Characterization of a SiN waveguide for a MIR laser based sensor

Abstract

In dieser Arbeit wird ein planarer Lichtleiter mit Gitterkoppler für die Verwendung als Messprinzip für die Infrarotspektroskopie mit einer stimmbaren (1565 - 1730 cm-1) EC-QCL Lichtquelle charakterisiert.<br />Der Lichtleiter besteht aus einem MgF2 Substrat und einer Licht leitenden Schicht aus SiN. Es wird ein Überblick über die Infrarotspektroskopie im Allgemeinen und über QCL Lichtquellen, MCT Detektoren und pyroelektrische Detektoren im Speziellen gegeben. Der notwendige theoretische Hintergrund zur Verwendung von planaren Lichtleitern als Infrarot Sensoren wird erläutert. Weiters werden übliche Methoden der Kopplung von Licht in Lichtleiter beschrieben.<br />Um den SiN Lichtleiter zu charakterisieren, wurden die Kopplungswinkel bestimmt und ein Aufbau entwickelt, der es erlaubt, Licht von der vollen Bandbreite des EC-QCLs in den Lichtleiter zu koppeln. Um mit dem Lichtleitersensor Absorptionsspektroskopie an Proben in wässriger Lösung durchzuführen, wurde eine einfache Flusszelle gebaut.<br />Schließlich wurde eine schnelle Methode zur Ermittlung von komplexen Brechungsindexspektren von Proben getestet. Die so erhaltenen Spektren wurden verwendet, um die von Messungen der Proben auf dem Lichtleitersensor erhaltenen Ergebnisse zu verstehen.<br />

In this thesis, a grating coupled planar waveguide consisting of a MgF2 substrate and SiN guiding layer is characterized for the use as a sampling method for infrared spectroscopy with a broadly tunable (1565 - 1730 cm-1) EC-QCL light source. An introduction to infrared spectroscopy in general and QCL light sources, MCT and pyroelectric detectors in particular is given. The theoretical background of the use of planar waveguides as infrared sensors is explained and common coupling methods are described.<br />To characterize the SiN waveguide, the coupling angles of the grating couplers were determined and a setup was devised to couple light from the whole wavelength range of the EC-QCL into the waveguide. A simple flow cell was constructed to measure the infrared spectra with of several samples in aqueous solution using the waveguide sensor.<br />Finally a quick method to estimate refractive index spectra was tested and used to understand measurement results from the waveguide sensor.<br />