Design and realization of photonic structures and control for interferometric hybridly integrated sensors
Authors: Γουναρίδης Ελευθέριος 
Published: June 2021

Τις τελευταίες δύο δεκαετίες, έχει παρατηρηθεί αξιοσημείωτη πρόοδος στην ανάπτυξη συσκευών φωτονικών αισθητήρων με εφαρμογή σε τομείς όπως η παρακολούθηση του περιβάλλοντοςη βιοτεχνολογία, η ιατρική διαγνωστική, ο έλεγχος φαρμάκων και ο έλεγχος ποιότητας των τροφίμων. Παρότι η τεχνολογία των φωτονικών αισθητήρων έχει ωριμάσει, τόσο σε ερευνητικό όσο και σε εμπορικό επίπεδο, παρατηρούνται προβλήματα σταθερότητας, ευαισθησίας και μεγέθους τα οποία έχουν αποτρέψει τη γενική χρήση τους για εφαρμογές στο πραγματικό πεδίο δράσης. Σε αυτή τη διατριβή, παρουσιάζεται η ανάπτυξη ενός φωτονικού αισθητήρα ανίχνευσης της αλλαγής του δείκτη διάθλασης του δείγματος, ο οποίος προσφέρει λύσεις σε αυτά τα μειονεκτήματα. Τα κύρια μέρη αυτού του αισθητήρα είναι οι φωτονικές δομές που έχουν σκοπό την επιπλέον συμπάγειά του μέσω της υβριδικής ολοκλήρωσης που προσφέρουν, ο αλγόριθμος για την επεξεργασία των δεδομένων, στοχεύοντας την αυξημένη ευαισθησία και τη βελτίωση του ορίου ανίχνευσης καθώς και οι ηλεκτρονικές διατάξεις ελέγχου του. Στο πρώτο κεφάλαιο της διατριβής, παρουσιάζεται η αρχή λειτουργίας του αισθητήρα ανίχνευσης αλλαγής του δείκτη διάθλασης και η τοποθέτησή του στο φάσμα των φωτονικών αισθητήρων, ως προς την ευαισθησία και το μέγεθός του. Στο δεύτερο κεφάλαιο, περιγράφονται οι φωτονικές δομές που σχεδιάστηκαν και μελετήθηκαν στα πλαίσια της παρούσας διατριβής. Χρησιμοποιώντας την κατάλληλη μέθοδο προσομοίωσης στα αντίστοιχα στάδια σχεδιασμού, περιγράφονται αναλυτικά οι τρεις φωτονικές δομές οι οποίες είναι το κλειδί προς την υβριδική ολοκλήρωση του αισθητήρα. Το πρώτο είδος φωτονικών δομών είναι οι συζεύκτες πολλών ρυθμών (Multimode Interference couplers – MMIs) οι οποίοι είναι υπεύθυνοι για τον ακριβή και ισόποσο διαχωρισμό της οπτικής ισχύος ώστε να τροφοδοτούνται οι μικροδακτύλιοι συντονισμού που δρουν ως το αισθητήριο στοιχείο. Έπειτα από τον εργαστηριακό τους χαρακτηρισμό, διαπιστώθηκαν δομές με επιδόσεις ανισορροπίας ισχύος μεταξύ των κυματοδηγών εξόδου και απώλειας ισχύος, 0.08 dB και 0.6 dB αντίστοιχα, που επιτυγχάνουν τους στόχους που αρχικά είχαν τεθεί. Το δεύτερο είδος φωτονικών δομών, είναι οι συζεύκτες φράγματος περίθλασης με στόχο την ανακατεύθυνση του φωτός από την πηγή (VCSEL) προς το φωτονικό chip και από το φωτονικό chip προς τις φωτοδιόδους αντίστοιχα. Έχοντας ως προαπαιτούμενο την ευκολία κατασκευής τους, σχεδιάστηκαν fully-etched δομές με συντελεστή σύζευξης 54%, καθιστώντας τις χρήσιμο εργαλείο στη βιβλιοθήκη κατασκευαστών φωτονικών chips. Το τρίτο είδος