Optimization and Fabrication of Photonic Crystal Drop Filters for Optical Biosensing

Abstract

Fotoniske krystaller kan bli brukt til å lage kompakte fotoniske komponenter. Frekvensfiltre basert på fotoniske krystaller blir i denne studien undersøkt for bruk som brytningsindeksbaserte biosensorer.

Filteret undersøkt her består av to bølgeledere plassert over og under en resonanskavitet i en fotonisk krystall. De forskjellige komponentene til filteret ble designet og simulert i to og tre dimensjoner med COMSOL og de fritt tilgjengelige programvarepakkene MIT Photonic Bands og MIT Electromagnetic Equation Propagation. Et frekvensfilter med kvalitetsfaktor 9,800 og 45% transmisjon ved resonans ble simulert i 3D etter optimering av de forskjellige komponentene. Videre ble kvalitetsfaktoren til resonatoren brukt i filtrene forbedret til 414,000, mer enn en størrelsesorden sammenlignet med tidligere arbeid. En multiplexer bestående av fire separate filtre ble simulert i 2D, og nøyaktig kontroll av fire separate resonanstopper ble demonstrert.

Fotonisk krystall-filtre basert på simuleringene ble fabrikert ved bruk av elektronstålelitografi (EBL) til mønstring av silicon-on-insulator-prøver lagd med plasma-forbedret kjemisk dampfase-deponering (PECVD). Mønstrede prøver ble deretter etset med reaktiv ioneetsing med induktivt koblet plasma (ICP-RIE). Bølgeledere og filtre i fotoniske krystaller av høy kvalitet ble fabrikert, og transmisjonsspektrene funnet med tunebar laser stemte godt overens med simuleringer. En kvalitetsfaktor på 2,100 ble funnet for et av filtrene. Sensitiviteten til sensoren ble testet ved å legge en dråpe vann over filteret. Et resonansskift på 21.1 nm ble funnet, noe som er nære resonansskiftet på 18.6 nm funnet i simuleringer.

Photonic crystals can be used to make compact photonic devices. The use of photonic crystal drop filters as label-free optical biosensors by refractive index sensing was investigated in this study.

The drop filter consists of two photonic crystal waveguides placed above and below a photonic crystal resonator. The components of the drop filter were designed and simulated in 2D and 3D using COMSOL and the open-source software packages MIT Photonic Bands and MIT Electromagnetic Equation Propagation. After optimization, a drop filter with a quality factor of 9,800 and 45% transmission at resonance was simulated in 3D. Additionally, the quality factor of the unloaded resonator was improved to 414,000, more than an order of magnitude higher than achieved in earlier work by the author. A multiplexer device consisting of four drop filters placed in series was simulated in 2D, and precise control of four resonance peaks was demonstrated.

Photonic crystal drop filters based on the simulations were fabricated using electron beam lithography (EBL) to pattern silicon-on-insulator samples made using plasma-enhanced chemical vapor deposition (PECVD). Patterned samples were later etched using inductively coupled plasma reactive-ion etching (ICP-RIE). High quality photonic crystal devices were fabricated, with transmission spectra for photonic crystal waveguides and filters similar to simulated spectra. A quality factor of 2,100 was found for the drop filter. Additionally, a resonance shift of 21.1 nm was found after depositing a drop of water on top of the sensor, similar to the 18.6 nm resonance shift found in 3D simulations.