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Silicon Photonic Micro-Ring Resonators for Chemical and Biological Sensing: A Tutorial

光子学 谐振器 绝缘体上的硅 纳米技术 制作 波导管 灵敏度(控制系统) 材料科学 硅光子学 光电子学 CMOS芯片 生物传感器 表面改性 检出限 电子工程 化学 工程类 机械工程 医学 替代医学 病理 色谱法
作者
Patrick Steglich,Dominik G. Rabus,C. Sada,Martin Paul,Michael G. Weller,Christian Mai,Andreas Mai
出处
期刊:IEEE Sensors Journal [IEEE Sensors Council]
卷期号:22 (11): 10089-10105 被引量:18
标识
DOI:10.1109/jsen.2021.3119547
摘要

Silicon photonic micro-ring resonators (MRR) developed on the silicon-on-insulator (SOI) platform, owing to their high sensitivity and small footprint, show great potential for many chemical and biological sensing applications such as label-free detection in environmental monitoring, biomedical engineering, and food analysis. In this tutorial, we provide the theoretical background and give design guidelines for SOI-based MRR as well as examples of surface functionalization procedures for label-free detection of molecules. After introducing the advantages and perspectives of MRR, fundamentals of MRR are described in detail, followed by an introduction to the fabrication methods, which are based on a complementary metal-oxide semiconductor (CMOS) technology. Optimization of MRR for chemical and biological sensing is provided, with special emphasis on the optimization of waveguide geometry. At this point, the difference between chemical bulk sensing and label-free surface sensing is explained, and definitions like waveguide sensitivity, ring sensitivity, overall sensitivity as well as the limit of detection (LoD) of MRR are introduced. Further, we show and explain chemical bulk sensing of sodium chloride (NaCl) in water and provide a recipe for label-free surface sensing.
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