Characterization and Signal Processing of Mach-Zehnder Assisted Ring Resonator Configuration Sensors

Abstract

Bruken av nanofotonikk i anvendelsen av biosensorer er et tverrfaglig vitenskapsområde som har tiltrukket mye oppmerksomhet, samt utviklet seg hurtig i senere år. Muligheten å integrere flere fotoniske strukturer på en enkel halvlederbrikke til bruk av 'label-free' optiske biosensorer er av spesiell interesse. Forbedret miniatyrisering av slike enheter, grunnet fremskritt i fabrikasjonsteknikker i mikro- og nanoteknologi, gir mer detaljerte strukturer, lavere kostnader og lavere energiforbruk. Sensorer basert på en Mach-Zehnder interferometerassistert ringresonatorkonfigurasjon (MARC) er en slik optisk biosensor som kan oppnå en skreddersydd spektralrespons, som kan gi lav deteksjonsgrense og en høy dynamisk respons.

I denne avhandlingen vil transmisjonssignaler av ulike MARC-enheter bli undersøkt. I tillegg har det nåværende karakteriseringsoppsettet blitt undersøkt for å finne mulige forbedringer i datainnsamlingsprosessen, slik som en økning i reproduserbarheten og nøyaktigheten av hver måling. Videre har ulike fremgangsmåter i signalbehandling blitt brukt for å undersøke transmisjonskurvene og den medfølgende støyen. Sensoregenskapene til MARC-enhetene avhenger av deteksjonen av resonansskift som følge av tilstedeværelsen av en analytt. En metode har blitt utviklet i løpet av dette arbeidet for automatisk utregning av slike resonansskift.

The use of nanophotonics in biosensing is an interdisciplinary area of science that has gained significant attention and has evolved rapidly in recent years. The ability to integrate several photonic structures on a single semiconductor chip as a label-free optical biosensor is of particular interest. Due to advances in fabrication techniques in micro-and nanotechnology, improved miniaturization of such photonic devices yields more detailed structures, lower costs and lower energy consumption. The Mach-Zehnder interferometer-assisted ring resonator configuration (MARC) sensor is such an optical biosensor which can achieve a tailored spectral response, which can be refined to yield a low detection limit and a large dynamic range.

In this thesis, transmission signals of different MARC devices are examined. The current characterization setup has also been examined to find possible improvements in the data acquisition process, such as increasing the reproducibility and accuracy of each measurement. Furthermore, different signal processing approaches have been utilized to investigate the transmission curves and the accompanying noise. The sensing capabilities of the MARC sensor relies on the detection of resonance shifts occuring upon the presence of an analyte. A method has been developed through the course of this work for automatically calculating these resonance shifts.