Torsten Michael Geppert

Towards Photonic Crystal-Based Spectroscopic Gas Sensors

Dissertation zur Erlangung des akademischen Grades doctor rerum naturalium (Dr. rer. nat.) vorgelegt an der Mathematisch-Naturwissenschaftlich-Technischen Fakultät der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg
verteidigt am 10.04.2006

Abstract
Ziel dieser Arbeit ist die Untersuchung der Realisierbarkeit von kompakten spektroskopischen Gassensoren auf Basis photonischer Kristalle. Das zu Grunde liegende Funktionsprinzip basiert auf der Ausnutzung langsamer Gruppengeschwindigkeiten im photonischen Kristall, woraus eine verstärkte Wechselwirkung zwischen Strahlung und Gas in den Poren des photonischen Kristalls resultiert. Mit Hilfe numerischer Methoden wurde ein entsprechendes Wechselwirkungsvolumen aus 2-dimensionalen photonischen Kristallen basierend auf makroporösem Silizium entworfen. Um trotz der Verwendung von photonischen Kristall(Bloch)moden mit extrem niedrigen Gruppenge-schwindigkeiten hohe Transmission durch das Wechselwirkungsvolumen zu erzielen, wurden zwei Konzepte zur effektiven Ein- und Auskopplung von elektromagnetischer Strahlung untersucht. Mit dem in dieser Arbeit entwickelten Anti-Reflection-Layer (ARL) Konzept, welches auf Kopplung mittels Oberflächenmoden basiert, ist es möglich Transmission von mehr als 90% bei einer Verstärkung der Wechselwirkung zwischen Gas und Licht von mehr als einem Faktor 30 zu erzielen. Entsprechende photonische Kristallstrukturen aus makroporösem Silizium wurden hergestellt. Der zur Herstellung verwendete photo-elektrochemische Ätzprozess wurde weiterentwickelt um Makroporen mit Tiefen von mehr als 450 Ám herzustellen. Zur experimentellen Realisierung des ARL Konzeptes gelang es erstmals, tiefe Gräben neben geordneten Makroporenfeldern zu ätzen. Diese Methode liefert neben der ARL-Realisierung zusätzlich noch glatte Koppelkanten für die einfallende Strahlung und erlaubt des weiteren manuelle Vereinzelung von photonischen Kristall Sensorstrukturen mit sub-Ám Präzision. Erste optische Messungen zur Charakterisierung der photonischen Kristallstrukturen mit ARL sowie Transmissionmessungen durch photonische Kristallstrukturen mit mehr als 200 Porenreihen in Transmissionrichtung wurden demonstriert.

Goal of this work is the investigation of the feasibility of compact photonic crystal-based spectroscopic gas sensors. The underlying working principle is based on the utilization of low group velocities in the photonic crystal from which an enhanced interaction of radiation and gas within the photonic crystal results. Using numerical methods, an appropriate interaction volume made of 2-dimensional macroporous silicon photonic crystals was developed. To ensure high transmission through the photonic crystal despite the utilization of low group velocity modes, two concepts to achieve efficient coupling of light were investigated. The concept entitled Anti-Reflection-layer (ARL), which was developed in this work and utilizes coupling via surface modes, allows transmission through the photonic crystal interaction volume of more than 90% while a more than 30-fold interaction enhancement is achieved. Experimental realization of macroporous silicon photonic crystal structures with various coupling schemes was demonstrated. The photo-electrochemical etching process was improved to achieve macroporous structures of more than 450 Ám depth. Experimental realization of the ARL concept was achieved by etching trenches next to ordered macropore arrays for the first time. In addition, this method yields almost flat coupling interfaces for incoming and outgoing radiation and allows manual device dicing with sub-Ám precision ! First optical characterization of photonic crystal structures with and without ARL as well as transmission measurements through photonic crystal structures of more than 200 pore rows along the transmission direction were performed.

Keywords:
Gas Sensor, Photonische Kristalle, langsame Gruppengeschwindigkeit, Wechselwirkungsverstärkung, Makroporöses Silizium, photo-elektrochemisches Ätzen, ARL Konzept (Anti-Reflection-Layer), Oberflächenmoden, Adiabatischer photonischer Kristall Taper, Gräben neben Makroporenfeldern

Gas sensor, Photonic Crystal (PhC), Low group velocity, Interacion enhancement, Macroporous Silicon, Photo-electrochemical etching, ARL concept (Anti-Reflection-Layer), Surface modes, Adiabatic Photonic Crystal Taper, Trenches next to macropore arrays

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Inhaltsverzeichnis
Title page, Contents, List of Figures, List of Tables, Zusammenfassung, Abstract (1, i-vii, 2)
1 Introduction and motivation (1-7)
2 Goals of this work (8-9)
3 State-of-the-art gas sensors (10-16)
4 Methods used in this thesis (17-30)
5 Design of photonic crystal gas sensors (31-53)
6. Fabrication of PhC gas sensor structures (54-65)
7 Characterization of photonic crystal gas sensor structures (66-79)
8 PhC gas sensor: device integration (80-84)
9 Summary (85-86)
10 Conclusion and outlook (87-88)
Appendix (I-XIV)
Bibliography (XV-XX)