A model for an optical ring microresonator towards nanoparticle detection

Abstract

High-Q optical resonators are very prominent bio-sensing technologies that confines light inside a microsize system. Due to their small size and dielectric fabrication materials, these systems can be integrated cost-effectively on integrated chips along with other optical and electrical components. Measurement of the resonance shift proceeded by the transmission spectrum enables observation of binding events in real time, and can also be used to characterize particle size and type. Combination of small size and high Q factor empowers these devices with excellent detection capability. In this thesis, an optical microring resonator has been developed through a multiphysics model using finite element method to solve the relevant equations. All the platform was built in COMSOL Multyphisics software tool. The general framework of this sensor is based on a laser light source, a straight-shape waveguide, a ring-based waveguide, and a photodector at the end of the straight waveguide. A communication laser was used to generate the light at a wavelength of 1.55 μm.In this thesis, it is important to achieve single particle detection inside an aqueous en- vironment since most of the clinical samples are water based. The exact position of the resonance wavelength is located and the transmission spectrum is recorded. A linear correlation between the red shift in the resonance wavelength and increase in the radius of the microring is observed. When the ring radius was increased, there was a resonance shift in the wavelength towards higher values. It was also found that a resonance shift for a value as small as 10 nm could be detected. The interaction between the resonator and nanoparticles is implemented in a unique way. This implementation is performed by modeling nanoparticles by a layer around the ring and then changing its thickness with the corresponding refraction index of analyzed nanoparticle. This will affect the reso- nance when it is compared to the resonator response without the layer. The resonance shift should be in a linear trend in order to be able to use as biodetection sensor. The interaction between a single particle and the sensor itself determine the sensing capability within a rapid time. The detection of a mimicked titanium dioxide nanoparticle as well as protein biomolecule with an effective size starting from around 10 nm in diameter has been reported.

Optik rezonatorler temel yapıtaşları olarak fotonlu araçları ve lazerler, yukselticiler, optik suzgeçler, çok duzeyli optik birleştiriciler, mantık geçitleri, anahtarlar ve sensorleri içeren uygulamalar alanında onemli bir potansiyele sahiptir. Bir mikrorezonator ışığı toplam iç yansıma ile sınırlandıran mikron boyutta dairesel geometri (mikrodisk, mikrokure, mikro- tor ve mikrohalka) ile tanımlanır. Klasik tabloda, dairenin çevresinin etrafındaki dairesel ışığın uzunluğunun yolu dalga boyunun tam katına denk geldiğinde optik rezonanslar re- zonatore birleştirilir. Halka rezonatorde, bu rezonator iletim spektrumlarındaki keskin bir duşuş olarak tanımlanır, genel olarak tonu ayarlanabilir lazer ışınlarını rezonatorun yakınlarına yerleştirilmiş konikleştirilmiş optik fiber ile rezonatore ulaştırarak elde edilir. Rezonans duşuşleri, iletim spektrumu lazer dalga boyları uzerinde gezinirken olçulerek gozlemlenebilir. Lazerin dalga boyları halkanın rezonans dalga boyları ile eşleştiğinde, ışık optik fiberden mikrohalkaya birleşir, sonuç olarak doğru dalga kılavuzunun çıktısı olarak iletim spektrumunun yoğunluğunda duşuş olarak gozlemlenir.Bu çalışmada, mikrohalka temelli bir rezonator kullanıldı ve aşırı hassas biyomolekul ve nano parçacık tespiti için bu rezonatorun multifizik olçulebilir element modeli geliştirildi. Bu model COMSOL Multiphysics v5.2 kullanılarak tasarlandı. 1.55 μm dalga boyundaki dalga kılavuzunun giriş duğumunde giriş lazer ışığı kullandık ve yayılan ışık çıkış duğu- munde gozlemlendi. Bu sureç boyunca, iletim spektrumunu kaydettik ve mikrohalkanın rezonans dalga boyunun tam konumunu belirledik. Halkanın yarıçapını arttırdığımızda, rezonans dalga boyları daha yuksek dalga boylarına (kızıla kayma) doğru kaydı. Mikro- halkanın yarıçapı ile rezonans dalga boylarındaki kızıla kayma arasında doğrusal bir ilişki olduğunu gorduk. Buna ek olarak, mikrohalkanın yarıçapındaki değişiklikler 10 nm kadar bile kuçuk olsa da bu değişimi gorebildiğimizi fark ettik.