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Proposal of Ion Sensor Based on Compound Semiconductor Microring Resonator-Loaded Mach-Zehnder Interferometer
| Content Provider | Semantic Scholar |
|---|---|
| Author | Sakamoto, Tatsuya |
| Copyright Year | 2013 |
| Abstract | 【はじめに】半導体を用いたイオンセンサとして,これ までイオン感応型電界効果トランジスタ(ISFET)等が 提案されてきた[1].ISFET では,イオン感応膜と液体間 に生じる界面電位(SP)を計測しており,更なる高性能 化や小型化のためには SP計測の高感度化が必要である. そこで本研究では,SP 変化を高感度に計測できるセン サとして,化合物半導体マイクロリング共振器(MRR) 装荷型マッハ・ツェンダー干渉計(MZI)を利用した高 感度イオンセンサを提案し,その感度について理論検討 したので報告する.これまで,我々は環境屈折率変化を 利用した高感度シリコン MRR-MZI バイオセンサを提案 しているが[2],本研究で提案するセンサでは,化合物半 導体量子井戸の大きな電界誘起屈折率変化を用いて, SP 変化を高感度に計測できる構造となっている. 【構造と動作原理】Fig.1に提案するイオンセンサの構造 図を示す. MZIの片側アームにMRRが装荷されており, MZI に MRR に共振する波長のレーザ光を入力し,MZI を透過した出力光強度の変化を計測する. MRR の上部電極に接続したセンサ部は,Fig.2 に示す ように測定液の特定イオンのみを透過させるイオン感応 膜(ISM)と酸化物ゲート(SiO2-Si3N4)で構成され、ISM酸化物ゲート間にイオン濃度に依存した SP が生じる. SP の変化で生じた電界変化が MRR光導波路の多重量子 井戸の屈折率変化を誘起し,これを MRR-MZI でセンシ ングする.MRR-MZI は,MRRにおける位相変化増大効 果を利用することで,わずかな屈折率変化に対して大き な伝搬光強度の変化を生じる.光導波路のコア層には, 大きな電界誘起屈折率効果を有する五層非対称結合量子 井戸(FACQW)[3]を用いることを想定している. 【理論特性】提案する MRR-MZI センサの,SP 変化に対 する出力光強度変化の理論計算を行った.MRRの周回長 は 176 m(FSR=3.56nm),動作波長は 1.55 m,MRR と アーム間の結合率 K(MRR と MZI のアームの結合部に おいて,MRR からアーム部に移る光パワーの割合)は 0.2,導波損失は 2.16 dB/mmとした.MRR導波路は,コ ア層に多重 FACQW(0.3m),上部および下部クラッド 層に,それぞれ n-InP(膜厚 1m),p-InP(0.8m)+i-InP (0.2m)を用いることを想定し,FACQW の電界誘起屈 折率変化には理論特性[3]を用いた.Fig.3 に計算結果を示 す.わずかな SP 変化に対して,極めて大きな出力光強 度変化が生じることがわかる(電圧変化 1mV 当たりの FACQW コア層の屈折率変化は約 9.0×10).例えば,強 度変化の-20dB~-50dB の範囲をセンシングに用いると すると,その変化率は,-8 dB/mV となる.この大きな出 力光変化を用いることで,超高感度イオンセンサを実現 できる可能性があることがわかる.また,MZI のアーム 部に共振波長の異なる MRR を複数個設けて波長多重計 測を行えば,測定レンジの拡大も容易である. |
| File Format | PDF HTM / HTML |
| Alternate Webpage(s) | https://confit.atlas.jp/guide/event-img/jsap2013a/17p-C4-2/public/pdf?type=in |
| Language | English |
| Access Restriction | Open |
| Content Type | Text |
| Resource Type | Article |
