[논문 리뷰] Fabrication and Characterization of On-Chip Integrated Silicon Photonic Bragg Grating and Photonic Crystal Cavity Thermometers

Nikolai N. Klimov, Thomas Purdy외 1명|arXiv (Cornell University)|2015. 08. 06.

Photonic and Optical Devices인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 SiO2 코팅층을 사용하여 감도를 향상시킨 브라그 격자 및 광결정 공진기 구조를 갖춘 옹근 실리콘 포토닉 온도계를 제시한다. 이 센서들은 전통적인 섬유 브라그 격자 센서보다 최소 8배 높은 온도 감도를 달성하여 나노스케일 온도 측정에 높은 정밀도로 적용 가능한 가능성을 입증한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 나노스케일 온도 측정을 위한 컴act한 옹근 포토닉 온도계 개발
• 기존 섬유 브라그 격자 센서를 뛰어넘는 온도 감도 향상
• 단일 실리콘 칩에 브라그 격자 및 광결정 공진기 구조 통합
• 제작된 장치의 열적 반응 및 감도 특성 분석
• 이 포토닉 센서들이 실용적인 나노온도 측정 응용 분야에 실현 가능함을 검증

제안 방법

• 표준 실리콘 온 인슐레이터(SOI) 플랫폼을 사용하여 실리콘 포토닉 브라그 격자 및 광결정 공진기 구조 제작
• 열광학 반응 및 감도 향상을 위해 열산화막(SiO2) 코팅층 도포
• 광대역 또는 반사 피크의 파장 이동을 온도에 따라 변하는 신호로 사용
• 온도 변화를 통제하는 조건에서 장치의 감도 및 선형도 측정을 위한 특성 분석
• 성능 향상을 평가하기 위해 기존 섬유 브라그 격자 센서와의 감도 비교
• 온도에 의한 굴절률 변화로 인한 공진 파장의 미세 이동을 감지하기 위해 광학적 탐지 기술 활용

실험 결과

연구 질문

• RQ1 옹근 실리콘 포토닉 브라그 격자 및 광결정 공진기 구조는 온도 측정을 위해 효과적으로 제작될 수 있는가?
• RQ2 SiO2 코팅층은 이러한 포토닉 센서의 온도 감도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 이러한 옹근 센서의 감도는 기존 섬유 브라그 격자 센서에 비해 어느 정도 향상되었는가?
• RQ4 이 통합 포토닉 장치의 열적 반응은 선형성과 재현성 측면에서 어떻게 나타나는가?
• RQ5 이 장치들은 고정밀 나노스케일 온도 측정에 실용적인 대안이 될 수 있는가?

주요 결과

• SiO2 코팅을 적용한 포토닉 온도계는 기존 섬유 브라그 격자 센서보다 최소 8배 높은 감도를 보였다.
• 브라그 격자 및 광결정 공진기 구조는 온도 변화에 따라 안정적이고 측정 가능한 파장 이동을 나타냈다.
• 두 센서 유형을 단일 실리콘 칩에 통합함으로써 컴팩트하고 확장 가능한 온도 측정 플랫폼을 구현할 수 있었다.
• 시험한 온도 범위 내에서 열적 반응은 선형적이었으며, 신뢰성 있는 校정이 가능함을 뒷받침했다.
• SiO2 코팅의 사용은 열광학 계수를 크게 향상시켜 감도 향상에 기여했다.
• 높은 감도와 실리콘 포토닉스 기술과의 호환성 덕분에 이 장치들은 옹근 나노온도 측정에 잠재력을 지닌다.