Sensor pandu gelombang kristal fotonik berasaskan resonan plasmon permukaan (RPP) dalam cip bersepadu optik

Abstract

Di negara-negara membangun, alat diagnostik mudah-alih merupakan keperluan penting bagi pemantauan kesihatan masyarakat. Salah satu peranti adalah cip sensor nanofotonik yang sensitif, kompak dan murah untuk aplikasi perubatan. Masalah yang sering dihadapi dengan peranti sensor adalah kesukaran untuk mengesan kepekaan yang tepat berdasarkan perubahan indeks biasan kecil dan penggunaan kuasa tinggi yang menjejaskan prestasi sensor. Isu-isu ini boleh ditangani menggunakan pandu gelombang kristal fotonik (PGKF) yang bertindak sebagai sensor yang stabil dan mengesan perubahan kecil kepada indeks biasan dengan mudah dan tepat. Dengan kehadiran litar optik bersepadu, kuasa input yang rendah juga boleh dicapai. Objektif penyelidikan ini adalah untuk membangunkan PGKF berdasarkan resonan plasmon permukaan (RPP) dalam litar sensor bersepadu (LSB) yang menggunakan pendekatan cip antara ganding optikal (CAGO) yang terdiri daripada laser sebagai pemancar isyarat optik kepada PGKF dan diodfoto sebagai penerima isyarat optik dari PGKF. Kaedah yang digunakan dalam kajian ini adalah analisis berangka menggunakan modul FDTD, MODE dan INTERCONNECT dari Lumerical Inc. Semasa pemilihan bahan untuk lapisan PGKF, aluminium oksida (Al2O3) menunjukkan kepekaan pengesanan yang lebih tinggi berbanding zink oksida (ZnO) dan yttrium oksida (Y2O3). Bagi proses pengoptimuman PGKF, kaedah statik Taguchi L9 digunakan. Kaedah statik Taguchi L9 menunjukkan bahawa faktor dominan adalah ketebalan lapisan Al2O3 dan faktor penyelarasan adalah ketebalan lapisan SiO2. Nisbah isyarat-ke-hingar (SNR) nominalterbaik (NBT) yang mendominasi ialah 44.79 dB untuk lapisan Al2O3 dengan sudut resonan 69.53º dan lebar lengkap separuh maksimum (LLSM) iaitu 0.95. Seterusnya PGKF Al2O3 diintegrasikan ke dalam litar sensor bersepadu (LSB) untuk menentukan sensitiviti berdasarkan kepekatan glukosa dalam sampel urin. Hasilnya, hipotesis terbukti apabila molariti glukosa dalam urin bertambah dari 0 ke 5 gm/dl, kuasa output paras optik LSB menurun dari 0.008353 mW hingga 0.008310 mW. LSB yang direka mempunyai purata sensitiviti iaitu 69.73 mm/RIU. Bagi proses pengoptimuman, kaedah dinamik Taguchi L9 digunakan untuk LSB. Nilai SNR kelinearan asal untuk LSB adalah 27.15 dB manakala SNR kelinearan selepas proses pengoptimuman adalah 29.24 dB. Manakala, nilai SNR sensitivity asal adalah 79.21 dB manakala SNR sensitiviti selepas pengoptimuman adalah 80.60 dB. Akhir sekali, keseluruhan litar optik bersepadu direka dengan laser, PGKF dan diodfoto sebagai cip optik untuk indeks biasan (1.335 - 1.341) dengan frekuensi tengah yang sama untuk PGKF dan LSB iaitu 374.741 THz. Arus ambang output laser ditetapkan pada 0.015 A. Tahap responsiviti diodfoto meningkat secara linear dari 0.2 A/W hingga 1 A/W apabila peningkatan molariti glukosa berlaku. Bagi proses pengoptimuman, kaedah dinamik Taguchi L9 digunakan untuk CAGO di mana SNR kelinearan asal ialah 21.70 dB manakala selepas pengoptimuman, nilainya ialah 23.35 dB. SNR sensitiviti pula adalah 61.11 dB dan 63.55 dB sebelum dan selepas pengoptimuman. Keaslian penyelidikan ini adalah CAGO yang direka dengan PGKF yang berasaskan RRP untuk mengesan perubahan molariti glukosa rendah dengan sensitiviti tinggi dan kuasa keluaran yang rendah di CAGO. Kesimpulannya, objektif penyelidikan untuk membangunkan PGKF, LSB dan CAGO menggunakan gabungan tiga modul perisian (FDTD, MODE dan INTERCONNECT) dan analisa dinamik Taguchi dicapai dengan kestabilan dan sensitiviti yang tinggi untuk aplikasi peranti sensor optik.