Micro résonateurs optiques: détecteurs hautement sensibles et filtres accordables Yves-Alain Peter Génie physique Polytechnique Montréal yves-alain.peter@polymtl.ca www.polymtl.ca/pomp Plan Bases Introduction aux microrésonateurs optiques Cavités Fabry-Pérot sur puce Cavités à modes de galerie Applications Filtre accordable -> laser accordable Accéléromètre Senseur d indice de réfraction Senseur d indice de réfraction cellulaire Senseur de bactéries Détecteur de gaz Emission Raman
Plan Bases Introduction aux microrésonateurs optiques Cavités Fabry-Pérot sur puce Cavités à modes de galerie Applications Filtre accordable -> laser accordable Accéléromètre Senseur d indice de réfraction Senseur d indice de réfraction cellulaire Senseur de bactéries Détecteur de gaz Emission Raman Optical resonator configurations Planar -mirror Spherical-mirror Ring-mirror Rectangular cavity Fiber-ring Integrated-optic-ring Microdisk Microtoroid Microsphere Photonic-crystal From: Fundamentals of Photonics, Second Edition Bahaa E. A. Saleh and Malvin Carl Teich, John Wiley & Sons, 2007
Two key parameters (temporal and spatial light confinement ) Quality factor: Q Proportional to the storage time in units of optical period (resonator lifetime or photon lifetime) Modal volume: V Volume occupied by the confined optical mode Microresonators Enhancement of the quality factor Q Reduction of the modal volume V Purcell factor: F p 3 4 Q n V 2 Microdisk Microtoroid Microsphere Photonic-Crystal 3 V / Q 5 10 3 10 3 1 10 6 10 8 10 10 10 4 From: Fundamentals of Photonics, Second Edition Bahaa E. A. Saleh and Malvin Carl Teich, John Wiley & Sons, 2007
Microresonators Q ~ 1 / loss St-Gelais et al., 2009 Waks et al., 2005 Bergeron et al., 2010 Q 10 3 Q 10 4 Q 10 6 Q 10 8 Q 10 10 Plan Bases Introduction aux microrésonateurs optiques Cavités Fabry-Pérot sur puce Cavités à modes de galerie Applications Filtre accordable -> laser accordable Accéléromètre Senseur d indice de réfraction Senseur d indice de réfraction cellulaire Senseur de bactéries Détecteur de gaz Emission Raman
In-plane Fabry-Pérot Cavity Silicon Charles Fabry Alfred Pérot Single-mode optical fiber Silicon-air Bragg mirrors In-plane Fabry-Pérot cavity Bragg mirror Cavity Bragg mirror Si Air Si Air Si Si Air Si Air Si M 4 n Si Typ.: (2.4 m L 4 1.9 m N 2n cavity 24 m)
Optical response Transmisson (db) 0-10 -20-30 -40-50 n=1.330-60 1480 1500 1520 1540 1560 1580 1600 1620 Wavelength (nm) Variation of the cavity length 0-10 Transmisson (db) -20-30 -40-50 n=1.330 d 3 < d 2 n=1.335 d 2 < d 1 n=1.340 d 1 d -60 1480 1500 1520 1540 1560 1580 1600 1620 Wavelength (nm)
Variation of the refractive index 0-10 Transmisson (db) -20-30 -40-50 n=1.330 n=1.335 n=1.340 n -60 1480 1500 1520 1540 1560 1580 1600 1620 Wavelength (nm) Fabrication process Si SiO 2 Si a) 70 m device layer SOI c) Deep reactive ion etching Tunable Bragg mirror F-P cavity b) Photolithography with a 4 m thick resist d) Realese and supercritical drying
Plan Bases Introduction aux microrésonateurs optiques Cavités Fabry-Pérot sur puce Cavités à modes de galerie Applications Filtre accordable -> laser accordable Accéléromètre Senseur d indice de réfraction Senseur d indice de réfraction cellulaire Senseur de bactéries Détecteur de gaz Emission Raman Whispering Gallery Modes n: Radial number l: Polar number m: Azimuthal number 16
