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シリコンフォトニクス干渉計プラットフォーム上にCMOSプラズモニック変換器を用いた超高感度屈折率センサー
Ultra-sensitive refractive index sensor using CMOS plasmonic transducers on silicon photonic interferometric platform.
PMID: 32680148 DOI: 10.1364/OE.383435.
抄録
プラズモニクスとシリコンフォトニクスの選択的な共集積を利用した光屈折率センサーは、両技術の利点を生かした前例のない性能の飛躍的な向上を可能にするバイオセンシングアプリケーションのための魅力的な技術として浮上してきている。しかし、この方向性に向けては、CMOS 互換材料のみを用いた集積化が大きな課題となっている。そこで本研究では、アルミニウムとSi3N4導波路を用いたCMOS対応プラズモフォトニック・マッハツェンダー干渉計（MZI）を初めて実証し、4764nm/RIUという過去最高のバルク感度を実現した。提案するセンサは、Si3N4導波路をアルミニウムストライプと突き合わせて片側のブランチに配置し、センシングトランスデューサを実現している。基準アームはSi3N4導波路で構成され、熱光学的位相シフタとMZIベースの可変光減衰段を内蔵し、最大38dBの消光比を実現し、全体のセンシング性能を最適化している。提案するセンサは、CMOS製造規格に準拠しながら、プラズモフォトニックの中で最高のバルク感度を示し、大量生産を可能にしています。
Optical refractive-index sensors exploiting selective co-integration of plasmonics with silicon photonics has emerged as an attractive technology for biosensing applications that can unleash unprecedented performance breakthroughs that reaps the benefits of both technologies. However, towards this direction, a major challenge remains their integration using exclusively CMOS-compatible materials. In this context, herein, we demonstrate, for the first time to our knowledge, a CMOS-compatible plasmo-photonic Mach-Zehnder-interferometer (MZI) based on aluminum and Si3N4 waveguides, exhibiting record-high bulk sensitivity of 4764 nm/RIU with clear potential to scale up the bulk sensitivity values by properly engineering the design parameters of the MZI. The proposed sensor is composed of Si3N4 waveguides butt-coupled with an aluminum stripe in one branch to realize the sensing transducer. The reference arm is built by Si3N4 waveguides, incorporating a thermo-optic phase shifter followed by an MZI-based variable optical attenuation stage to maximize extinction ratio up to 38 dB, hence optimizing the overall sensing performance. The proposed sensor exhibits the highest bulk sensitivity among all plasmo-photonic counterparts, while complying with CMOS manufacturing standards, enabling volume manufacturing.