University of Oulu

Polymeric slot waveguide interferometers

Saved in:
Author: Hiltunen, Marianne1
Organizations: 1University of Oulu, Faculty of Information Technology and Electrical Engineering, Department of Electrical Engineering
Format: ebook
Version: published version
Online Access: PDF Full Text (PDF, )
Language: English
Published: Espoo : VTT Technical Research Centre of Finland, 2014
Publish Date: 2014-08-19
Thesis type: Doctoral Dissertation
Defence Note: Thesis for the degree of Doctor of Technology to be presented with due permission for public examination and criticism in OP-Sali (Auditorium L10), Linnanmaa, at the University of Oulu, on the 29th of August, at 12 o’clock noon.
Tutor: Professor Pentti Karioja
Professor Jyrki Lappalainen
Reviewer: Doctor Shyqyri Haxha
Doctor Jürgen Mohr
Opponent: Professor Tapio Niemi
Kustos: Professor Jyrki Lappalainen
Description:

Abstract

Slot waveguide is a specific light-guiding structure with a property to enhance the optical field in a nanometer scale void of low refractive index (RI) material embedded between higher RI material rails. Typically, slot waveguides have been fabricated from high refractive index inorganic dielectrics or semiconductors, such as silicon or silicon nitride, and they operate in the near infrared (NIR) wavelength region. The slot waveguide structure enables strong light–ambient interaction, a property that is preferred, for instance, in integrated optical sensors utilizing the change of the refractive index as the sensing transduction signal. In this thesis; the characteristic properties of slot waveguides were studied as regards their usage in polymer platforms.

The polymers are transparent in the visible and NIR wavelength region. In this work, the operation of the polymer slot waveguide was demonstrated for both visible and NIR wavelengths by using Young interferometer devices. For the device fabrication, the ultraviolet (UV) assisted nanoimprint moulding method was utilized. The emphasis was to demonstrate that the high performance slot waveguide sensor configuration is attainable with a simple low-cost fabrication method, enabling usage as disposable sensors.

The bulk refractive index (RI) response of the slot waveguide-based Young interferometer was characterized with glucose – deionized water solutions. With this arrangement, an ambient RI change of 6.4×10-6 was measured. In the slot Young interferometer structure, both waveguide arms of the interferometer detect the bulk RI changes of the ambient material. This novel structure was proved to effectively compensate for thermo-optic originated response drift while maintaining high sensitivity against bulk RI change.

see all

Tiivistelmä

Uravalokanavarakenteessa optinen kenttä on vahvistunut nanometrien levyisessä matalataitekertomisessa raossa, jota reunustavat kummaltakin puolelta korkeataitekertomiset harjanteet. Tyypillisesti uravalokanavarakenteet on valmistettu korkean taitekertoimen omaavista epäorgaanisista eristeistä tai puolijohteista, kuten piistä ja pii-nitridistä. Uravalokanava mahdollistaa voimakkaan valon ja materian vuorovaikutuksen. Tämä ominaisuus on erityisen tärkeä optisissa antureissa, joissa taitekertoimen muutosta hyödynnetään signaalin tunnistuksessa. Tässä työssä tutkitaan mahdollisuutta hyödyntää uravalokanavarakenteiden ominaisuuksia käytettäväksi polymeerialustalla.

Polymeerit läpäisevät valoa sekä näkyvän että lähi-infrapuna (NIR) aallonpituuden alueilla. Tässä työssä Youngin interferometrirakennetta hyödyntäen osoitettiin polymeeristen uravalokanavien toimivan näkyvällä ja NIR-aallonpituudella. Näytteet valmistettiin UV-valotusta hyödyntävällä painatusmenetelmällä. Tarkoituksena oli osoittaa, että yksinkertaisilla ja edullisilla valmistusmenetelmillä voidaan tehdä herkkiä uravalokanaviin perustuvia anturirakenteita. Rakenteen valmistuskustannusten pienentäminen saattaa mahdollistaa kertakäyttöisten antureiden hyödyntämisen.

Uravalokanavaan perustuvan Youngin interferometrin taitekerroinvastetta mitattiin glukoosi- ja ionipoistetun veden liuoksilla. Mittauksilla pystyttiin havaitsemaan suuruudeltaan 6.4×10-6 oleva taitekerroinmuutos liuoksessa. Tässä työssä käytetyssä Youngin interferometrirakenteessa sekä anturoiva uravalokanavahaara että referenssivalokanava havaitsevat ympäristön taitekerroinmuutoksen. Tämän uudenlaisen anturirakenteen osoitettiin kompensoivan lämpötilan muutoksesta aiheutuvaa vasteen ryömintää, vaikka rakenne pysyikin samanaikaisesti herkkänä taitekertoimen muutokselle.

see all

Series: VTT Science
ISSN: 2242-119X
ISSN-E: 2242-1203
ISSN-L: 2242-119X
ISBN: 978-951-38-8272-3
ISBN Print: 978-951-38-8271-6
Issue: 62
Subjects:
Copyright information: This publication is copyrighted. You may download, display and print it for your own personal use. Commercial use is prohibited.