WGM Microcavities POMP Plan Bases Introduction aux microrésonateurs optiques Cavités Fabry-Pérot sur puce Cavités à modes de galerie Applications Filtre accordable -> laser accordable Accéléromètre Senseur d indice de réfraction Senseur d indice de réfraction cellulaire Senseur de bactéries Détecteur de gaz Emission Raman
Variation of the cavity length 0-10 Transmisson (db) -20-30 -40-50 n=1.330 d 3 < d 2 n=1.335 d 2 < d 1 n=1.340 d 1 d -60 1480 1500 1520 1540 1560 1580 1600 1620 Wavelength (nm) Schematic of the tunable filter Optical fiber F-P cavity Optical fiber
Fabricated device F-P cavity Springs Fiber groove Springs Bragg mirrors Comb drive Tunable optical filter Maximum applied voltage for full tuning: 50 V Spectral width: 6 to 10 nm FWHM Loss between -24 and -10 db J. Masson, et al., IEEE J. Quantum Electron., vol. 46, no. 9, pp. 1313-1319, 2010
Tunable Ring Fiber Laser Pump Isolator Tunable Ring Fiber Laser Power - Tuning range: 35nm - Spectral width better than 0.03 nm - SNR more than 30 db Wavelength J. Masson, et al., IEEE J. Quantum Electron., vol. 46, no. 9, pp. 1313-1319, 2010
Multiwavelength light source λ 1 λ 2 λ 3 λ Broadband λ 4 S. Bergeron, S. Saïdi, and Y.-A. Peter, Opt. Express, 18, 16, 16797, 2010 Coupled Resonator Optical Waveguide Transmission through coupled resonators - Filters - Optical delay lines Normalized Transmission (db) Number of cavities N S. Bergeron, F. Vanier, and Y.-A. Peter, "Silica microdisk coupled resonator optical waveguide," in IEEE/LEOS International Conference on Optical MEMS and Nanophotonics, Clearwater, Florida, pp. 73-74, 2009.
Plan Bases Introduction aux microrésonateurs optiques Cavités Fabry-Pérot sur puce Cavités à modes de galerie Applications Filtre accordable -> laser accordable Accéléromètre Senseur d indice de réfraction Senseur d indice de réfraction cellulaire Senseur de bactéries Détecteur de gaz Emission Raman FP accelerometer
FP accelerometer: characterization 3.3 g resolution 90 nm/g sensitivity K. Zandi, et al., IEEE J. Microelectromech. Syst., vol. 21, no. 6, pp. 1464-1470, 2012 Plan Bases Introduction aux microrésonateurs optiques Cavités Fabry-Pérot sur puce Cavités à modes de galerie Applications Filtre accordable -> laser accordable Accéléromètre Senseur d indice de réfraction Senseur d indice de réfraction cellulaire Senseur de bactéries Détecteur de gaz Emission Raman
Variation of the refractive index 0-10 Transmisson (db) -20-30 -40-50 n=1.330 n=1.335 n=1.340 n -60 1480 1500 1520 1540 1560 1580 1600 1620 Wavelength (nm) Integrated Microfluidic Fabry-Perot Refractometer in Silicon Sensitivity: 907 nm/riu Resolution: n=1x10-5 R. St-Gelais, et al., Applied Physics Letters, vol. 94, no. 24, 243905, 2009
Plan Bases Introduction aux microrésonateurs optiques Cavités Fabry-Pérot sur puce Cavités à modes de galerie Applications Filtre accordable -> laser accordable Accéléromètre Senseur d indice de réfraction Senseur d indice de réfraction cellulaire Senseur de bactéries Détecteur de gaz Emission Raman Cellular refractive index sensor Cells Optical fiber Bragg mirror Fabry-Pérot cavity Waveguide Microfluidic channel