φωτονικών δομών είναι ο περιστροφικός πολωτής, ο οποίος σε επίπεδο προσομοίωσης πληρούσε τις προδιαγραφές με στόχο τη μερική περιστροφή του κυματοδηγούμενου ΤΕ ρυθμού σε ΤΜ, ο οποίος θα μπορούσε να οδηγήσει σε αύξηση της ευαισθησίας του συστήματος λόγω του μεγαλύτερου βάθους εισχώρησής του στο δείγμα προς εξέταση. Στο τρίτο κεφάλαιο, περιγράφεται ο αλγόριθμος που αναπτύχθηκε για την επεξεργασία των πειραματικών δεδομένων για τον υπολογισμό της μετατόπισης του μήκους κύματος συντονισμού, ο οποίος βασίζεται στη θεωρία Fourier Transform. Μέσω ενός εκτεταμένου συνόλου αριθμητικών μελετών, περιγράφεται η σύγκριση του αλγορίθμου που έχει ως πυρήνα υπολογισμού τού διακριτού μετασχηματισμού Fourier της συνάρτησης μεταφοράς των MRRs, την FFT μέθοδο, με αυτήν της αναζήτησης τοπικού μεγίστου (Peak search method) και με την μέθοδο Lorentzian προσαρμογής καθώς και η ανεκτικότητά του στα ποικίλα είδη θορύβου. Στην πρώτη περίπτωση, αποδείχθηκε πως για πρακτικά βήματα σάρωσης και ρεαλιστικά επίπεδα απώλειας εντός της MRR κοιλότητας, η FFT μέθοδος βελτιώνει την ανάλυση (0.01 pm) και το όριο ανίχνευσης (~10e-7 nm/RIU) του συστήματος κατά 2-3 τάξεις μεγέθους. Στην περίπτωση σύγκρισης της FFT μεθόδου με αυτή της Lorentzian προσαρμογής, αποδείχθηκε πως μπορούν να επιτευχθούν ίδια επίπεδα ακρίβειας του αισθητήρα, χρησιμοποιώντας όμως μέχρι και 270 μεγαλύτερο βήμα σάρωσης, κάτι που οδηγεί στην δυνατότητα χρήσης ακόμη πιο φθηνών στοιχείων, μειώνοντας έτσι το συνολικό κόστος του αισθητήρα. Χρησιμοποιώντας λοιπόν τον αλγόριθμο που αναπτύχθηκε στα πλαίσια της διατριβής, επιτυγχάνουμε αποτελέσματα ανάλυσης και ορίου ανίχνευσης των φωτονικών αισθητήρων όμοια με αυτά έπειτα από τη χρήση των κοινών μεθόδων αναζήτησης τοπικού μεγίστου και Lorentzian προσαρμογής, χρησιμοποιώντας όμως είτε πολύ μεγαλύτερα βήματα σάρωσης της πηγής, είτε πιο ευρεία οπτικά φίλτρα, μειώνοντας έτσι χαρακτηριστικά το κόστος κατασκευής του . Στο τέταρτο κεφάλαιο της διατριβής, παρουσιάζεται η δύο επιπέδων αρχιτεκτονική της ηλεκτρονικής πλατφόρμας που ελέγχει τα μεμονωμένα μέρη του αισθητήρα. Επίσης, παρουσιάζονται πειράματα επαλήθευσης των θεωρητικών αποτελεσμάτων των αριθμητικών μελετών του 3ου κεφαλαίου, οδηγώντας σε πειραματική επαλήθευση της ευαισθησίας των MRRs κοντά στα 93.7 nm/RIU, ανάλυση του αισθητήρα 0.08 pm για βήμα σάρωσης 0.5 pm, και όριο ανίχνευσης 8.5·10e-7 RIU. Τέλος, παρουσιάζονται πειράματα με τη χρήση πραγματικών δειγμάτων χρησιμοποιώντας βιο-τροποποιημένους μικροδακτυλίους συντονισμού και έχοντας ως στόχο την ανίχνευση και τη δέσμευση των μορίων μυκοτοξίνης OTA και χαλκού στα αντίστοιχα απταμερή, καθώς και την επίδραση της παρουσίας MgCl2 στη διαδικασία μέτρησης.