Integrated Photonic Circuits for multiplexing and sensing applications
Creators: name: Φωτιάδης, Κωνσταντίνος Α.
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2024
Subjects: Οπτική δρομολόγηση
Πολυπλεξία μήκους κύματος
Φωτονική τεχνολογία
Πολυμερικό υλικό, SU-8
Πλασμονική τεχνολογία
Πολαριτόνια Επιφανειακού Πλασμονίου
Ολοκληρωμένα φωτονικά κυκλώματα
Φωτονική πυριτίου
Πλασμο-φωτονικοί αισθητήρες
Δείκτης διάθλασης
Ευαισθησία
Αλουμίνιο
Δρομολογητές συστοιχίας κυματοδηγών φραγμάτων περίθλασης
Συνολοκληρωμένοι πλασμονικοί αισθητήρες
Διτροπικός αισθητήρας
Περιοχή ανίχνευσής
Optical routing
Wavelength division
Photonic technology
SU-8 polymer
Plasmonic technology
Surface Plasmon Polariton
Photonic integrated circuits
Silicon photonics
Plasmo-photonic sensor
Refractive Index
Sensitivity
Aluminum
Arrayed Waveguide Grating Router
Co-integrated plasmonics
Bimodal sensor
Sensing area length

description: 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.
description: 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.