ntegrated optical chemical and direct biochemical sensors

8/19/2019 Ntegrated Optical Chemical and Direct Biochemical Sensors

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E L S E V I E R Sensors and Actuators B 29 (1995) 37 50

T O S

B

CHEMIC L

n t e g r a t e d

o p t i c a l c h e m i c a l a n d d i r e c t b i o c h e m i c a l

W L u k o s z

Optics Labora to~3'. Swiss Federal Institute o[' Technoh)gy. 8 093 Zurich. Switzerland

s e n s o r s

A bstract

An overview is given on work by the author's group on integrated optical (IO) sensors. The sensors make use of guided waves

or modes in optical waveguides, in particula r of the orthog onally polarized TE0 and TM 0 modes in very thin planar waveguides

of high refractive index. The principle of

al l

direct (No)chemical waveguide or IO sensors is as follows. A chemically selective

coating on the waveguide surface binds the analyte molecules contained in the gaseous or liquid sample. Thus, the refractive index

of the medi um near the waveguide surface (more precisely, within the penetra tion depth Az of the evanescen t field of the guided

wave) is changed. This effect in turn induces changes A NsE , , and ANTM,, of the effective refractive indices NTE , , and Nl.,a, of the

guided modes. For example, in biochemical affinity sensors the chemically selective coating contains receptor molecules that

specifically or selectively bi nd certain li gands as analyte molecules; in particular, in immunos enso rs or immunoa ssays the receptors

are antib odies (or antigens, respectively) and the analyte molecules are the corresponding antigens (or antibodies). These 'direct'

affinity or immun osen sors eliminate the use of (e.g., fluorescently) labelled reagents. Effective refractive-index changes AN can also

be induced by two other effects; namely by unspecific adsorption of molecules on the (uncoated) waveguide surface (or in pores

of a waveguiding film F itself if it is microporous) and by refractive-index changes Ant of the liquid sample. In the latter case the

IO sensors work as refractometers. The effective refractive indices N give the phase velocity vph = c/N of the guided modes, where

c is the velocity of light in vacuum. This means that the effective refractive-index changes AN can be measured by various optical

means. Consequently, a number of different types of 10 sensors can be used, in particular, grating couplers and interferometers.

In the paper, I report on our own work on IO sensors including: the discovery of the basic sensor effect with grating couplers as

sensors for rela tive-humidity changes, the theory of the sensor sensitivities, and exper imental results obtained with three different

types of IO sensors developed in our laboratory, namely input grating couplers, output grating couplers and the difference or

polarimetric interferometer. The experiments have been performed with dip-coated SiO2 TiO 2 waveguiding films of refractive

index nt ~ 1.75 1 .88, on glass, silica an d silicon wafers with oxidized buffer layers as substrates. The sensors work ing as

refractometers are tested, for example, with glucose solutions of different concentrations. The adsor ption of proteins (h-IgG, BSA,

prote in A, avidin) is moni tore d in real time. Not only the surface conc entr ation F, with a resolut ion of a few pg mm 2 but also

the thickness d F. and the refractive index n v. of the adso rbing (mono)la yers are determined as func tions of time. Also

immunore actions (e.g., between h-I gG an d anti-h-IgG, and between IgGs and protein A) and affinity, reactions (between avidin

and b iotinylate d proteins, such as biotin BSA) are observed in real time. The feasibility of IO immunose nsor s or affinity sensors

or immu noassays with sub- nano mola r detection limits is demonstrated.

K e y w o r ' : Biochemical sensors; Chemical sensors; Integrated optical sensors

1 I n t r o d u c t i o n

In 1983, a new integrated optical (IO) sensor effect

was discovered in the autho r 's gr oup when the response

of high refractive index SiO 2-T iO 2 planar waveguides

only 100 150 nm thick to relat ive-humidity changes

was observed in input grating coupler experiments [1,2].

This paper gives an overview of our subsequent work.

'~ Plenary paper.

