Studies on optical microcavity based on integrated photonics for bio/chemical sensor applications

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Very high Q-factor resonances, sharp slopes, and high sensitivity have always been required for biological and chemical sensing. In order to satisfy these requirements, the use of optical cavity mechanisms is a rapidly advancing field that explores optical interactions in a variety of systems. The Microcavity such as microring and microdisk resonator is becoming one of the most attractive candidates because of its high sensitivity, ultracompact size, and its easy fabrication and realization in a sensor array. In this paper, the Microcavity device using asymmetric MZI coupled TRR for bio/chemical sensor is explored with the goal of understanding the optical resonance characteristics from theoretical and experimental perspectives. To achieve a high Q-factor and high-sensitivity, we proposed the novel scheme of the optical biosensors by asymmetric MZI coupled TRR and low-index waveguide. Then, it was be analyzed with respect to the components that make use of the structure.
Firstly, we proposed a high effective Q-factor triangular ring resonator (TRR) coupled with an asymmetric Mach-Zehnder interferometer (AMZI), in which the long evanescent fields on a total internal reflection (TIR) mirror in the TRR and the field cancellation by the phase difference of each path in the AMZI are utilized. The TRR is employed in order to more effectively measure the quantities that occur during biological events because the evanescent field of the TIR mirror with its sharp incident angle is influenced by the Goos-Hänchen shift. In this paper, we report upon the AMZI-coupled TRR sensor structure with the high effective Q-factor of about 105 obtained through the optimization of the AMZI path-length. The sensitivity of the resonance shift when changing the refractive index of 1×10^-4 at the incidence angle of 22.92° has been identified to be as high as 0.48 × 10^4 nm/RIU. In addition, the power sensitivity of the AMZI-coupled TRR with 17 dB attenuation is 5.7 × 10^5 dB/RIU. When the resonator combined with AMZI, the double resonance peak is occurred at specific condition. So, we was fabricated the device using the microdisk resonator instead of triangular ring resonator to demonstrate the phenomenon that the double peak generated. In the results, we have observed a quality factor of 8.58×10^4, with an on-resonance extinction of 35.5 dB. These characteristics of the AMZI-coupled microdisk can be employed to measure biochemical events, such as the presence of a biomolecule or the amount of a biochemical pathogen.
And then, to identify resonance wavelength, planar microdisk has been systematically analyzed considering the effects of the sidewall angle, etching depth, and height. We have investigated the electric-field intensity distributions and characteristics of the whispering-gallery mode (WGM) from a planar microdisk using a three-dimensional finite-difference time-domain method. Especially, the superposition phenomenon of the TE and TM modes which is caused by the skew effect according to the sidewall angle has been demonstrated. Furthermore, the mode splitting caused by the change from a single mode to multi-mode due to the increase of height has been analyzed. Several planar microdisks of Si3N4 on SiO2 were fabricated, and their resonance characteristics were probed by using micro-photoluminescence spectroscopy. A quality factor of 5 × 10^3 for microdisks with a diameter of 3.5 μm and sidewall angle of 35° was observed in the visible range. The WGMs of fabricated microdisk was analyzed and defined considering the dependency on the structural parameters.
In addition, the polarization beam splitter based on multimode interferometer with metal-insulator-metal has been proposed for the polarization sensitive optical bio/chemical sensor devices. Owing to the MIM structure, the TE polarized state is reflected by the cut-off condition while the TM polarized state is transmitted by the surface plasmon polariton and the two polarized states can thus be separated. In this paper, the dependence of the reflected TE and transmitted TM field intensities on the MIM length and the gap thickness has been studied systematically. The proposed PBS structure, with a total size of 4 × 0.7 × 44 µm^3 is designed with MIM length, gap thickness, and metal thickness of 0.6 µm, 0.5 µm, and 0.05 µm, respectively. In the designed PBS, the transmittance for the TM polarized light, reflectance for the TE polarized light, extinction ratio, and insertion losses of the TE and TM modes are obtained using a 3D finite-difference time-domain method to be 0.9, 0.88, 12.55 dB, and 1.1 dB and 0.9 dB, respectively. The designed PBS has a much shorter length, 44 µm, compared to previous PBS devices.
Finally, based on the previous analyzation, we have proposed high sensitivity horizontal slot waveguide-based triangular ring resonator with long evanescent field. Different from the conventional integrated optical devices, in which the light is guided in high-index medium by the total internal reflection, the slot waveguide confines the E-field in the low-index region by way of strong discontinuities at the interface between the low-index core and the high-index claddings. Because the waveguide using these characteristic has a lower effective index than typical optical waveguide, the TRR have been achieved very high sensitivity, in which the longer evanescent fields on a TIR mirror with equal incidence angle. Optical quality factor of up to 9.461×10^2 is calculated in such filters, and the sensitivity of the resonance shift for changing the refractive index of 1×10^-4 at the incidence angle of 34.11° has been identified as high as 1.02 × 10^5 nm/RIU.

