Development of a Nanophotonic Silicon Nitride Waveguide Sensor Platform for Use in SERS

Abstract

Overflateforsterket Ramanspredning (SERS) er en kraftfull og ikke-ødeleggende sensorteknikk basert på å eksitere vibrasjonsnivåene til et molekyl. Dette resulterer i et unikt emisjonsspekter — et slags molekykært fingeravtrykk — som følge av at molekylet avgir Stokesspredt lys når det absorberer lys fra en eksitasjonslaser. To begrensende faktorer for Ramanspektroskopi er at biologiske molekyler har et lite spredningstverrsnitt, og at Ramanmikroskoper ofte er store og dyre. Bruk av bølgeledersensorer er en potensiell løsning på disse utfordringene. Da vil interaksjonlengden mellom en prøve og en lysstråle kunne økes. Dersom et fullverdig optisk sensorsystem kan integreres på en brikke, kan det erstatte de tradisjonelle Ramanmikroskopene. Det vil være en analogi til den enorme nytteverdien elektronikkbransjen har hatt av å gå over til å bruke integrerte kretser på små brikker.

Denne masteroppgaven fokuserte på å undersøke en kløftbølgeleder av silisumnitrid med en 150 nm bred kløft. Teoretiske beregninger av bølgelederens virkningsgrad η ble utført ved hjelp av endelige differenser av eigenmoder-modellen (FDE). Virkningsgraden er en størrelse som er proporsjonal med forholdet mellom Stokesspredt lys og laserpumpen i bølgelederen, etter Ps/Pp ∝ η. Den fundamentale TE moden i denne oppgavens bølgeleder, ble beregnet til å ha en maksimal virkningsgrad i størrelsesorden 10^4 . Bølgelederen ble fabrikert gjennom elektronstrålelitografi (EBL) og spenningsledet ioneplasmaetsing (ICP-RIE). En parameteroptimalisering ble gjennomført på EBL-en som ble brukt, og den optimale arealdosen ble undersøkt til å være 170 µC/cm2, med en strålesrøm på 2 nA. Bølgelederne ble fabrikert på silisiumnitrid-på-glass-brikker produsert av SINTEF.

Oppgaven ble fullført ved å bygge og teste et optisk Ramanspektroskopi-oppsett. Eksitasjonslaseren som ble brukt var en fiberlaser som opererte i enkelmodus, med en bølgelengde på 785 nm. Ramanspekteret fra flere forskjellige bølgeledere ble målt, både med og uten isopropanol (IPA). Formålet med dette var å måle både bølgeledernes bakgrunnsspekter, og det forsterkede Ramanspekteret fra IPA. Det var mye støy i spekterene som ble målt, som førte til at det ikke var mulig å se forskjell på målingene med og uten IPA.

Surface-enhanced Raman scattering (SERS) is a powerful and label-free sensing technique which relies on probing the vibrational states of a molecule. This results in a unique fingerprint spectrum from the particular molecule, in the from of Stokes shifted light. Raman spectroscopy is limited by the small scattering-cross section of biological molecules, and free-space Raman microscopes are large and expensive. An alternative to free-space microscopes are waveguide sensors taking advantage of SERS. Such waveguides were the topic of this thesis. In a waveguide, the interaction length with the analyte can be increased, compared to freespace. With maturing technology, a waveguide-based sensing platform has the prospects of replacing conventional free-space Raman microscopes. This is due to an increased interaction length with the analyte, and the possibility of moving to a photonic sensing system fully integrated on a chip. Such a shift is analogous of the hugely beneficial shift towards integrated circuits in the electronics industry.

A silicon nitride slot waveguide with a 150 nm narrow gap was investigated in this thesis. Finite-difference eigenmode (FDE) calculations were employed to investigated the value of the Raman conversion efficiency η, which is proportional to the ratio of Stokes shifted power to pump power in a waveguide Ps/Pp ∝ η. For the selected SiN waveguide platform, η yielded a maximum value of on the order of 10^4 for the fundamental TE mode. The silicon nitride waveguides were successfully fabricated by means of electron beam lithography (EBL) and inductively coupled plasma-reactive ion etch (ICP-RIE). Process optimization on the in-house EBL-system, identified an area dose of 170 µC/cm2 at a beam current of 2 nA to be ideal for the purposes of this thesis. The waveguides were fabricated on SiN-on-insulator wafers provided by SINTEF.

The efforts in this thesis were concluded by the construction of a Raman measurement setup. The Raman excitation laser was a fiber-coupled 785 nm single mode laser. The waveguide’s Raman spectra were collected, both with and without isopropyl alcohol (IPA). All of the resulting spectra were noisy, and there were no distinguishable differences between the measured background spectra and the IPA spectra.