Mid-infrared absorption sensing based on silicon photonics

Diese Dissertation fasst die Arbeiten des Autors zum Thema Absorptionssensorik von Gasen im mittleren Infrarotbereich basierend auf Silziumphotonik zusammen. Die Arbeiten wurden zwischen 2016 und 2019 im Rahmen der Anstellung des Autors an der Carinthian Tech Research AG, Österreich und im Zuge des Doktoratsstudiums der technischen Wissenschaften am Institut für Mikroelektronik und Mikrosensorik an der Johannes Kepler Universität Linz, Österreich durchgeführt. Die optische Absorptionssensorik für Gase ist ein weit verbreiteter Ansatz zur Kontrolle der Luftqualität, zur Überwachung industrieller Prozesse oder zur Rauchdetektion. Seit einiger Zeit besteht auch großes Interesse, Gassensoren in Multimediageräten oder in Automobilen zu integrieren. Insbesondere für Multimediaanwendungen ist es entscheidend, kleine und kostengünstige Sensoren zu verwenden. Daher besteht ein zunehmender Bedarf an Mikrosensoren, die kostengünstig mittels Halbleitertechnologie fabriziert werden können. Das letztendliche Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung eines vollständig integrierten Sensors, welcher mit Halbleiter-Massenherstellungsverfahren kompatibel ist. Dabei wurde als erste Anwendung die Messung von Kohlendioxid untersucht, da Kohlendioxid als wichtiger Indikator für die Luftqualität gesehen wird. Der Ansatz, welcher in dieser Arbeit untersucht wurde, war Evaneszenzfeldabsorption im mittleren Infrarotbereich unter Verwendung einer Siliziumplattform. Das entwickelte Sensorsystem kann in drei Hauptteile unterteilt werden: den Emitter für den mittleren Infrarotbereich, die Wechselwirkungsstecke, auf welcher der Analyt mit der Strahlung interagiert und den Detektor für den mittleren Infrarotbereich. In Bezug auf den Emitter im mittleren Infrarotbereich wurde ein Filter für dielektrische Wellenleiter mittels numerischer Simulationen untersucht. Der entwickelte Filter verfügt über ein schmalbandiges Transmissionsband und ermöglicht durch die Kombination mit einer Breitbandquelle, beispielsweise einem thermischen Strahler, die Erzeugung eines schmalbandigen Emitters im mittleren Infrarotbereich. Bezüglich des Absorptionspfades wurden Wellenleiter bestehend aus Polysilizium numerisch und experimentell untersucht. Aufgrund des Designs der Wellenleiter verfügt die propagierende Mode im Wellenleiter über ein sogenanntes evaneszentes Feld, welches außerhalb des Wellenleiters propagiert und die Wechselwirkung mit dem Analyten ermöglicht. Während dieser Ansatz den Nachteil aufweist, dass nur ein Bruchteil des elektromagnetischen Feldes für die Wechselwirkung mit dem Analyten verwendet wird, besteht ein wesentlicher Vorteil dieses Ansatzes darin, dass der Wellenleiter in Form von Mäandern oder Spiralen implementiert werden kann. Dies ermöglicht es, lange Wechselwirkungspfade innerhalb einer kleinen Grundfläche zu realisieren, was für die Massenfertigung mittels Halbleitertechnologie entscheidend ist. In dieser Arbeit wurde die Evaneszenzfeldsensorik von Kohlendioxid mit zwei verschiedenen Plattformen demonstriert: einem Silizium Strip-Wellenleiter auf einer Membran und einem Silizium Strip-Wellenleiter auf einer soliden Unterkonstruktion. Der entsprechende Evanszenzfeldanteil, welcher ein Maß für die Leistungsfähigkeit der Sensorstruktur ist, wurde bestimmt. Für die Plattform mit solider Unterkonstruktion, wurde auch der zweite entscheidende Parameter, die intrinsischen Verluste im Wellenleiter untersucht. Zusätzlich wurden Silizium Slot-Wellenleiter, welche über einen höheren Evaneszenzfeldanteil verfügen, mithilfe von numerischen Simulationen untersucht. Als letztes Sensorelement wurde ein Infrarotdetektor entwickelt und experimentell charakterisiert. Detektoren im mittleren Infrarotbereich werden im Allgemeinen in Fotodetektoren und thermische Detektoren unterteilt. Fotodetektoren sind in dem verwendeten Wellenlängenbereich unter Verwendung einer Siliziumplattform schwer zu realisieren. Daher wurde in dieser Arbeit ein thermischer Detektor, genauer gesagt ein pyroelektrischer Detektor, entwickelt, mit welchem vielversprechende Ergebnisse erzielt wurden. Die erhaltenen