국문 초록 (Abstract)

바이오/화학 센서는 높은 Q-factor 및 Sensitivty에 대해서 항상 요구된다. 이를 만족하기위해 광공진 메커니즘는 다양한 광학 작용을 연구하여 매우 활발히 발전하고있는 분야이다. 그 중에서도 광학 링 공진기 및 디스크 타입의 공진기와 같은 마이크로 공진기는 센서에레이로 적용 가능성 및 공정의 용이성, 높은 효율, 매우 작은 사이즈 등으로 인하여 매우 매력적인 구조이다. 본 논문에서는 비대칭 마하젠더와 삼각형 공진기가 결합된 마이크로 공진기에 대해서 바이오/화학 센서로의 적용 가능성 및 실험적인 관점에서 광 공진 특성을 이해하는 것을 목표로 연구하였다. 높은 Q-factor 및 Sensitivity를 얻기 위해, 비대칭 마하젠더 및 저굴절 광도파로에 대해서 제안하였고, 그 구조에 사용된 구성 요소에 대해서 분석을 진행하였다.
처음으로 긴 표면장을 갖는 삼각형 공진기와 길이를 다르게 적용하여 신호를 제거하는 방식의 비대칭 마하젠더가 결합된 구조에 대해서 제안하였다. 삼각형 공진기는 전반사 미러의 긴 표면장으로 인하여 바이오 물질을 검출하는데 효과적으로 적용이 가능한 장점을 갖고 있다. 그러므로 본 논문에서는 마하젠더의 길이 및 크기를 제어함으로 인하여 약 10^5 의 높은 Q-factor를 갖는 센서를 설계하였다. 또한 22.92°의 전반사 미러를 설계하여 1×10^-4의 굴절율 변화를 시켰을 때 0.48×10^4 nm/RIU 의 높은 민감도를 갖는 공진기를 설계하였다. 또한 마하젠거의 한쪽 Path의 크기를 17dB 감쇄시킨 공진기의 크기 민감도는 5.7 × 10^5 dB/RIU 로 계산되었다. 여기서, 비대칭 마하젠더와 결합된 공진기는 특정 조건에서 하나의 공진 파장에서 두개의 Peak 이 나타나는것으로 분석 되었다. 그래서 우리는 이를 증명하기 위해 제작이 어려운 삼각형 공진기 대신 마이크로 디스크를 이용한 비대칭 마하젠더가 결합된 공진기를 제작하였다. 그 결과 8.58×10^4 의 매우 높은 Q-factor에 대해서 측정되었고, 이때 소광비는 35 dB의 소광비로 측정 되었다. 이러한 특성은 생체 분자의 존재 및 생화학 병원체의 양을 검출하는데 사용할 수 있는 정도의 매우 좋은 결과이다.
다음으로는 공진 파장을 정확하게 정의하기 위해, 구조적인 parameter들에 대해서 체계적으로 분석을 진행하였다. 우리는 전자장의 분포 및 WGM의 특성을 분석하기 위해 3차원의 유한 차이 시간 영역 방법을 이용하여 분석하였다. 특히 TE 모드와 TM모드가 중첩되는 현상에 대해서 공진기의 식각면 기울기를 이용하여 증명하였다. 게다가 공진기의 두께에 따라서 sinle모드에서 Multi모드로 변화가 야기되는 현상에 대해서 분석하였으며, 지름이 3.5um인 디스크 공진기를 실제로 제작하여 공진기의 특성을 비교하였다. 마이크로 공진기의 식각면은 35°의 기울기를 갖도록 제작된 공기를 측정한 결과 5 × 10^3 의 Q-factor를 보였으며, 이를 구조적 parameter에 기반하여 공진파장에 대해서 분석 및 정의 내렸다.
추가적으로, 플라즈모닉스 현상을 접목한 MMI를 기반으로 편광에 따른 분열기를 제안하였다. TE 모드의 빛은 cut-off 조건에 의해 반사되고, TM 모드의 빛은 표편플라즈몬 현상에 의하여 투과되는 원리를 이용하여 두개의 편광을 분리하였다. 분리된 TE/TM 모드는 MIM의 길이 및 갭, 두께 등 구조적인 parameter에 대해서 체계적으로 분석을 진행하였다. 제안된 장치는 기존의 스플리터들에 비해 매우 작은 사이즈인 4 × 0.7 × 44 µm^3 의 크기를 갖도록 설계 되었다.
마지막으로 앞에서 분석한 내용을 토대로, 저굴절 광 도파로를 적용한 높은 민감도를 갖는 삼각형 공진를 제안하였다. 일반적인 광도파로는 높은 굴절율의 매질에서 빛이 진행되는것에 반하여, 저굴절 광 도파로는 낮은 굴절율을 갖는 매질에 빛이 매우 강하게 집속되어 진행된다. 이는 좁은 영역에 매우 강하게 빛이 집속되는 현상으로 인하여 매우 높은 민감도를 갖는 삼각형 공진기를 구현할수 있다. 우리는 1.02 × 10^5 nm/RIU의 매우 높은 민감도를 갖는 공진기를 설계하였다.

