Design and optimization of integrated plasmo-photonic sensors
Authors: Χατζηαναγνώστου Ευαγγελία 
Published: April 2022

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.