Abstract:
Integrierte photonische Sensorsysteme bestehen aus miniaturisierten, massenproduktionstauglichen Bauelementen, die sich einerseits die ausgereifte Halbleitertechnologie zu Nutze machen, und die sich andererseits aus dem Baukasten vorhandener photonischer Komponenten bedienen, welche ins-besondere für Telekommunikationsanwendungen entwickelt wurden. Integrierte photonische Sensorsysteme kombinieren einen integrierten photonischen Schaltkreis (photonic integrated circuit, PIC), optoelektronische Lichtquellen und Photodetektoren, sowie elektronische Komponenten für die Signalerzeugung und Signalverarbeitung. ... mehrDie optoelektronischen Komponenten sind entweder direkt auf dem PIC integriert oder sind externe Komponenten, in beiden Fällen wird das Licht in Wellenleiter auf dem PIC ein- und anschließend wieder ausgekoppelt. In solch einem System dient der PIC als Sensorelement, welches so entworfen wird, dass sich die optische Transmission mit hoher Sensitivität von den zu detektierenden Änderungen in seiner Umgebung beeinflusst wird. Ein wichtiges Beispiel ist ein biochemischer Sensor-PIC, welcher über Wellenleiter mit funktionalisierten Wellenleiteroberflächen die Adsorbtion von Molekülen detektieren kann. Eine Besonderheit ist, dass hierfür keine Markierung der zu detektierenden Molekülgruppen wie z.B. Floureszenzfarbstoffe notwendig sind, weshalb solche Verfahren als „label-free“ bezeichnet werden. Durch die Kompaktheit der entsprechenden Sensorelemente können eine Vielzahl von Sensoren parallel innerhalb eines einzelnen Chips auf einer Fläche im Bereich von nur einem Quadratmillimeter realisiert werden.
Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist eine ganzheitliche Betrachtung von integrierten photonischen Sensorsystemen auf mehreren Abstraktionsebenen. Die Betrachtung beinhaltet eine detaillierte Analyse des photonischen Wellenleiterdesigns auf der untersten Abstraktionsebene, des photonischen Schaltungsdesigns und des Systemdesigns inklusive der Elektronik, der Lichtquellen und der Photodetektoren auf der mittleren Abstraktionsebene, sowie eine Analyse des Ansteuer- sowie Ausleseverfahrens um hochpräzise, eindeutige Messdaten zu generieren auf der obersten Abstraktionsebene. Ein besonderes Augenmerk liegt hierbei auf der Optimierung der Leistungsfähigeit auf der Gesamtsystemebene, sowie auf der Kompensation von unvermeidbaren Variationen der Komponenteneigenschaften, welche unweigerlich mit einer Massenproduktion sowie mit einem energieeffizienten Sensorbetrieb unter realistischen Umgebungsbedingungen einhergehen.
Nach einem kurzen Überblick über wesentliche Ergebnisse dieser Arbeit folgt in den Kapiteln 1 bis 6 die eigentliche Abhandlung der Inhalte. Die darauffolgenden Anhänge beinhalten weiterführende konzeptionelle und mathematische Details sowie Verzeichnisse der Literaturangaben, der Akronyme, der verwendete mathematischen Symbole, der Figuren, der Tabellen und der Publikationen. Im Anschluss daran folgt eine Danksagung so-wie ein Lebenslauf des Autors. Teile dieser Arbeit wurden bereits in Patenten [P1], [P2], internationalen Fachjournalen [J1], [J2], sowie in einem Konferenzbeitrag [C1] publiziert.
Die Hauptkapitel 1 bis 6 dieser Arbeit sind wie folgt strukturiert:
Kapitel 1 gibt eine Einführung in das Gebiet der integrierten photonischen Sensorsysteme und behandelt hierbei optische Sensoren, relevante Anwendungen und die Entstehung der integrierten photonischen Technologie aus der elektronischen Halbleiterindustrie. Weiterhin wird der Umfang der in dieser Arbeit durchgeführten Analyse aufgezeigt.
Kapitel 2 stellt die mathematischen und konzeptionellen Grundlagen integrierter photonischer Sensorsysteme zusammen und behandelt hierbei die Propagation von elektromagnetischen Wellen in photonischen Wellenleitern und den wellenleiterbasierten Sensormechanismus über den effektiven Brechungsindex einer optischen Mode. Weiterhin bietet es einen umfassenden Überblick über das komplette Sensorsystem ausgehend von phasensensitiven photonischen Schaltkreisen über die wichtigsten Systemkomponenten und deren technologischen Herausforderungen bis hin zu einer Gegenüberstellung der geläufigsten Systemkonfigurationen und Auslesekonzepte.
Kapitel 3 analysiert das Design integrierter photonischer Wellenleiter für Sensoranwendungen. Dieses Kapitel bietet physikalische Einsichten und umfängliche Designleitlinien, mit Hilfe derer für eine bestimmte Messaufgabe eine passende photonische Integrationsplattform, ein Wellenleitertypus, eine Modenfamilie sowie eine optimierte Wellenleitergeometrie aus-gewählt werden können. Grundlage hierfür ist die Wechselwirkung einer geführten Wellenleitermode mit einer Änderung des Wellenleiterquerschnittes, die durch die zu bestimmende Messgröße hervorgerufen wird. Diese Wechselwirkung wird quantitativ durch den Feldinteraktionsfaktor beschrieben.
