| dc.description.abstract | Utvikling av nye sensorssystemer for måling av sporgasser er av stor interesse blant annet innen forskning på klimautslipp, innen arbeid med biomedisin og -teknologi, og i overvåking av utslipp i industrielle miljø. Spesielt interessant er integrasjon av systemene i små mikrobrikker. Ved å senke produksjonskostnader, størrelse, og vekt, tillater slik miniatyrisering økt utplassering av sensorene i områder hvor utslipp foregår. Utslipp er ofte del av komplekse kjemiske og biologiske vekselvirkninger som kan variere stort også innen mindre geografiske områder. Produksjon og utslipp av klimagassen metan i Arktis grunnet økt tining av permafrosten er et eksempel på en slik utslippskilde. Den er blitt knyttet til komplekse metabolske prosesser i jordlevende bakterier, og utviklingen og utplasseringen av miniatyrsensorer kan bidra til å studere disse i deres lokale miljø. Slike gassensorer har også vist stort potensial for å kunne brukes til å detektere og overvåke biomarkører indikative for rekke helsetilstander, og er derfor lovende for bruk i medisinsk diagnostikk.
Utviklingen av bølgeledere med lavt forplantningstap er et nødvendig ledd i miniatyrisering av konvensjonelle optiske systemer for gassmåling. Bølgelederbaserte sensorer bygger på interaksjonen mellom de ledede bølgene og analytten, og må designes med omhu for å oppnå ønsket om lave tap og høy interaksjon mellom lys og analytt. De frittstående bølgelederstrukturene som er fokus for dette arbeidet har tidligere vist seg å være lovende kandidater til dette formålet. Denne masteroppgaven tok sikte på å undersøke og bestemme optimale fabrikasjonsparametere for slike bølgelederdesign med hensyn på å maksimere lys-analytt interaksjonen og minimere forplantningstap. Dette ble gjort ved bruk av endelig-differanse metoden (Finite-Difference Method) til todimensjonale simuleringer av bølgelederdesignet, fabrikasjon av strukturene i renrommet ved NTNU NanoLab, og påfølgende strukturell og optisk karakterisering ved både NTNU og Universitet i Tromsø (UiT).
Størrelsen på interaksjonen mellom lys og analytt ble gjennom simuleringer funnet til å være svært avhengig av bredden på bølgelederens kjerne og driftssyklusen til gitteret som omkler kjernen. Optimale parametere for maksimering av interaksjonen mellom lys og analytt oppsto som følge av et konkurrerende forhold mellom den normaliserte elektriske energifelttettheten til lyset i den analyttholdige luften og materialenes påvirkning på lysets gruppeindeks. Størrelsen på toppunktene for interaksjonen mellom lys og luft økte med reduksjon i gitterets driftssyklus. I design med lavere driftssyklus enn 20 % var interaksjonen mellom lys og analytt større enn det som er mulig å oppnå med en uledet lystråle i luftfylt rom. Flere sett med frittstående bølgeledere med driftssykluser 15 %, 10 %, og 7 %, ble vellykket fabrikert ved NTNU NanoLab. Tapssimuleringer avdekket at bølgelederene var utsatt for betydelige forplantningstap grunnet horisontal og vertikal spredning av lyset grunnet bred intensitetspredning. I tillegg avslørte videre analyse at det trolig ville forekomme store tap ved innkobling av lys direkte inn i bølgelederne.
Optisk karakterisering av de fabrikerte bølgelederne er i dette arbeidet begrenset til målinger av forplantningstapet deres. Forplantningstapet ble generelt sett målt til å være betydelig større enn det som ble anslått i tapssimuleringene. Årsaken knytter seg trolig til flere faktorer, blant annet avvik mellom de designede og fabrikerte strukturene, spredningstap, og usikkerhet knyttet til approksimasjonene brukt som grunnlag for simuleringsprosessen. De store forplantnings- og innkoblingstapene er trolig de begrensende faktorene for funskjonsevnen til bølgelederne, og en rekke punkter har blitt foreslått for å imøtekomme årsakene til disse. Tas disse til følge vil det trolig raskt være mulig å fabrikere funksjonsdyktige frittstående bølgeledere med høy interaksjon mellom lys og analytt og minimale tap. | |
| dc.description.abstract | Development of sensor systems for trace gas sensing is of widespread interest for applications in climate research and monitoring, biomedicine, industrial environments, and more. Miniaturization of trace gas sensors are especially interesting as on-chip integration allows for bulk- and cost-reductions that facilitate their extensive deployment. Emissions are often local in nature and part of complex chemical and biological pathways, and increasing sensor mobility and cost-effectiveness allow for accurate quantification and monitoring of trace gases over time in the regions of emission. One such emission source is the release of methane from Arctic soil due to thawing of the permafrost. Such production and release of methane has been linked to complex metabolic processes in bacteria inhabiting the soil, and on-chip trace gas sensors are a key enabling technology to study these chemical processes in their natural enviroment. Similarly, low-cost gas sensors are also showing promise for detection and tracking of biomarkers for a number of health conditions, and are thus a candidate for inclusion in medical diagnostics and screening programs.
In order to faciliate miniaturization of conventional optical gas sensors, development of low-loss waveguides lithographically defined in the chip itself has been a key area of research. Waveguide based sensors would rely on interaction between the evanescent field of the waveguide and the analyte, and would need to be carefully designed to balance propagation losses with analyte interaction. The free-standing waveguide structures with sub-wavelength cladding that are the focus of this thesis have previously been identified as promising designs for sensing applications. This master's project aimed to investigate and determine optimal fabrication parameters for such free-standing waveguide designs with emphasis on maximizing the air confinement factor, a figure of merit for normalized light-analyte interaction in optical sensing systems, and minimizing propagation losses. This was done through extensive simulations using the two-dimensional Finite-Difference Method (FDM), fabrication of the structures in the cleanroom at NTNU NanoLab, and subsequent structural and optical characterization at NTNU and UiT.
The magnitude of the approximated air confinement factor was in simulations found to be highly sensitive to variations of the waveguide core dimensions and the air duty cycle of the sub-wavelength grating that acts as a cladding to the core. Optima for the approximated air confinement factor were found to emerge due to a competing relation between the localization of the normalized electrical field energy density in the air, and the increase of the mode group index with larger field localizations in constitutents of high refractive index. The magnitude of the optima were found to increase with lower duty cycles and were found to be above unity in all designs with air duty cycles below 20 %. With a basis in preliminary simulation results, several batches of free-standing waveguides were successfully fabricated at NTNU NanoLab with measured duty cycles of 15 %, 10 %, and 7 %. Analysis of loss simulations revealed the propgating modes in these to be susceptible to significant lateral and vertical leakage losses due to their low core confinement and their wide evanescent field distributions. Additionally, overlap analysis assuming end-fire coupling revealed the presence of large coupling losses.
Optical characterization was in this work limited to measurements of the propagation loss of the fabricated waveguides. In general, the propagation loss was measured to be significantly higher than suggested by the simulated loss results, likely caused by a combination of factors pertaining to deviations from the set design parameters following fabrication, scattering losses, and uncertainties in the approximations required for two-dimensional FDM simulations.
To address the large propagation and coupling losses, which is believed to be the limiting factor for the practical operation of the waveguides, a number of suggestions for future continuation of the work have been presented. While the operation of lower duty cycle waveguide designs will be limited in practice by the vertical losses of relatively thin silica insulator layer, successfully fabricating low-loss free-standing waveguides of above-unity air confinement factor should be readily possible by targeting structures of duty cycles in the 15 % – 20 % range. | |