Parameter der einzelnen Elemente wurden verwendet, um die Auflösung des endgültigen Sensorsystems abzuschätzen. Zukünftige Arbeiten zielen auf die Integration des gesamten Sensorsystems sowie die Verbesserung der einzelnen Elemente ab, um eine zufriedenstellende Auflösung des Systems zu erzielen.This thesis summarizes the authors work on the topic of mid-infrared absorption gas sensing based on silicon photonics. This research was conducted between 2016 and 2019 in the course of the author's work at the Carinthian Tech Research AG, Austria and the Doctoral Program in Engineering Sciences performed at the Institute for Microelectronics and Microsensors at the Johannes Kepler University Linz, Austria. Optical absorption gas sensing is a widely used approach for monitoring the air quality, monitoring industrial processes or for smoke detection. Recently, there has also been an increasing interest to integrate gas sensors in user electronics or automotive devices. Especially for user electronic applications, such sensors are required to be small and cheap. Therefore, there has been an increasing demand in microsensors that can be fabricated at low costs, using semiconductor mass fabrication technology. The ultimate goal of this work is to develop a fully integrated sensor that is compatible with semiconductor mass fabrication. The first demonstrator application that was targeted is sensing of carbon dioxide, which is considered to be a major indicator for air quality. The approach that was investigated in this work was evanescent field absorption sensing in the mid-infrared region, using a silicon platform. The devised sensor system can be divided into three main parts: the mid-infrared emitter, the interaction path, where the analyte interacts with the radiation, and the mid-infrared detector. Concerning the mid-infrared emitter, a filter for dielectric waveguides, which allows to create a narrow transmission band, was investigated, using numerical simulations. The proposed filter showed a narrow transmission band and allows to create a mid-infrared emitter when combined with a broadband source, such as a thermal emitter. The proposed interaction path comprises poly-silicon waveguides which were numerically and experimentally investigated. When properly designed, a fraction of the electric field, the so-called evanescent field, extends outside of the waveguide, allowing the interaction with the analyte. While this approach suffers from the drawback that only a fraction of the electromagnetic field is used for the interaction with the analyte, one major advantage of this approach is that the waveguide can be implemented in the form of meanders or spirals. This allows to utilize long interaction paths within a small footprint, which is crucial for semiconductor mass fabrication. Within this work, evanescent field absorption sensing of carbon dioxide was demonstrated, using two different platforms: a silicon strip waveguide on a membrane and on a solid substructure. The corresponding evanescent field ratio, which is a measure for the sensing capability of the structure, was determined. For the latter platform, the second crucial parameter, the intrinsic losses in the waveguide was also investigated. Furthermore, slot waveguides that allow enhancing the evanescent field ratio were investigated using numerical simulations. As last element, an infrared detector was devised and experimentally characterized. Mid-infrared detectors are in general divided into photo detectors and thermal detectors. Photo detectors are difficult to realize in the mid-infrared region using a silicon platform. Therefore, in this work, a thermal detector, more specifically a pyroelectric detector was devised and experimentally characterized, showing promising results. Finally, the obtained parameters of the individual elements were used to estimate the resolution of the final sensor system. Future work will target the integration of the whole sensor system as well as the improvement of the individual parts in order to achieve a satisfactory performance.submitted by Dipl.-Ing. Christian RanacherJohannes Kepler University Linz, Dissertation, 2019OeBB(VLID)454337