Kapitel 4 analysiert die Leistungsfähighkeit und die Limitierungen des gesamten photonischen Systems inklusive der phasensensitiven photonischen Schaltkreise, der Lichtquellen und Photodetektoren, sowie des elektrischen Ansteuer- sowie Ausleseverfahrens. Ein besonderes Augenmerk liegt hier-bei auf Systemen, welche für eine kosteneffiziente Großserienproduktion ausgelegt wurden. Hierbei spielen insbesondere Variationen der Komponenteneigenschaften eine Rolle, welche unweigerlich mit einer Massenproduktion sowie einem energieeffizienten Sensorbetrieb unter realistischen Umgebungsbedingungen einhergehen.
Kapitel 5 stellt ein besonders robustes photonisches Sensorsystem vor, welches, basierend auf den Erkenntnissen aus den Kapiteln 3 und 4, für Sensoranwendungen außerhalb idealisierter Laborbedingungen und explizit für eine Großserienproduktion geeignet ist. Basierend auf einem integrierten Mach-Zehnder-Interferometer mit drei um 120° phasenverschobenen Ausgangssignalen wird ein spezielles Ansteuer- und Ausleseverfahren demonstriert, welches eine instantane Selbstkalibration und eine jederzeit eindeutige Phasenmessung ermöglicht.
Kapitel 6 fasst die wesentlichen Ergebnisse und Schlussfolgerungen zusammen und identifiziert offene Herausforderungen für eine erfolgreiche Kommerzialisierung integrierter photonischer Sensorsysteme.
Abstract (englisch):
Integrated photonic sensor systems consist of miniaturized, mass-producible devices that leverage mature semiconductor fabrication technology as well as a well-established ecosystem of photonic components developed primarily for telecommunication applications. Integrated photonic sensor systems combine a photonic integrated circuit (PIC) that contains waveguide-based sensor components, opto-electronic light sources and detectors that can be integrated on the PIC or that can be coupled to the PIC from outside, and electronic components for signal generation and signal processing. ... mehrWithin this system, the PIC serves as the sensing element, designed to provide an optical transmission that sensitively depends on changes of the environmental parameter that have to be detected. A prominent example is a biochemical sensor PIC that exploits label-free detection of molecules binding specifically to a functionalized waveguide surface. Due to the compactness of the sensor PIC, it is rather straightforward to realize a multitude of parallel sensors on a single chip, with footprints of the order of a square millimeter.
This work aims at a holistic treatment of integrated photonic sensor systems over all levels of abstraction. It comprises a detailed analysis of photonic waveguide design on the lowest level, of the photonic circuit design to optimize the optical response and of the system design including electronics, light sources and detectors on an intermediate level, as well as of the readout design geared towards obtaining precise and unambiguous measurement results on the highest level of abstraction. A special emphasis is put on system-level performance optimization as well as on managing unavoidable variations of optical components that are inherently linked to mass production and energy-efficient system operation under realistic environmental conditions.
After a brief review of the major achievements in the introductory part of the thesis, Chapters 1-6 contain the main contents of this work. The subsequent appendices contain conceptual and mathematical details, lists of bibliographic references, acronyms, mathematical symbols, figures, tables and publications. The thesis concludes with acknowledgements and a curriculum vitae of the author. Parts of this thesis have been published in patents [P1][P2], in international journals [J1][J2], and in a conference contribution [C1]. The main sections are structured as follows:
Chapter 1 gives a general introduction to the field of integrated photonic sensor systems by discussing the advantages of optical sensors, relevant applications, and the emergence of integrated photonic technologies from the electronic semiconductor industry, and by summarizing the scope of the analysis provided in this work.
Chapter 2 provides the mathematical and conceptual fundamentals of integrated photonic sensor systems by discussing propagation of electro-magnetic signals in photonic waveguides, the mechanism of waveguide-based effective refractive index sensing, and a sensor system overview reviewing phase-sensitive photonic circuits, core system components and associated technological challenges, as well as sensor system configurations and readout concepts.
Chapter 3 analyzes the design of integrated photonic waveguides for sensing applications and provides physical insights and comprehensive design guidelines for the selection of appropriate photonic integration platforms, waveguide types, mode families, and optimized waveguide geometries geared towards a specific measurement task. The analysis builds upon the interaction of a waveguide mode with a particular change of the waveguide properties, which is caused by the environmental parameter of interest. The strength of this interaction is quantified by the so-called field interaction factor.
Chapter 4 analyzes the performance and limitations of the entire photonic sensor system, including the phase-sensitive photonic circuits, light sources and detectors, as well as the electrical readout. A special focus is on systems that are geared towards cost-efficient mass-production and large-scale deployment and that are able to handle variations of components that are inherently linked to mass production and energy-efficient system operation under realistic conditions.
Chapter 5 presents a particularly robust photonic sensor system viable for large-scale sensor applications outside a controlled laboratory environment by aggregating the insights gained by the analyses in Chapters 3 and 4. Based on an integrated Mach-Zehnder interferometer with three 120°-phase-shifted output signals, a specific operation and readout concept is demonstrated that offers instantaneous self-calibration and unambiguous phase readout.
Chapter 6 summarizes the work with its key findings and conclusions and identifies remaining challenges for a successful commercialization of integrated photonic sensor systems.
