Simulation and Fabrication of Mach-Zehnder\newline Interferometer-Assisted Ring\newline Resonator Configuration (MARC) Photonic Sensors

Abstract

Fotoniske enheter basert på silisium-på-isolator (SPI) teknologi har blitt grundig studert de siste årene på grunn av deres bruk i fotoniske integrerte kretser (FIK). Denne teknologien kan benyttes innen biosensorer for å oppdage ulike konsentrasjoner av virus, bakterier og annet biologisk materiale, for eksempel insulin. En Mach-Zehnder interferometer-assistert ringresonator-konfigurasjon (MARK) sensor kan være i stand til å oppdage flere biologiske forbindelser gjennom sin evne til å multiplekse flere individuelle signaler. Evnen til å multiplekse signalene kommer fra den vinklede separasjonen i add-dropp ringresonatorene, der ulike separasjonsvinkler brukes for å oppnå ulike overføringsspektre.

I dette prosjektet har en basert på endelige elementer (EEM) COMSOL Multiphysics 6.0 blitt brukt for å undersøke nevnte MARK-enhet. Ved å simulere tre forskjellige MARK-sensorer med en vinkelavstand på 90 grader (MARC90), 135 grader (MARK135) og 240 grader (MARK240), har det vært mulig å simulere sensorer som kan produseres i et laboratorium i fremtiden.

De tre forskjellige MARK-sensorene viser lovende resultater med en kvalitetsfaktor på 6400, 7800 og 2500 for MARK240, MARK90 og MARK135, henholdsvis. Imidlertid viser MARK135 ubalanser. En multiplekset MARC-sensor ble også simulert, men signalet ble påvirket av nevnte ubalanse. De simulerte sensorene ble også produsert ved NTNU NanoLab.

Overføringsspekteret fra de produserte MARK-sensorene ble karakterisert ved bruk av en justerbar laser som koblet seg til MARK-sensorene. Kun MARK240-sensorene ga et signal av høy kvalitet, mens MARK90, MARK135 og den multipleksede MARK ble påvirket av for mye støy og dårlig kobling.

Photonic devices based on Silicon-on-insulator (SOI) technology has been studied extensively the past years due to their use in photonic integrated circuits (PIC). This technology can be utilized in the field of biosensing to detect different concentrations of viruses, bacteria, and other biological material, e.g. insulin. a Mach-Zehnder interferometer assisted ring resonator configuration (MARC) sensor can be able to detect several biological compounds through its ability to multiplex several individual signals. The ability to multiplex the signals comes from the angular separation in the add-drop ring resonators, where different separation angles are used to obtain different transmission spectra.

In this project, a finite-elements based (FEM) COMSOL Multiphysics 6.0 has be used to investigate the aforementioned MARC device. By simulating three different MARC sensors with an angular separation of 90$\degree$ (MARC90), 135$\degree$ (MARC135), and 240$\degree$ (MARC240), it has been possible to simulate sensors that can be fabricated in a lab in the future.

The three different MARC sensors shows promising results with a quality factor of 6400, 7800, and 2500 for the MARC240, MARC90, and MARC135, respectively. However, the MARC135 does show imbalances. A multiplexed MARC sensor was also simulated, but the signal was affected by the aforementioned imbalance. The simulated sensors were also fabricated at NTNU NanoLab.

The transmission spectrum from the fabricated MARC sensors were characterized using a tunable laser, which coupled into the MARC sensors. Only the MARC240 sensors yielded a high-quality signal, while the MARC90, MARC135 and multiplexed MARC were influenced by too much noise and bad coupling.