Optimization and Fabrication of Multiplexed Mach-Zehnder Interferometer-Assisted Ring Resonator Configuration (MARC) Photonic Sensors

Abstract

Fotoniske enheter basert på silisium-på-isolator (SOI)-plattformen har sett en økt interesse de siste årene, grunnet deres anvendelighet i fotoniske integrerte kretser (PICer). PICer er et godt utgangspunkt for applikasjoner basert på diagnostikk-orienterte brikkelaboratorier (lab-on-chip (LOC)), der interferometriske biosensorkapabiliteter benyttes. Et eksempel på en slik teknologi er såkalte Mach-Zehnder interferometer-assisterte ringresonatorkonfigurasjoner (MARC), som kombinerer resonansoppførselen til en add-drop ringresonator med fase-intensitetskonverteringen til et Mach-Zehnder interferometer. Dette forlenger den dynamiske målerekkevidden til ringresonatoren, samtidig som at transmisjonsresponsen til MARC-enheten får et unikt spektralt fingeravtrykk som åpner opp for multipleksing.

Simuleringsprogramvaren COMSOL Multiphysics 5.4 / 6.0 (COMSOL), som er basert på endelige elementmetoder (FEM), er blitt benyttet til å designe, optimere og simulere tre "konvensjonelle" enkeltring-MARC-strukturer, så vel som til å kombinere disse tre konfigurasjonene til én multiplekset MARC. De tre MARCene har ulike vinkelseparasjoner i sine respektive ringresonatorer (135°, 90° og 240°), og deres transmisjonskarakteristikker (inkludert transmisjonsrespons, kvalitetsfaktor (Q), fullbredde ved halvmaksimum (FWHM) og overordnet ubalanse i interferometer) er blitt diskutert.

Etter optimaliseringer var utført på COMSOL-modellene, ble enkeltring-MARCene og den multipleksede MARC-strukturen fabrikert (hos NTNU NanoLab) på en SOI-plattform. Plasmaforsterket kjemisk dampavsetning (PECVD), elektronstrålelitografi (EBL), reaktiv ioneetsing med induktivt koplet plasma (ICP-RIE) og nær-UV fotolitografi er benyttet, i tillegg til at MARC-fabrikasjonen ble verifisert og karakterisert ved hjelp av sveipelektronmikroskopi (SEM).

De simulerte modellene viser en Q på omtrentlig 9500, 7700, 6900, for henholdsvis 135°-, 90°- og 240°-MARCene. Både 135°- og 240°-MARCene viser utmerket balanse over hele bølgelengde-området på 1510-1550 nm, hvorimot 90°-MARCen er preget av betydelig ubalanse. Til tross for den lave kvaliteten på det simulerte transmisjonsspekteret til den multipleksede MARCen, viser spekteret likefullt sensorens evne til å multiplekse signaler: En endring i brytningsindeksen på ∆n = 0.010 ble introdusert i 240°-ringen, noe som førte til en forskyvning i resonansbølgelengden på ∆λ ≈ 5.3 nm til de tilhørende transmisjonstoppene til ringen.

Transmisjonsspekterne til de fabrikerte MARCene ble karakterisert ved hjelp av en justerbar laserkilde, endekoplet til omvendte kilekoplere (inverted taper couplers) på bølgelederstrukturene. Sveip over ulike bølgelengder (1540-1560 nm) ble utført, og 135°- og 240°-MARCene ga transmisjonsspekter av høy kvalitet, preget av lite støy og smale transmisjonstopper. Der 135°-MARCen viser meget god balanse over bølgelengdeområdet, er derimot 240°- og 90°-MARCene sterkt påvirket av ubalanse. 90°-MARCen er således også sterkt preget av støy. På den annen side er den multipleksede MARCen eksemplarisk i sin oppførsel og er preget av skarpe topper og generelt lite støy, for alle ringene i strukturen. For alle MARCene ble det målt en fri spektralvidde (FSR) på omtrentlig 62% av den simulerte verdien for FSR. Dette belyser begrensninger i de simulerte MARC-modellene, men andre mulige grunner for dette avviket diskuteres også.

På grunn av tidsbegrensninger ble ikke sensoren testet på faktiske målinger, men kvaliteten på det multipleksede spekteret kan indikere at konfigurasjonen som er presentert i dette arbeidet er en god kandidat for en høypresisjons multiplekset MARC-enhet, som i fremtiden kan brukes til LOC-applikasjoner.

Photonic devices based on the silicon-on-insulator (SOI)-platform have gained increased interest in the recent years due to their applicability in photonic integrated circuits (PICs). PICs are a good foundation for diagnostics-oriented lab-on-chip (LOC) applications exploiting interferometric biosensing capabilities, and the Mach-Zehnder interferometer-assisted ring resonator configuration (MARC) photonic sensor is one example of such a device. A MARC sensor combines the resonant behavior of an add-drop ring resonator, with the phase-intensity conversion functionality of a Mach-Zehnder interferometer. This extends the dynamic measurement range of the ring resonator, while simultaneously shaping the transmission response of the device, providing a unique spectral fingerprint suitable for multiplexing.

The finite-elements method (FEM)-based simulation software COMSOL Multiphysics 5.4 / 6.0 (COMSOL) has been used to design, optimize and simulate three ”conventional” single-ring MARC devices, as well as combining these three configurations into a multiplexed MARC. The three MARCs comprise different angular separations in their ring resonators (135°, 90°, and 240°), and their transmission characteristics (including transmission response, quality factor (Q), full-width at half-maximum (FWHM) and overall interferometer balance) have been discussed.

After optimizations to the COMSOL models were made, the single-ring MARCs as well as the multiplexed MARC were fabricated (at NTNU NanoLab) on an SOI platform using plasma-enhanced chemical vapor deposition (PECVD), electron beam lithography (EBL), inductively coupled plasma-reactive ion etching (ICP-RIE) and near-UV photolithography. Scanning electron microscopy (SEM) was performed during and after the fabrication process to verify and characterize the MARC devices.

The simulation models show Q of approximately 9500, 7700, and 6900, for the 135°, 90°, and the 240° MARCs, respectively. While the 135° and 240° MARCs display excellent balance over the simulated wavelength range of 1510-1550 nm, the 90° MARC suffers from significant imbalance. The transmission spectrum of the multiplexed MARC, while not being of particularly good quality, still displays the device’s ability to multiplex signals: A refractive index change of ∆n = 0.010 was introduced to the 240° ring, and this caused a shift in the resonant wavelength of ∆λ ≈ 5.3 nm in the peaks corresponding to that ring.

The transmission spectra of the fabricated MARCs were characterized using a tunable laser source, butt-coupled into inverted taper couplers on the waveguide structures. Wavelength sweeps (1540-1560 nm) were performed, and the 135° and 240° MARCs provided high-quality transmission responses, characterized by low noise and narrow peaks. While the 135° MARC displays very good balance, the 240° and 90° MARCs are quite unbalanced. The 90° MARC was heavily characterized by noise, but the multiplexed MARC displayed excellent features and low noise levels from all constituent rings. For all MARCs, the free spectral range (FSR) was measured to be approximately 62% of the simulated FSR. This illuminates shortcomings in the simulated MARC models, however other possible reasons for the discrepancy are discussed as well.

Due to time constraints, actual sensor measurements were not performed in this project, however the quality of the acquired multiplexed spectrum may indicate that the sensor configuration presented in this work is indeed a good candidate for a high-precision, multiplexed MARC device used for LOC applications.