Integrated photonic studies of silicon meandering distributed feedback structures: A model system for biological ligands

Abstract

Integrated photonics structures such as ring resonators, distributed Bragg reflectors (DBRs), Mach-Zehnder interferometers (MZIs), as well as their cascaded versions have been extensively studied and successfully tested for the biosensing of samples such as viruses, protein biomarkers, deoxyribonucleic acid (DNA), and microribonucleic acid (microRNA). We propose novel silicon-on-insulator (SOI) meandering distributed feedback (MDFB), antisymmetric MDFB (AMDFB), and symmetric MDFB (SMDFB) structures for biosensing applications. A single transverse electrically (TE) polarized silicon waveguide is used to design these monolithic structures in contrast with ring resonators, where a bus waveguide is necessary to couple with the rings. The base structure is a meandering loop mirror (MLM). Three identical MLMs are serially connected to form an MDFB structure, which shows spectral mode splitting in its spectral response. The AMDFB structure has four interlaced identical MLMs. AMDFB spectra shows spectral mode splitting at a coupling constant of C = 0.09 and electromagnetic induced transparency (EIT)-like peaks from 0.27 < C < 0.51. The SMDFB structure has five interlaced identical MLMs. SMDFB spectra shows spectral mode splitting with Fano resonance, when C = 0.24; and EIT-like peaks, when 0.78 < C < 0.94. The SMDFB structure's experimental spectrum with Fano lineshape shows an extinction ratio of 26 dBm and a slope ratio of 368 dBm/nm. The intrinsic limit of detection of a resonant sensor can be expressed as λ/QS, where λ is the free space wavelength, Q is the Q-factor of the resonator, and S is the sensitivity. The spectrally split peaks of MDFB structures, and the EIT-like peaks in AMDFB and SMDFB structures show Q-factors on the order of 50000; so that at λ = 1550 nm, and S = 50 nm/RIU the theoretical intrinsic limit of our silicon photonic structures is on the order of 0.0006 [RIU], without taking into consideration the biomolecule absorption at 1550 nm. In addition to the existing integrated photonics structures, our novel monolithic SOI based photonic structures show promise for biosensing applications.

Halka çınlaçları, dağıtılmış Bragg yansıtıcıları (DBY), Mach-Zehnder girişimölçerleri (MZG) ile bunların ardışık bağlanmış sürümleri gibi tümleşik fotonik yapılar virüs, protein, biyoimleyici, deoksiribonükleik asit (DNA), ve mikroribonükleik asit (mikroRNA) gibi örneklerin biyoalgılanması yaygın olarak çalışılmış, ve başarıyla denenmiştir. Biz biyoalgılama uygulamaları için yeni bir tür yalıtkan-üzeri-silisyum (YÜS) kıvrımlı dağıtılmış geribildirim (KDG), antisimetrik KDG (AKDG), ile simetrik KDG (SKDG) yapılarını öneriyoruz. Bağdaşmak için taşıyıcı dalgakılavuzu gerektiren halka çınlaçlarının tersine, bu tektaş yapıları tasarlamak için bir enine elektrik (EE) kutuplu silisyum dalgakılavuzu kullanılmıştır. Bu tasarımların yapıtaşı kıvrımlı halka yansıtıcıdır (KHY). İzgesel kip ayrımı gösteren, KDG yapısını oluşturmak için 3 tane KHY ardışık olarak kullanılmıştır. AKDG yapısı için 4 tane içiçe geçmiş KHY kullanılmıştır. AKDG yapısı izgesinde, C = 0.09 bağlaşım katsayısı için izgesel kip ayrımı; 0.27 < C < 0.51 için elektromanyetik irkiltilmiş saydamlık (EIS)-benzeri tepeler görülmüştür. SKDG yapısı 5 tane içiçe geçmiş KHY kullanılmıştır. SKDG izgesi, C = 0.24 için kip ayrımlı Fano çınlaması; 0.78 < C < 0.94 için elektromanyetik irkiltilmiş saydamlık (EIS)-benzeri tepeler gösterir. SKDG yapısının Fano çizgibiçimli deneysel izgesi 26 dBm sönümleme oranı ve 368 dBm/nm eğim oranı gösterir. Bir çınlaç algılayıcının öz algılama sınırı λ/QS olarak gösterilebilir; burada λ boş uzay dalgaboyu, Q çınlacın nitelik katsayısı, S duyarlılıktır. KDG yapısının izgesel ayrılmış tepeleri ile, AKDG, ve SKDG yapılarının elektromanyetik irkiltilmiş saydamlık (EIS)-benzeri tepeleri Q = 50000 düzeyinde nitelik katsayısı gösterir; öyle ki 1550 nm dalgaboyundaki biyomolekül soğurması katılmadığında, λ = 1550 nm dalgaboyunda, S = 50 nm/RIU duyarlılık değerinde, silisyum fotonik yapılarımızın kuramsal öz sınırı 0.0006 [RIU] olarak bulunur. Var olan tümleşik fotonik devre yapılarına ek olarak, bizim sunduğumuz yeni tektaş yalıtkan-üzeri-silisyum (YÜS) fotonik yapılar biyoalgılama uygulamalarında ümit vermektedir.