목차 (Table of Contents)

• Chapter 1 Introduction 1
• 1.1 Optical bio/chemical sensor 1
• 1.2 Ring resonator configurations 5
• 1.3 Current state of the ring resonator sensors 7
• 1.4 Requirement of bio/chemical sensor 15
• 1.5 Scope of this work 19
• 1.6 References 21
• Chapter 2 High Q biochemical sensor using a total internal reflection mirror-based triangular resonator with an asymmetric mach-zehnder interferometer 25
• 2.1 Introduction 25
• 2.2 The basic principle of ring resonator 28
• 2.2.1 The basic configuration 28
• 2.2.2 Ring resonator parameters 33
• 2.2.3 The time-dependent relations 38
• 2.2.4 The Z-transform 41
• 2.2.5 Incorporating loss in ring resonator filters 46
• 2.3 Theoritical analysis 48
• 2.3.1 The triangular ring resonator sensor with TIR mirros 48
• 2.3.2 Theoretical Analysis of the Asymmetric Mach-Zehnder Interferometer 52
• 2.3.3 The Proposed AMZI-coupled TRR 55
• 2.3.4 The Simulation results for AMZI coupled-TRR 60
• 2.3.5 Device Design and fabrication 69
• 2.3.6 Experiment results 75
• 2.4 Conclusion 83
• 2.5 References 85
• Chapter 3 Systematic analysis of whispering-gallery modes in planar silicon nitride microdisks according to structural parameter 86
• 3.1 Introduction for microdisk 86
• 3.2 Operation principle of a microdisk 92
• 3.2.1 The theoretical analysis of WGMs 92
• 3.3 Microdisk analysis and Simulation results 96
• 3.3.1 Angle dependency 96
• 3.3.2 Microdisk height dependency 109
• 3.3.3 Etching depth dependency 115
• 3.4 Fabrication and experimental results 118
• 3.5 Conclusion 126
• 3.6 References 127
• Chapter 4 Compact polarizing beam splitter based on a metal-insulator-metal inserted into multimode interference coupler 129
• 4.1 Introduction 129
• 4.2 Theoritical analysis of MIM-embedded MMI PBS 133
• 4.2.1 Design of MIM-embedded MMI PBS 133
• 4.2.2 Analysis of MIM-embedded MMI PBS 134
• 4.3 Simulation results 136
• 4.4 Conclusion 146
• 4.5 References 147
• Chapter 5 High sensitivity of horizontal slot waveguide-based triangular ring resonator with long evanescent field around critical angle 149
• 5.1 Introduction 149
• 5.2 Bending efficiency of TIR mirror 154
• 5.2.1 Principle of slot waveguide 154
• 5.2.2 TIR mirror based on horizontal slot waveguide 157
• 5.2.3 Simulation results and discussions 163
• 5.3 Triangular ring resonator based on slot waveguide 169
• 5.3.1 Triangular Ring Resonator 169
• 5.3.2 Long evanescent field in TIR mirror with the sharp incident angle 171
• 5.3.3 Simulation results and discussion 173
• 5.4 Conclusion 177
• 5.5 References 178
• Publication in Journals and Conferences 180
• 국문초록 188
• Abstract 190