Σχεδίαση αισθητήρα με πλέγματα Bragg (SWG κυματοδηγών) με βάση τον πλασμονικό κυματοδηγό λεπτού υμενίου (Thin Film Plasmonic Waveguide) και νιτριδίου του πυριτίου Si3N4
Creators: name: Μητρόπουλος, Στέφανος Ευάγγελου
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2022
Subjects: Πλέγματα Bragg
Αισθητήρες
Νιτρίδιο του πυριτίου
Bragg gratings
Sensors
Silicon nitride

description: Σκοπός αυτής της εργασίας είναι η μελέτη και η ανάλυση απλών φωτονικών, πλασμονικών και SWG κυματοδηγών με εφαρμογή σε αισθητήρες δείκτη διάθλασης για την C-μπάντα. Οι κυματοδηγοί αυτοί χρησιμοποιούν την πλατφόρμα νιτριδίου του πυριτίου SiN λόγω του χαμηλού κόστους κατασκευής, χαμηλών απωλειών διάδοσης, και λόγω της δυνατότητας συν-ολοκλήρωσής τους με άλλες πλατφόρμες, όπως του πυριτίου επί μονωτή (SOI). Αρχικά μελετάται αριθμητικά ο απλός φωτονικός και ο πλασμονικός κυματοδηγός SiN με προσομοιώσεις 2D-FDE όπου επιλύεται το πρόβλημα των ιδιοτιμών και στη συνέχεια υπολογίζεται η ευαισθησία όγκου κυματοδηγού (waveguide bulk sensitivity) που αποτελεί μία πρώτη μέθοδο μέτρησης για την απόδοση των αισθητήρων δείκτη διάθλασης. Με στόχο τη βελτίωση της ευαισθησίας όγκου, μελετώνται παράλληλα περιοδικές δομές φράγματος Bragg αρχικά ως προς τις περιοχές λειτουργίας τους με προσομοιώσεις 3D-FDTD και διακρίνονται οι περιοχές μηκών κύματος όπου η περιοδική δομή λειτουργεί ως υπό του μήκους κύματος SWG (sub-wavelength grating) κυματοδηγός. Έπειτα εξάγονται τα χαρακτηριστικά του ρυθμού Bloch-Floquet ο οποίος υποστηρίζεται από τον SWG κυματοδηγό και μελετάται η ικανότητά του για αίσθηση της μεταβολής του δείκτη διάθλασης του περιβλήματος. Τέλος συγκρίνονται οι αποδόσεις των δύο διατάξεων. Τα κυριότερα αποτελέσματα για φωτονικό κυματοδηγό SiN διαστάσεων 0.5x0.8μmXμm είναι S_Bulk=0.256 RIU/RIU ή 25.6% για την ΤΕ πόλωση και για SWG κυματοδηγό με διαστάσεις 1.1x0.8μmXμm και περίοδο Λ = 0.5μm είναι S_Bulk,ng=70.15 RIU/RIU ή 7015% και S_Bulk,neff=0.8985 RIU/RIU ή 89.85% για την ΤΕ πόλωση, όπου RIU είναι ο μοναδιαίος δείκτης διάθλασης (Refractive Index Unit). Η ευαισθησία αυτή είναι αυξημένη κατά 16.5 φορές από τον αντίστοιχο φωτονικό κυματοδηγό SiN ίδιων διαστάσεων. Για τις προσομοιώσεις αυτές χρησιμοποιήθηκε το λογισμικό της Ansys Lumerical, το οποίο παρέχει τα κατάλληλα εργαλεία για τη μελέτη πολλών φυσικών φαινομένων στα ολοκληρωμένα φωτονικά κυκλώματα
description: The scope of this thesis is the study and the analysis of photonic, plasmonic and SWG waveguides in the C-band for sensing applications. The Silicon Nitride (SiN) choice for the platform is because of the advantages it provides, such as low cost, low propagation losses and co-integration with other materials, like Silicon on Insulator (SOI). Initially a basic photonic and a plasmonic SiN waveguide are numerically studied with 2D-FDE simulations, solving the eigenvalue problem and then the waveguide bulk sensitivity is calculated, providing a metric for the efficiency of the refractive index sensors. In order to enhance the waveguide sensitivity, periodic structures such as Bragg gratings are studied using 3D-FDTD simulations, visualizing the three different operating regions. The frequency region where waveguiding is induced is called Sub-Wavelength. Afterwards are extracted the properties of the Bloch-Floquet mode that is supported by the SWG waveguide. Lastly, the SWG waveguide’s ability to sense refractive index changes in the cladding is studied, where there is a comparison in the performance of the two devices. The best sensitivity results arise for the basic photonic SiN waveguide with dimensions 0.5x0.8μmXμm where a value of S_Bulk=0.256 RIU/RIU or 25.6% for TE polarization is calculated. For the SWG waveguide with dimensions 1.1x0.8μm¬Xμm and pitch Λ = 0.5μm the corresponding value is S_Bulk,ng=70.15 RIU/RIU or 7015% and S_Bulk,neff=0.8985 RIU/RIU or 89.85% for TE polarization. Overall, the SWG’s sensitivity is enhanced by a factor of 16.5 from the corresponding photonic SiN waveguide of the same dimensions. All simulations were performed with Ansys Lumerical software package, as it provides a complete set of tools for the study and simulation of multiphysics phenomena in integrated optical devices