Waveguide-Based Photonic Sensors: From Devices to Robust Systems
Creators: name: Milvich, Johannes
Publisher: name: Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Year: 2021
Subjects: Optics
Photonics
Silicon Photonics
Integrated Photonics
Sensors
Photonic Sensors
Waveguides
System Design
Sensor Performance
Chemical Sensors
Effective Refractive Index
Phase Measurement
Ring Resonator
Mach-Zehnder Interferometer
Frequency Modulation
Field Interaction
Surface Sensing
Limit of Detection
Noise
Robust Sensor System

description: Integrierte photonische Sensorsysteme bestehen aus miniaturisierten, massenproduktionstauglichen Bauelementen, die sich einerseits die ausgereifte Halbleitertechnologie zu Nutze machen, und die sich andererseits aus dem Baukasten vorhandener photonischer Komponenten bedienen, welche ins-besondere für Telekommunikationsanwendungen entwickelt wurden. Integrierte photonische Sensorsysteme kombinieren einen integrierten photonischen Schaltkreis (photonic integrated circuit, PIC), optoelektronische Lichtquellen und Photodetektoren, sowie elektronische Komponenten für die Signalerzeugung und Signalverarbeitung. Die optoelektronischen Komponenten sind entweder direkt auf dem PIC integriert oder sind externe Komponenten, in beiden Fällen wird das Licht in Wellenleiter auf dem PIC ein- und anschließend wieder ausgekoppelt. In solch einem System dient der PIC als Sensorelement, welches so entworfen wird, dass sich die optische Transmission mit hoher Sensitivität von den zu detektierenden Änderungen in seiner Umgebung beeinflusst wird. Ein wichtiges Beispiel ist ein biochemischer Sensor-PIC, welcher über Wellenleiter mit funktionalisierten Wellenleiteroberflächen die Adsorbtion von Molekülen detektieren kann. Eine Besonderheit ist, dass hierfür keine Markierung der zu detektierenden Molekülgruppen wie z.B. Floureszenzfarbstoffe notwendig sind, weshalb solche Verfahren als „label-free“ bezeichnet werden. Durch die Kompaktheit der entsprechenden Sensorelemente können eine Vielzahl von Sensoren parallel innerhalb eines einzelnen Chips auf einer Fläche im Bereich von nur einem Quadratmillimeter realisiert werden. Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist eine ganzheitliche Betrachtung von integrierten photonischen Sensorsystemen auf mehreren Abstraktionsebenen. Die Betrachtung beinhaltet eine detaillierte Analyse des photonischen Wellenleiterdesigns auf der untersten Abstraktionsebene, des photonischen Schaltungsdesigns und des Systemdesigns inklusive der Elektronik, der Lichtquellen und der Photodetektoren auf der mittleren Abstraktionsebene, sowie eine Analyse des Ansteuer- sowie Ausleseverfahrens um hochpräzise, eindeutige Messdaten zu generieren auf der obersten Abstraktionsebene. Ein besonderes Augenmerk liegt hierbei auf der Optimierung der Leistungsfähigeit auf der Gesamtsystemebene, sowie auf der Kompensation von unvermeidbaren Variationen der Komponenteneigenschaften, welche unweigerlich mit einer Massenproduktion sowie mit einem energieeffizienten Sensorbetrieb unter realistischen Umgebungsbedingungen einhergehen. Nach einem kurzen Überblick über wesentliche Ergebnisse dieser Arbeit folgt in den Kapiteln 1 bis 6 die eigentliche Abhandlung der Inhalte. Die darauffolgenden Anhänge beinhalten weiterführende konzeptionelle und mathematische Details sowie Verzeichnisse der Literaturangaben, der Akronyme, der verwendete mathematischen Symbole, der Figuren, der Tabellen und der Publikationen. Im Anschluss daran folgt eine Danksagung so-wie ein Lebenslauf des Autors. Teile dieser Arbeit wurden bereits in Patenten [P1], [P2], internationalen Fachjournalen [J1], [J2], sowie in einem Konferenzbeitrag [C1] publiziert. Die Hauptkapitel 1 bis 6 dieser Arbeit sind wie folgt strukturiert: Kapitel 1 gibt eine Einführung in das Gebiet der integrierten photonischen Sensorsysteme und behandelt hierbei optische Sensoren, relevante Anwendungen und die Entstehung der integrierten photonischen Technologie aus der elektronischen Halbleiterindustrie. Weiterhin wird der Umfang der in dieser Arbeit durchgeführten Analyse aufgezeigt. Kapitel 2 stellt die mathematischen und konzeptionellen Grundlagen integrierter photonischer Sensorsysteme zusammen und behandelt hierbei die Propagation von elektromagnetischen Wellen in photonischen Wellenleitern und den wellenleiterbasierten Sensormechanismus über den effektiven Brechungsindex einer optischen Mode. Weiterhin bietet es einen umfassenden Überblick über das komplette Sensorsystem ausgehend von phasensensitiven photonischen Schaltkreisen über die wichtigsten Systemkomponenten und deren technologischen Herausforderungen bis hin zu einer Gegenüberstellung der geläufigsten Systemkonfigurationen und Auslesekonzepte. Kapitel 3 analysiert das Design integrierter photonischer Wellenleiter für Sensoranwendungen. Dieses Kapitel bietet physikalische Einsichten und umfängliche Designleitlinien, mit Hilfe derer für eine bestimmte Messaufgabe eine passende photonische Integrationsplattform, ein Wellenleitertypus, eine Modenfamilie sowie eine optimierte Wellenleitergeometrie aus-gewählt werden können. Grundlage hierfür ist die Wechselwirkung einer geführten Wellenleitermode mit einer Änderung des Wellenleiterquerschnittes, die durch die zu bestimmende Messgröße hervorgerufen wird. Diese Wechselwirkung wird quantitativ durch den Feldinteraktionsfaktor beschrieben. Kapitel 4 analysiert die Leistungsfähighkeit und die Limitierungen des gesamten photonischen Systems inklusive der phasensensitiven photonischen Schaltkreise, der Lichtquellen und Photodetektoren, sowie des elektrischen Ansteuer- sowie Ausleseverfahrens. Ein besonderes Augenmerk liegt hier-bei auf Systemen, welche für eine kosteneffiziente Großserienproduktion ausgelegt wurden. Hierbei spielen insbesondere Variationen der Komponenteneigenschaften eine Rolle, welche unweigerlich mit einer Massenproduktion sowie einem energieeffizienten Sensorbetrieb unter realistischen Umgebungsbedingungen einhergehen. Kapitel 5 stellt ein besonders robustes photonisches Sensorsystem vor, welches, basierend auf den Erkenntnissen aus den Kapiteln 3 und 4, für Sensoranwendungen außerhalb idealisierter Laborbedingungen und explizit für eine Großserienproduktion geeignet ist. Basierend auf einem integrierten Mach-Zehnder-Interferometer mit drei um 120° phasenverschobenen Ausgangssignalen wird ein spezielles Ansteuer- und Ausleseverfahren demonstriert, welches eine instantane Selbstkalibration und eine jederzeit eindeutige Phasenmessung ermöglicht. Kapitel 6 fasst die wesentlichen Ergebnisse und Schlussfolgerungen zusammen und identifiziert offene Herausforderungen für eine erfolgreiche Kommerzialisierung integrierter photonischer Sensorsysteme.