική ανάλυση και την διαδικασία κατασκευής που προηγήθηκαν. Συνοψίζοντας, ο προτεινόμενος αισθητήρας μονού βραχίονα που αποτελείται από φωτονικούς κυματοδηγούς που βασίζονται στο SU-8 και από έναν πλασμονικό κυματοδηγό Αλουμινίου προσφέρει υψηλή τιμή ευαισθησίας όταν χρησιμοποιούνται υγρά διαλύματα με διαφορετικούς δείκτες διάθλασης, μειώνοντας ταυτόχρονα και το συνολικό μέγεθος (αποτύπωμα) του αισθητήρα. Ο συνδυασμός επίσης του παραπάνω αισθητήρα με το φωτονικό AWGR που παρουσιάστηκε στο Κεφάλαιο 4 προσφέρει την δυνατότητα για προηγμένες εφαρμογές ανίχνευσης και διασυνδέσεων ανοίγοντας τον δρόμο για την ανίχνευση διαφορετικών ουσιών σε μία μόνο συσκευή με χαμηλό αποτύπωμα και χαμηλό κόστος παραγωγής βελτιώνοντας με αυτό τον τρόπο την συνολική απόδοση των αισθητήρων.