Elastic light scattering and optoelectronic response of spherical silicon microresonators

Abstract

Bu çalışmada silikon mikro-yuvarlarda optik lif bağlayıcıları (OFHC) yöntemi ile uyarılan fısıldayan geçit kipi (WGM) optik çınlamaları ve bu çınlamaların optik lif iletişim ve biyoalgılama alanlarında uygulamaları incelenmiştir. Bu çalışmanın kuramsal altyapısı WGM'lerin düzlem dalga ile uyarımı için Lorenz-Mie kuramı (LMT) ve Gauss ışını uyarımı için kapsamlı Lorenz-Mie kuramı (GLMT) yöntemleri ile oluşturulmuştur. Deneysel ölçüm düzeneği ve silisyum yuvarların optoelektronik incelenmesi birlikte ele alınmış ve gerekli yapılar için sayısal benzeşimler yapılmıştır. Bu çalışmanın deneysel sonuçları, düzlem dalga ve Gauss ışını için sayısal benzeşim sonuçları ile karşılaştırılmıştır. Elastik ışık saçılımı ve silisyum mikro-yuvarlarda gözlemlenen WGM'ler, 0o iletim ve 90o saçılma açılarına göre incelenmiştir. WGM'lerin izge yapısı, kip uzaklığı ve nitelik katsayısı açısından incelenmiş ve kuramsal beklentiler ile uyumluluğu gözlemlenmiştir. Elastik ışık saçılımlarının izge incelenmesi, optik çınlamaların incelenmesi ile ele alınmış ve gözlemlenen WGM kümeleri, açıya göre saçılma dahil WGM dağılımı, silisyum mikro-yuvarların eliptikliği nedeniyle oluşan azimut kipi ayrışması veya parçacık dokunması nedeniyle oluşan kip ayrışması bakımlarından açıklanmıştır. Bunun yanında, WGM izgesi ölçümlerinde gözlemlenen asimetrik optik çınlama yapısı da incelenmiş ve bu yapıların 90o elastik ışık saçılımında gözlemlenebilen Fano biçimi optik çınlamalar olduğu gözlenmiştir. Fano biçimi optik çınlamalar, OFHC üzerinde yer alan yüzey düzensizlikleri ve geometrik ışık çınlamaları ile mikro-yuvarlarda uyarılan WGM optik çınlamaları arasındaki evre farkı ile açıklanmıştır. Elde edilen Fano biçimi optik çınlamalar, optik süzme ve anahtarlama uygulamalarında kullanılabilirliği öngörülmüştür. Ek olarak, silisyum mikro yuvarlarda uyarılan WGM'lerin, DNA moleküllerinin algılanmasında kullanılabilmesi için bir biyoalgılama yöntemi de sunulmuştur. Bu yöntem, DNA parçacıklarının silisyum yuvarlara dokunması sonucunda yarattıkları optik çınlama kaymalarına dayanmaktadır. Bu yöntemle sadece optik yöntemlerle çok küçük moleküllerin algılanması olasıdır. Özetle bu çalışmada, silisyum mikro-yuvarlarda uyarılan WGM optik çınlamalar kuramsal ve deneysel olarak ele alınmıştır. Gözlemlenen ışık çınlamaları ve kipleri, Lorenz-Mie kuramına göre bilgisayar ortamında işlenmiş ve deneysel sonuçların, işlemlerle uygunluğu gözlemlenmiştir. Silikon mikro-yuvarlarda uyarılan optik WGM çınlamalarının, lif optik iletişim ve biyoalgılama alanlarında uygulanabilirliği de bu çalışma ile ele alınmıştır. DNA gibi çok küçük parçacıkların algılanması ile optik iletişimde anahtarlama konularındaki uygulamalar bu tez ile sunulmuştur. Silisyum mikro-yuvarlar ve bu yuvarlarda gözlemlenen optik WGM çınlamaları birçok alanda uygulama değeri taşımaktadır.

We review the microsphere optical resonators with their whispering gallery modes (WGM) and the coupling of light to the microspheres by optical fiber half couplers (OFHC). A theoretical background for the optical resonances in spherical particles is given for plane wave excitation using the Lorenz-Mie Theory, and Gaussian beam excitation using the Generalized Lorenz-Mie Theory (GLMT). Numerical simulations for plane wave excitation using LMT and Gaussian beam excitation using GLMT are obtained to explain the experimental light scattering results. A brief description of the experimental light scattering setup is given together with the properties of the silicon microsphere. The elastic light scattering and the observation of the WGMs on the silicon microspheres are presented for 0o transmission and 90o elastic scattering. The mode structure is analyzed with the mode spacing and quality factor measurements, which corresponds well with the theoretical expectations. The analysis of the WGM spectrum continues with the characterization of the WGM clusters. These clusters can either be explained by the angular distribution of the WGMs, azimuthal mode splitting due to ellipticity or the mode splitting induced by a particle. The observed asymmetrical lineshapes in the spectra are also explained. The presented measurements show a Fano type lineshape for the 90o elastic light scattering. This line shape is explained by the phase relation of the WGMs with the background created by the surface imperfections and the glare spots. The Fano lineshape observed in the measurements can be used for fast switching and filtering applications. A biosensing scheme for DNA particles is also presented, where a particle adsorbed on the microsphere creates an observable shift in the WGM spectrum. All in all, the optical resonances, namely WGMs are characterized towards possible applications in sizing, sensing and filtering applications. The silicon microsphere is a promising candidate for various novel photonic applications.