Simulation and Characterization of Mesoporous Optical Rib Waveguides for use in Near Infrared Liquid Sensing

Abstract

Den økende etterspørselen etter effektive biomedisinske sensorer har ført til utvikling av lab-on-a-chip (LOC) fotoniske måleenheter. Dermed har optiske bølgeledere, tradisjonelt brukt til signaloverføring, i økende grad blitt anerkjent for deres potensiale som målesensorer. Denne masteroppgaven utforsker bruken av et mesoporøst optisk bølgelederdesign for væskesensing. Hovedmålene er å undersøke sammenhengen mellom porøsitet og inneslutningsfaktor i mesoporøse optiske bølgeledere, samt å analysere feltets inneslutning i mesoporøse optiske bølgeledere med væskeløsninger som toppkappe. I tillegg, er et mål å utforske effekten på transmisjon ved bruk av væske som toppkappe.

Simuleringer ved bruk av Ansys Lumericals MODE Solver ble utført for å studere korrelasjonen mellom inneslutningsfaktoren i en væskekappe og bølgelederens porøsitet. I tillegg ble en mikrofluidisk celle fremstilt ved bruk av polydimetylsiloksan (PDMS) for å introdusere løsemidler på bølgelederen som toppkappe. Den mesoporøse optiske bølgelederbrikken, fremstilt ved bruk av Sol-gel-metoden, ble tilpasset og koblet til den mikrofluidiske cellen i NTNU NanoLabs renrom. Karakterisering av bølgelederen ble utført ved bruk av ellipsometri og transmisjonsmålinger med et justerbart NIR-laseroppsett.

Resultatene viste at det mesoporøse optiske bølgelederdesignet innehar forbedret lys-materie-interaksjon med flytende analytter i toppkappen, sammenlignet med bruk av luft som toppkappe. Videre avslørte simuleringene at ved bruk av væsker gir økt porøsitet i kjernen en høyere inneslutningsfaktor, noe som indikerer at et design med svært porøse kjerner er å foretrekke for væskesensorapplikasjoner. Transmisjonsmålingene bekreftet de simulerte endringene i transmisjonsspektrene på grunn av de forskjellige løsningene som ble brukt som toppkappe. Av løsningene som ble testet, opplevde den med lavest absorpsjon i forsøksområdet, etanol, høyest transmisjon, som forventet fra teori og simuleringer.

Funnene i denne oppgaven gir et solid grunnlag for fremtidige undersøkelser for bruken av mesoporøse optiske bølgeledere i væskesensing, spesielt i biomedisinske applikasjoner. Resultatene viser potensialet dette bølgelederdesignet har for å forbedre følsomhet og deteksjonsevne innen biomedisinsk sensing. Forslag til videre forskning og forbedringer av forsøksoppsettet diskuteres også.

The increasing demand for efficient and sensitive biomedical sensing applications has advanced the development of lab-on-a-chip (LOC) photonic devices. Thus, optical waveguides, traditionally used for transmission purposes, are increasingly recognized for their potential in sensing applications. This thesis explores the utilization of a mesoporous optical waveguide design for liquid sensing. The main objectives are to examine the correlation between porosity and confinement factor in mesoporous optical waveguides, analyse the confinement in mesoporous optical waveguides with liquid solutions as top cladding, and explore the effect on transmission when using liquid as top cladding.

Simulations using Ansys Lumerical's MODE Solver were performed to study the correlation between the confinement factor in a liquid cladding and the waveguide's porosity. Additionally, a microfluidic cell was fabricated using Polydimethylsiloxane (PDMS) to retain solvents onto the waveguide as the top cladding. The mesoporous optical waveguide chip, fabricated using the Sol-gel method, was customized and joined to the microfluidic cell in the NTNU NanoLab cleanroom. Characterization of the waveguide was carried out using ellipsometry and transmission measurements with a tunable NIR laser setup.

The results demonstrated that the mesoporous optical waveguide design exhibited enhanced light-matter interaction with liquid analytes in the top cladding, compared to using air as top cladding. Furthermore, the simulations revealed that when using liquids, increased porosity in the core gave a higher confinement factor, indicating that the design is preferable for liquid sensing applications with highly porous cores. The transmission measurements confirmed the simulated changes in transmission spectra due to the different solutions used as top cladding. Of the solutions tested, the one with the lowest absorption in the experimental range, ethanol, experienced the highest transmission, as expected from theory and simulations.

The findings of this research provide a solid foundation for future investigations into the use of mesoporous optical waveguides for liquid sensing, particularly in biomedical applications. The results demonstrate the potential of this waveguide design to enhance sensitivity and detection capabilities in the field of biomedical sensing. Suggestions for further research and improvements to the experimental setup are also discussed.