Christian Schweikert

Abstract

A compact integrated and high-efficiency polarization mode interferometer in the 220-nm silicon-on-insulator platform is presented. Due to the operation with two polarization modes in a single waveguide, low propagation losses and high sensitivities combined with a small footprint are achieved. The designed and fabricated system with a 5-mm-long sensing region shows a measured excess loss of only 1.5 dB with an extinction ratio up to 30 dB, while its simulated homogeneous bulk sensitivity can exceed 8000 rad/RIU. The combination with a 90°-hybrid readout system offers single wavelength operation with unambiguousness for phase shifts up to 2pi and constant sensitivity.

Abstract

Fluorescence-based assays are widespread in the life sciences and used for instance in diagnostics, cell sorting, or to resolve cellular and tissue structures. Optofluidic engineering can help improve such assays, especially when sensitivity or throughput are important. Towards such optofluidic integration we combine a silicon nitride photonic chip including grating couplers for exciting and detecting fluorescence signals out of plane with a soft lithography based microfluidic chip. Through this configuration both the microfluidics and the optics systems are located at different levels. Considering an arrangement of grating couplers for excitation and detection as a sensor module, such modules can be placed multiple times below the microfluidic channels. This is advantageous for implementing complex lab-on-a-chip applications used in point-of-care-testing devices (POCT) or time-resolved analysis of biomolecular dynamics. As a proof of principle, different concentrations of fluorescein (10~µM up to 10~mM) in deionized water are investigated using an excitation-wavelength of 405~nm (-7~dBm laser power). The fluorescent solutions are pumped through a simple microfluidic channel, excited through a grating coupler of about 11~µm x 14~µm in size and detected through a glass fiber near the microfluidic channel and vice versa. The signal detection is done by a spectrometer. By exciting through a grating coupler and recording the fluorescence emission through a glass fiber a limit of detection (LOD) of 73~µM is measured. The spectral location of the emission maxima varies from 518~nm to 526~nm for concentrations of 100~µM to 10~mM, respectively. Overall, the fluorescence detection through grating couplers in microchannels is demonstrated. This can be considered as a first step towards a fully integrated optofluidic chip interface for high density fluorescence assay multiplexing.

Abstract

Ein Gitterkoppler dient als eine Schnittstelle zwischen einer optischen Glasfaser und einem integrierten Wellenleiter. Die wellenlängenabhängigen Winkeländerungen der austretenden Strahlung limitieren jedoch die Bandbreite einer effizienten Kopplung. Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Optimierung solcher Gitterkoppler, die in der Silizium-auf-Isolator-Materialplattform umgesetzt sind. Durch das Hinzufügen zusätzlicher Strukturen wirken Beugungs- und Dispersionseffekte der ungewollten Winkeländerung entgegen. Eine Erhöhung der Bandbreite wird erzielt. So sorgt ein weiteres Gitter über dem verwendeten Gitterkoppler zu einer simulativen Erhöhung von 42 nm auf 78 nm der 1-dB-Bandbreite, ohne dass dies zu einem signifikanten Einbruch der Kopplungseffizienz führt. Durch diese Methode sind breitbandige und zugleich hocheffiziente Gitterkoppler realisierbar. Das zweite Themenfeld dieser Arbeit handelt von dem Entwurf verschiedener Filtersysteme für die On-Chip-Raman-Spektroskopie. Diese haben die Anforderung, das anregende Signal um 6 Größenordnungen zu dämpfen. Dabei sollen Signale höherer Wellenlängen, welche Informationen über die molekulare Zusammensetzung der untersuchten Substanz beinhalten, erhalten bleiben. Ein mögliches Konzept wird entwickelt, das auf einem Ringresonator basiert. Durch eine bestimmte Auslegung der enthaltenen Koppler lässt sich eine kritische Kopplung kontrollieren. So erfolgt für das Signal der zu filternden Wellenlänge eine nahezu totale Auslöschung (>100 dB), während die unerwünschten Dämpfungen in dem relevanten Wellenlängenbereich größtenteils unter 3 dB liegen. Ein weiteres Filtersystem besteht aus einem 3-dB-Koppler und zwei identischen Wellenleitergittern. Durch die wellenlängenabhängige Phasenbeziehung dämpfen die beiden Gitter die zu filternden Signalanteile in Form von Reflexionen um die geforderten 60 dB. Das Ausnutzen von Interferenzeffekten ermöglicht ein Auskoppeln der unerwünschten Reflexionen. Die Signalanteile höherer Wellenlänge passieren nahezu ungedämpft das Filtersystem.

Abstract

In photonic integrated circuits grating couplers are commonly used to establish an efficient and stable fiber-to-chip link. However, the actual coupling efficiency of a fiber-to-chip interface depends strongly on the used wavelength and exhibits a maximum at a distinct target wavelength, determined by grating design parameters. In this paper, an enhancement of the optical bandwidth of silicon grating couplers by adding integrated dispersive structures is discussed. These are realized by single layers, prism-like geometries and additional SiN gratings. Theoretical considerations for a bandwidth-enhancement by dispersive layers are performed and applied to an existing grating coupler design. A simulated 1dB-bandwidth of up to 90 nm at a maximum efficiency of -0.65 dB in the C-band could be achieved, which is an enhancement to a factor of about 2 compared with the original coupler design.

Abstract

diesen Eekt reduzieren. Die Untersuchung und Beschreibung der Anpassung der reektierten und lokalen optischen Signalmode in Bezug auf die Reichweite folgt. Mögliche Ansätze zur Realisierung eines Lidar-Sensors werden anschlieÿend aufgeführt.Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Untersuchung von Effekten, die die Reichweite eines frequenzmodulierten Dauerstrich-Lidars beeinflussen. Aufgrund von Unstimmigkeiten zwischen Erwartung und Messung, durchgeführt mit einem für diese Arbeit bereitgestellten, faserbasierten Demonstrator, ist die Untersuchung unerwünschter Störeinflüsse notwendig. Diese werden in dieser Arbeit ermittelt, analysiert und vermindert.Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Untersuchung von Effekten, die die Reichweite eines frequenzmodulierten Dauerstrich-Lidars beeinflussen. Aufgrund von Unstimmigkeiten zwischen Erwartung und Messung, durchgeführt mit einem für diese Arbeit bereitgestellten, faserbasierten Demonstrator, ist die Untersuchung unerwünschter Störeinflüsse notwendig. Diese werden in dieser Arbeit ermittelt, analysiert und vermindert.