Politechnika Warszawska
Badania
Nasza grupa opublikowała niedawno artykuł zatytułowany “Mode Sensitivity Exploration of Silica–Titania Waveguide for Refractive Index Sensing Applications” w czasopiśmie Sensors (MDPI). Artykuł składa się z dwóch części. W pierwszej części zaprezentowano eksperymentalną demonstrację platformy optycznej opartej na materiale krzemionkowo-tytanowym. Wyniki zostały uzyskane przez zespół kierowany przez prof. P. Karasińskiego z Politechniki Śląskiej.
W drugiej części artykułu przeprowadzono badania numeryczne dotyczące struktury rezonatora pierścieniowego, prowadzone przez dr. Muhammada Ali Butta na Politechnice Warszawskiej. Urządzenie czujnikowe w postaci rezonatora pierścieniowego zostało zamodelowane z wykorzystaniem dwuwymiarowej metody elementów skończonych (2D-FEM) do zastosowań w detekcji współczynnika załamania. Uzyskano czułość na poziomie 230 nm/RIU, wskaźnik jakości (FOM) równy 418.2 RIU⁻¹ oraz współczynnik Q = 2247.5 przy zoptymalizowanych parametrach geometrycznych.
Podfalowe siatki (SWG, Subwavelength Gratings) stanowią kluczowy element w tworzeniu wydajnych urządzeń fotoniki zintegrowanej o wysokich parametrach, takich jak niskostratne sprzęgacze światłowód–chip, filtry selektywne, modulatory, sensory czy ultraszerokopasmowe sprzęgacze falowodowe. Przekrój poprzeczny falowodu SWG odpowiada falowodowi grzbietowemu, jednak zawiera periodyczną modulację współczynnika załamania wzdłuż kierunku propagacji światła.
Dzięki periodyczności podfalowej siatki określone pasma długości fali mogą być prowadzone w postaci trybu falowodu Blocha. Falowód SWG z określonym okresem siatki lub współczynnikiem wypełnienia (dalej oznaczanym jako DC) może być dostosowany do transmisji dla danego pasma długości fali. Falowody te są szczególnie atrakcyjne, ponieważ umożliwiają modyfikację efektywnego współczynnika załamania prowadzonego trybu oraz jego własności dyspersyjnych.
Nasza grupa opublikowała artykuł dotyczący struktury falowodu SWG do zastosowań filtracyjnych i sensorycznych w czasopiśmie International Journal of Molecular Sciences. Zaprojektowany falowód SWG pełniący rolę filtra zaporowego w zakresie NIR (SWG waveguide NIR-stopband filter) osiąga współczynnik tłumienia (ER) powyżej 40 dB oraz szerokość pasma 3 dB równą 110 nm, przy zoptymalizowanych parametrach.
Zaproponowana w tej pracy struktura falowodu SWG–FP pełni funkcję czujnika współczynnika załamania, osiągając czułość rzędu ~120 nm/RIU poprzez zmniejszenie szerokości falowodu. Czułość tę można dodatkowo zwiększyć poprzez redukcję wysokości falowodu.
Uważamy, że ta praca ma istotne znaczenie dla realizacji niskokosztowych zintegrowanych urządzeń fotonicznych opartych na platformie krzemionkowo-tytanowej, rozwijanej metodą sol-gel dip-coating.
Nasza grupa opublikowała artykuł dotyczący jednowymiarowego fotonicznego falowodu kryształowego (1D Photonic Crystal, PhC) opartego na platformie krzemionkowo-tytanowej do zastosowań filtracyjnych i sensorycznych w czasopiśmie Optics Express.
Kryształy fotoniczne (PhCs), zaproponowane przez Yablonovitcha i Johna, wzbudziły ogromne zainteresowanie ze względu na swoje niezwykłe właściwości elektromagnetyczne (EM) oraz potencjalne zastosowania w dziedzinie optoelektroniki. W strukturach PhC możliwe jest uzyskanie przerwy fotonicznej (Photonic Bandgap, PBG) dzięki zjawisku rozpraszania Bragga w periodycznej strukturze dielektrycznej, co jest porównywalne do pasm zabronionych w półprzewodnikach.
Praca ta jest wynikiem współpracy partnerów badawczych z:
- Politechniki Warszawskiej,
- Politechniki Śląskiej,
- Sieci Badawczej Łukasiewicz – PORT Polski Ośrodek Rozwoju Technologii,
- Politechniki Wrocławskiej.
Obecnie badamy możliwość realizacji struktury falowodu typu reverse rib na platformie krzemionkowo-tytanowej z wykorzystaniem mokrorychlowego trawienia chemicznego, jak przedstawiono na rysunku. Struktura ta może zostać wytworzona poprzez trawienie podłoża szklanego przy użyciu kwasu HF, a następnie naniesienie warstwy o wysokim współczynniku załamania (krzemionkowo-tytanowej lub polimeru o wysokim współczynniku załamania) metodą dip-coating.
W efekcie w tej strukturze można uzyskać prowadzenie światła, co umożliwia niskokosztową technologię wytwarzania falowodu. Analiza numeryczna jest prowadzona w oprogramowaniu COMSOL Multiphysics w celu oszacowania trybu podstawowego. Uważamy, że ta struktura falowodu może być wysoce opłacalnym rozwiązaniem i stanowić dobrego kandydata do zastosowań w komunikacji optycznej na chipie.
W ciągu ostatnich kilku dekad opracowano szereg metod dotyczących cienkich warstw optycznych, które umożliwiły rozwój optyki zintegrowanej. Nasza grupa opublikowała dwie nowoczesne prace przeglądowe dotyczące technik osadzania cienkich warstw. Artykuły te przedstawiają różne metody implementacji cienkowarstwowych falowodów optycznych, obejmujące podejścia chemiczne, fizyczne oraz techniki modyfikacji współczynnika załamania. Na rysunku zaprezentowano układ najczęściej stosowanych metod wytwarzania szklanych falowodów optycznych.
Przedstawiono także najnowsze osiągnięcia w zakresie tych metod wytwarzania. Większość z opracowanych technik realizacji cienkich warstw cechuje się wysoką wydajnością, jednak są one kosztowne i wymagają zaawansowanej aparatury. Główne zainteresowanie naukowców koncentruje się na opracowywaniu prostych i ekonomicznych metod, które umożliwią masową produkcję cienkich warstw optycznych i w efekcie przyspieszą komercjalizację technologii falowodowej.
Nasza grupa badawcza koncentruje się na opracowywaniu platformy falowodowej krzemionkowo-tytanowej wytwarzanej metodą sol-gel dip-coating oraz implementacji pasywnych i aktywnych elementów optycznych z wykorzystaniem mokrego trawienia. Badamy również możliwość zastosowania nanoimprint lithography (NIL) do wzorowania tych warstw, aby proces wytwarzania był bardziej wydajny i ekonomiczny.
Omówione zostały najnowsze osiągnięcia związane z tą platformą. Uważamy, że technologia falowodów krzemionkowo-tytanowych opracowywana metodą sol-gel dip-coating jest wysoce atrakcyjna i ekonomiczna, dzięki czemu może zostać skomercjalizowana w zastosowaniach takich jak sensoryka i optyczne połączenia międzyukładowe.
