[論文レビュー] Thermo-optic coefficient measurement of liquids using silicon photonic microring resonators

Prashanth R. Prasad, Shankar Kumar Selvaraja+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 9, 2017

Photonic and Optical Devices参考文献 16被引用数 4

ひとこと要約

本論文では、温度依存の共振波長シフトと統合されたオンチップ温度センシングを活用して、液体の熱光学係数（TOC）をオンチップで測定するシリコンフォトニクス・マイクロリングレゾネータープラットフォームを提案する。この手法により、不純物を含まない水に対して−1.12×10⁻⁴/°CのTOC測定が行われ、不確実性は±8.26×10⁻⁶/°Cであった。これにより、屈折率センシングにおけるリアルタイムの熱雑音補正が可能となった。

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.

研究の動機と目的

• シリコンフォトニクス・マイクロリングレゾネータを用いて、液体試料の熱光学係数（TOC）をコンactかつオンチップで測定する手法の開発。
• 正確なTOCおよび温度測定を可能にすることで、オンチップ屈折率測定における熱雑音をリアルタイムで補正する。
• 参照レゾネータに依存せず、液体のTOCを直接測定することにより、プロセス不一致および空間的温度勾配に起因する誤差を低減する。
• TOCの独立的測定を提供することで、化学組成および熱膨張と相関する多パラメータ分析を可能にする。

提案手法

• シリコンマイクロリングレゾネータの共振波長の温度依存的シフトを活用し、周囲の液体の熱光学係数を抽出する。
• 高コントラスト波導の場の閉じ込め理論を用いて、コア、クラッド、埋め込み酸化膜における温度依存の屈折率変化に起因する有効屈折率の変化をモデル化する。
• 電気的抵抗を用いて局所的な温度変化をモニタリングする金属リング構造をチップ上に統合し、リアルタイムでの熱追跡を可能にする。
• 既知の温度ラムプを用いたキャリブレーション手法を適用し、共振波長シフトと温度の勾配を測定してTOCを計算する。
• モードシミュレーションおよびSEM測定を用いて、波導幅のばらつきおよび勾配測定ノイズに起因する不確実性を評価する。
• 誤差伝搬を用いて不確実性寄与を導出し、勾配の不確実性と波導幅のばらつきを組み合わせて、TOCの総不確実性を推定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 液体の熱光学係数は、シリコンフォトニクス・マイクロリングレゾネータを用いてオンチップで正確に測定可能か？
• RQ2 オンチップでの温度変動をリアルタイムで追跡するにはどうすればよいか？これによりTOC測定の正確性がどのように向上するか？
• RQ3 この手法を用いたTOC推定における主な不確実性要因は何か？また、それらはどのように定量的評価できるか？
• RQ4 熱的フラクチュエーションの補正が可能になることで、この手法が屈折率センシングの性能を向上させ得るか？
• RQ5 水、エタノール、イソプロパノールといった標準液体の測定TOC値は、文献値とどの程度一致するか？

主な発見

• 不純物を含まない水の熱光学係数は、−1.12×10⁻⁴/°Cと測定され、総不確実性は±8.26×10⁻⁶/°Cであった。
• 不確実性予算は、勾配測定の不確実性（6.42×10⁻⁶/°C）と波導幅のばらつき（5.19×10⁻⁶/°C）が支配的であり、合計効果はルート和二乗法で計算された。
• TOC測定の検出限界は、標準不確実性の3倍として2.47×10⁻⁵/°Cと定義された。
• エタノールおよびイソプロパノールの測定TOC値は、文献値と整合的であり、手法の正確性が裏付けられた。
• 金属リング抵抗によるオンチップ温度センシングが、局所的な熱変動のリアルタイム追跡を可能にし、空間的温度勾配に起因する誤差を低減した。
• 参照レゾネータに依存せず、直接的かつオンチップでのTOC測定が可能となり、プロセスに起因する不一致および空間的熱ドリフトの影響が軽減された。