[論文レビュー] Fabrication and Characterization of On-Chip Integrated Silicon Photonic Bragg Grating and Photonic Crystal Cavity Thermometers

Nikolai N. Klimov, Thomas Purdy+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 6, 2015

Photonic and Optical Devices被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、SiO2クラッド層を用いて感度を向上させたブロッググレーティングおよびフォトニック結晶キャビティ構造を用いたオンチップシリコンフォトニクス温度センサーを提案する。これらのセンサーは、従来のファイバーブロッググレーティングセンサーと比較して、少なくとも8倍の高い温度感度を達成しており、ナノスケール温度測定に高い精度で応用可能であることを示している。

ABSTRACT

We report on the fabrication and characterization of photonic-based nanothermometers, a silicon photonic Bragg grating and photonic crystal cavity. When cladded with silicon dioxide layer the sensors have at least eight times better sensitivity compared to the sensitivity of conventional fiber Bragg grating sensors. We demonstrate that these photonic thermometers are a viable temperature sensing solution.

研究の動機と目的

• ナノスケール温度測定に適したコンactで小型のオンチップフォトニクス温度センサーの開発。
• 従来のファイバーブロッググレーティングセンサーを上回る温度感度の向上。
• 1枚のシリコンチップ上にブロッググレーティングおよびフォトニック結晶キャビティ構造を統合。
• 製造されたデバイスの熱応答性および感度の特性評価。
• これらのフォトニクスセンサーが実用的なナノサーミング測定応用に実現可能であるかの検証。

提案手法

• 標準的なシリコンオンインサレータ（SOI）プロセスを用いて、シリコンフォトニクスブロッググレーティングおよびフォトニック結晶キャビティ構造のプロセスを実施。
• 熱酸化シリコン（SiO2）クラッド層を適用し、熱光応答性および感度を向上。
• フォトニックバンドギャップまたは反射ピークの波長シフトを温度依存信号として利用。
• 温度変化を制御した条件下でデバイスを評価し、感度および線形性を測定。
• 従来のファイバーブロッググレーティングセンサーと比較して性能向上を評価。
• 温度による屈折率変化に起因する共振波長の微小シフトを検出するために、光インターオグレーションを採用。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 オンチップシリコンフォトニクスブロッググレーティングおよびフォトニック結晶キャビティ構造は、温度測定に有効にプロセス可能か？
• RQ2 SiO2クラッド層は、これらのフォトニクスセンサーの温度感度にどのように影響を与えるか？
• RQ3 これらのオンチップセンサーは、従来のファイバーブロッググレーティングセンサーと比較して、どの程度感度が向上するか？
• RQ4 これらの統合フォトニクスデバイスにおける熱応答性の線形性および再現性はいかがなっているか？
• RQ5 これらのデバイスは、高精度なナノスケール温度測定の代替手段として実用可能か？

主な発見

• SiO2クラッドを施したフォトニクス温度センサーは、従来のファイバーブロッググレーティングセンサーと比較して、少なくとも8倍の高い感度を示した。
• ブロッググレーティングおよびフォトニック結晶キャビティ構造は、温度変化に対して安定的かつ測定可能な波長シフトを示した。
• 両方のセンサータイプを1枚のシリコンチップ上に統合することで、コンactでスケーラブルな温度測定プラットフォームが実現可能となった。
• テストした温度範囲内で熱応答性は線形であったため、信頼性の高いキャリブレーションが可能である。
• SiO2クラッドの使用により、熱光係数が顕著に向上し、感度の向上が達成された。
• 高い感度およびシリコンフォトニクス技術との適合性から、これらのデバイスはオンチップナノサーミング測定に応用可能であると示された。