Design and Simulations of Silicon-on-Insulator Long-Period Grating Couplers for Nanophotonic Sensor Applications

Abstract

Denne masteroppgaven fokuserer på design, simulering og fabrikkering av silisium-på-isolator (SOI) langperiodiske gitterkoblinger (LPG) for bruk i integrerte fotoniske kretser. Slike nanofotoniske sensorer basert på små, men geometrisk enkle, bølgeledere har potensiale for å oppnå svært høy sensitivitet og vil kunne anvendes innen medisinsk diagnostikk og deteksjon av miljøgifter.

To generiske LPG-koblere, enkelt- og dobbel LPG-kobler, vil være et utgangspunkt for design og optimalisering av strukturer i den hensikt å oppnå høyest mulig sensitivitet over et bredt operasjonsspekter, samtidig som gode transmisjonsegenskaper er ivaretatt. Strukturer som oppfyller disse kravene vil realiseres som fysiske enheter slik at faktiske transmisjonsmålinger også kan foretas.

Datasimuleringer blir gjort i den fritt tilgjengelige programvaren MIT Photonic Bands for å beregne dispersjonsrelasjoner, gitterperioder for kobling og sensitivitet. Transmisjonssimuleringer utføres ved hjelp av programvare fra Lumerical MODE. Med utgangspunkt i funn fra simuleringene vil utvalgte strukturer fabrikkeres på substrater deponert med silisiumoksid ($\ce{SiO2}$) og amorft silisium ($\alpha\ce{Si}$) ved hjelp av elektronstrålelitografi (EBL) etterfulgt av plasma-reaktiv ioneetsing (ICP-RIE). Påfølgende karakterisering gjennomføres ved hjelp av et electronmikroskop (SEM). Vellykkede prøver gjennomgår transmisjonsmålinger i et laserlaboratorium.

Resultatene for enkelt LPG-kobler viser noe avvik mellom predikert koblingsperioder i simuleringene og observert resonanser. Avvikene tilskrives forskjeller i simuleringsmetodene og om gittergeometrien var inkludert eller ikke. Ingen resonanser i transmisjonen ble observert i målingene, hvilket mest sannsynlig skyldes for korte gitterlengder og for liten gitterdybde.

Simuleringene for dobbel-LPG-kobler predikerte høye sensitiviteter for et relativt bredt operasjonsspekter og viste akseptabel transmisjonsegenskaper. Strukturene ble også fabrikkert, men aktuelle prøve ble ødelagt av et defekt kløyveinstrument før noen transmisjonsmålinger var blitt gjort.

For å konkludere viser simuleringene av doble LPG-koblinger lovende sensitivitetsegenskaper som har potensiale for biomedisinsk bruk. Ytterligere forskning knyttet til transmisjonen kreves for å undersøke tap, dispersjon og andre utfordringer forbundet med fysiske enheter.

Integrated photonic sensors have gained significant attention for their potential applications in medical diagnostics and environmental monitoring. This thesis focuses on the design, simulation, and fabrication of silicon-on-insulator (SOI) long-period grating (LPG) couplers with high sensitivity and desirable transmission characteristics for bio-related applications. Two generic LPG coupler designs, namely single and double LPG couplers, are considered as the basis for other designs. The sensitivity and transmission of these designs are calculated, and promising structures are fabricated into physical devices and subjected to transmission measurements.

The study utilizes a frequency domain eigenproblem solver to calculate dispersion relations and grating periods for coupling and sensitivity in the mid-infrared range. Transmission simulations are conducted with eigenmode expansion methods to evaluate the performance of the structures. Fabrication of the selected structures is carried out using electron beam lithography and plasma-reactive ion etching, followed by characterization with a scanning electron microscope. The measurements are performed in a laser laboratory with cleaved fibers for light coupling.

The results for the single LPG coupler indicate that there are discrepancies between the predicted coupling in simulations and the actual transmission measurements. These discrepancies are attributed to differences in simulation software and the consideration of grating geometry. The fabricated samples did not exhibit coupling effects, which were attributed to short grating lengths and shallow depths.

For the double LPG coupler design, simulations predict high sensitivity and a wide operation range. The fabricated sample for this design, however, suffered from damage and was unsuitable for transmission measurements.

In both cases, the results indicate that asymmetric modes achieve stronger coupling for grating periods corresponding to even order diffraction modes, while symmetric modes achieve stronger coupling for odd ones.

In conclusion, the simulation results demonstrate the potential of double LPG couplers for high sensitivity in nanophotonic sensor devices for biomedical applications. Further investigations are necessary to address transmission properties, loss, dispersion, and other challenges associated with physical devices