Microfluidics Cells High focalisation Focalising Fluids Low focalisation Measurement Principle Intensity Intensité (mv) (db) -45-50 -55-60 Resonance shift Eau Water sans without bille de glass verrebead Eau Water avec with bille glass de verre bead At a FIXED wavelength Intensity at a fixed wavelength Intensity Intensité (mv) 12 x 10 10 8 6 4 2 0 Slope (mv/s) Rising time (s) FWHM (s) 1580 1590 1600 1610 Longueur Wavelength d'onde (nm) (nm) -2-4 -2 0 2 4 Temps Time (s) (s) x 10-5
Cancer Cells Results FACS CALIBUR Flow Cytometer In-plane FP A. Leblanc-Hotte, et al., Solid-State Sensors, Actuators and Microsystems Workshop, Hilton Head, 2014 Plan Bases Introduction aux microrésonateurs optiques Cavités Fabry-Pérot sur puce Cavités à modes de galerie Applications Filtre accordable -> laser accordable Accéléromètre Senseur d indice de réfraction Senseur d indice de réfraction cellulaire Senseur de bactéries Détecteur de gaz Emission Raman
WGM bacteria sensor 5.10 9 Bacteria/ml λ = 0.3 nm Plan Bases Introduction aux microrésonateurs optiques Cavités Fabry-Pérot sur puce Cavités à modes de galerie Applications Filtre accordable -> laser accordable Accéléromètre Senseur d indice de réfraction Senseur d indice de réfraction cellulaire Senseur de bactéries Détecteur de gaz Emission Raman
Gas sensing SPME polymer Solid phase microextraction (SPME) polymer Gas absorption and concentration Refractive index (RI) variations Optical fiber In-plane Fabry-Perot refractive index sensor Bragg mirrors Chemical sensing PDMS Wavelength shift (nm) Xylene 0.015 nm/ppm Measured RI only 0.001 nm/ppm Gas concentration (ppm) Resonance wavelength (nm) On Off On Off On Time (min) Off
Chemical sensing Resonance wavelength shift (nm) 30 25 20 15 10 5 0 0 1000 2000 3000 Gas concentration (ppm) Xylene in PDMS Xylene in 9PDMS:1PDPS Cyclohexane in PDMS Cyclohexane in 9PDMS:1PDPS R. St-Gelais et al., Sensors & Actuators B: Chemical, vol. 182, pp. 45-52, 2013 Towards an Optical Nose Gas #1 Response Gas #2 Gas #3 1 2 3 4 5 Sensor Gas #4 Sensitivity: 0.01 nm / ppm Detection limit Demonstrated: 34 ppm Noise level < 0.1 nm Potential < 10 ppm
Plan Bases Introduction aux microrésonateurs optiques Cavités Fabry-Pérot sur puce Cavités à modes de galerie Applications Filtre accordable -> laser accordable Accéléromètre Senseur d indice de réfraction Senseur d indice de réfraction cellulaire Senseur de bactéries Détecteur de gaz Emission Raman Raman lasing in chalcogenide WGM microsphere Vanier et al. Optics Letters, 38, 23, p. 4966, 2013
Cascade Raman lasing in chalcogenide WGM microsphere Vanier et al. Optics Express, 22, 23, p. 28731, 2014 Tunable filter/laser Jonathan Masson Alexandre Poulin Raphaël St-Gelais Refractive index sensor Raphaël St-Gelais Antoine Leblanc-Hotte Joseph-André Bélanger Jonathan Masson Sylvie Lesage Jean-Sébastien Delisle Accelerometer Kazem Zandi Joseph-André Bélanger Contributors Gas sensor Raphaël St-Gelais Philippe Jubinville Antoine Leblanc-Hotte Leandro Acquaroli Hans-Peter Loock Stephen Brown WGM Francis Vanier Hala Ghali Sacha Bergeron Martin Rochette Jay Nadeau Louis Dubé P. Bianucci