[논문 리뷰] Thermo-optic coefficient measurement of liquids using silicon photonic microring resonators

Prashanth R. Prasad, Shankar Kumar Selvaraja외 1명|arXiv (Cornell University)|2017. 10. 09.

Photonic and Optical Devices참고 문헌 16인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 온도에 따른 공진 파장 이동과 통합된 칩 내 온도 센서를 활용하여 액체의 열광학 계수(TOC)를 칩 내에서 측정하기 위한 실리콘 포토닉 마이크로링 공진기 플랫폼을 제시한다. 이 방법은 순수한 물에 대해 −1.12×10⁻⁴/°C의 TOC 측정값과 ±8.26×10⁻⁶/°C의 불확도를 달성하여 굴절률 측정에서 실시간 열 노이즈 보정을 가능하게 한다.

ABSTRACT

On-chip measurement of thermo-optic coefficient (TOC) of samples along with on-chip temperature measurements can be used to compensate for thermal fluctuation induced noise in refractometry using integrated photonic sensors. In this article we demonstrate a device design and describe the method to extract TOCs of liquid samples using resonant wavelength shifts of a silicon microring resonator. The TOCs of three standard fluids; De-ionized water, Ethanol and Isopropanol, were determined using our sensor and show a good agreement with values reported in literature. A mechanism for tracking of on-chip temperature variations is also included for ensuring accuracy of TOC measurements. Potential applications of the demonstrated on-chip TOC sensor include improvements in accuracy of refractive index measurements and multiparametric analysis of biochemical analytes.

연구 동기 및 목표

• 실리콘 포토닉 마이크로링 공진기를 이용한 액체 분석물의 열광학 계수(TOC)를 칩 내에서 컴팩트하게 측정할 수 있는 방법을 개발하기 위해.
• 정확한 TOC 및 온도 측정을 통해 실시간 보정을 가능하게 함으로써 칩 내 굴절률 측정에서의 열 노이즈 문제를 해결하기 위해.
• 기준 공진기 의존을 피하기 위해 분석물의 TOC를 직접 측정하여 제작 불일치 및 공간적 온도 기울기로 인한 오차를 최소화하기 위해.
• 화학 조성과 열팽창과 관련된 독립적인 TOC 측정을 제공함으로써 다중 매개변수 분석을 가능하게 하기 위해.

제안 방법

• 실리콘 마이크로링 공진기의 공진 파장 이동을 온도 변화에 의해 유도하여 둘러싸인 액체의 열광학 계수를 추출한다.
• 고대비 파손도에서의 전자기장 봉쇄 이론을 활용하여 코어, 클래딩 및 매립 산화막의 온도에 따른 굴절률 변화에 따라 효과 굴절률 변화를 모델링한다.
• 전기 저항을 통해 국소 온도 변화를 모니터링하기 위해 칩에 금속 링 구조를 통합하여 실시간 열 추적을 가능하게 한다.
• 알려진 온도 램프를 사용한 校정 방법을 적용하고, 공진 파장 이동과 온도의 기울기를 측정하여 TOC를 계산한다.
• 모드 시뮬레이션과 SEM 측정을 활용하여 파손도 폭 변화 및 기울기 측정 노이즈로 인한 불확도를 정량화한다.
• 오차 전파를 통해 불확도 기여도를 유도하고, 기울기 불확도와 파손도 폭 변화를 조합하여 총 TOC 불확도를 추정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 실리콘 포토닉 마이크로링 공진기를 이용한 칩 내에서 액체의 열광학 계수를 정확하게 측정할 수 있는가?
• RQ2 칩 내 온도 변화를 실시간으로 추적하여 TOC 측정 정확도를 향상시킬 수 있는가?
• RQ3 이 방법을 사용한 TOC 추정에서 지배적인 불확도 원인은 무엇이며, 이를 어떻게 정량화할 수 있는가?
• RQ4 이 방법을 통해 열 변동을 보정함으로써 굴절률 측정 정확도를 향상시킬 수 있는가?
• RQ5 표준 액체인 물, 에탄올, 이소프로판올의 측정된 TOC 값이 문헌 값과 얼마나 일치하는가?

주요 결과

• 순수한 물의 열광학 계수는 −1.12×10⁻⁴/°C로 측정되었으며, 총 불확도는 ±8.26×10⁻⁶/°C였다.
• 불확도 예산은 기울기 측정 불확도(6.42×10⁻⁶/°C)와 파손도 폭 변화(5.19×10⁻⁶/°C)에 의해 주로 결정되었으며, 이들의 영향은 제곱합의 제곱근으로 계산되었다.
• TOC 측정의 감도 한계는 표준 불확도의 3배인 2.47×10⁻⁵/°C로 결정되었다.
• 에탄올과 이소프로판올의 측정된 TOC 값은 문헌 값과 일치하여 이 방법의 정확도를 검증하였다.
• 금속 링 저항을 통한 칩 내 온도 센서는 국소 열 변화를 실시간으로 추적하여 공간적 온도 기울기로 인한 오차를 감소시켰다.
• 이 방법은 기준 공진기를 의존하지 않고 직접적으로 칩 내에서 TOC를 측정할 수 있어 제작 오차로 인한 불일치 및 공간적 열 이동을 완화시켰다.