0925-4005/95/ 09.50 >) 1995 Els evi erScience S.A. All rights reserved

S S D I 0925-4005(95)01661 -E

The basic IO sensor effect is explained in terms of the

effective refractive-index changes AN of the guided

modes in Section 2. The theory of the optical sensor

sensitivities is discussed in Section 3, where it also

becomes apparent why very thin waveguides of high

refractive index are required for IO sensors; waveguides

for optical communi cat i on purposes, which have mode

diameters of a few micrometres, comparable with the

core diameters of monomode fibres, are not suitable. In

Section 4, the principles of IO chemical and direct

biochemical sensors are delineated. (Bio)chemistry has


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38 W. Lukos: Sensors and Actuat ors B 29 (1995) 37 50

t o g u a r a n t e e t h e s e l e c t i v i ty o r s p e c i f ic i t y f o r t h e a n a l y t e ,

w h i l e i n t e g r a t e d o p t i c s c a n ' o n l y ' p r o v i d e t h e h i g h

s e n s i t iv i t y . T h e e f f e c t iv e r e f r a c t i v e - i n d e x c h a n g e s A N

a r e t r a n s l a t e d i n t o r e a d i l y m e a s u r a b l e p h y s i c a l q u a n t i -

t i es i n d if f e r e n t t y p e s o f I O s e n s o r s d e s c r i b e d i n S e c t i o n

5 . I n S e c t i o n 6 , a f e w t y p i c a l r e s u l t s o b t a i n e d w i t h i n p u t

a n d o u t p u t g r a t i n g c o u p l e r s a n d w i t h t h e d i f f e r e n c e

i n t e r f e r o m e t e r , i n r e l a t i v e - h u m i d i t y s e n s i n g , r e f r a c t o m e -

t r y , r e a l - ti m e p r o t e i n - a d s o r p t i o n s t u di e s a n d i n m o d e l

e x p e r i m e n t s o f a f f in i ty s e n si n g a n d i m m u n o s e n s i n g a r e

s h o w n . T o k e e p t h is p a p e r r e a s o n a b l y s h o r L o n l y r e -

s u i t s o b t a i n e d i n o u r o w n g r o u p a r e d i s c u s s e d . A l s o t h e

v e r y in t e r e s ti n g s u b j e c t o f a c o m p a r i s o n b e t w e e n I O

a n d o t h e r o p t i c a l d i r e c t ( b i o ) c h e m i c a l s e n s o r s , s u c h a s

s u r f a c e p l a s m o n r e s o n a n c e s e n s o r s o r t h i n -f i lm i n t e rf e r -

en ce sen so r s , i s n o t i n c l u d ed .

2 P h y s i c s o f t h e 1 0 s e n s o r e ff e c t

T h e g u i d e d w a v e s o r m o d e s i n p l a n a r o p t i c a l w a v e -

g u i d e s a r e T E , , ( t r a n s v e r s e e l e c t r i c o r s - p o l a r i z e d )

m o d e s a n d T M , , , ( t r a n s v e r s e m a g n e t i c o r p - p o l a r i z e d )

m o d e s , w h e r e m = 0 , 1 . . . i s t h e m o d e n u m b e r . I n

s e n s o r a p p l i c a t i o n s , t h e e f f e c t iv e r e f r a c t i v e i n d e x N i s

t h e

m o s t i m p o r t a n t p h y s i c a l q u a n t i t y o f th e g u i d e d

m o d e s . T h e ( m o n o c h r o m a t i c ) m o d e s p r o p a g a t e d o w n

t h e w a v e g u i d e w i t h t h e p h a s e v e l o c i t y v p, =

c / N ,

w h e r e

c is t h e v e l o c i t y o f l ig h t i n v a c u u m a n d N i s th e e f f e c t i ve

r e f r a c ti v e i nd e x o f t h e m o d e ; N d e p e n d s o n p o l a r i z a t i o n

( T E o r T M ) , m o d e n u m b e r m , ( v a c u u m ) w a v e l e n g t h ~ ,

t h e p r o p e r t i e s o f t h e w a v e g u i d i n g f i lm F , i .e . , it s t h i c k -

n ess

d ~ / 2

i n u n i ts o f 2 a n d i ts r e f r a c t i v e i n d e x n ~ , a n d

o n t h e r e f r a c t i v e i n d i c e s n s a n d n o , r e s p e c t i v e l y , o f t h e

s u b s t r a t e S a n d o f t he m e d i u m C c o v e r i n g t h e w a v e g -

u i d e ( s e e F i g . 1 ). T h e f i el d o f a g u i d e d w a v e p e n e t r a t e s

a s a n e v a n e s c e n t w a v e a s m a l l d i s t a n c e A - c i n t o t h e

d F , t F ~

d e F

s /

F i g 1 . B a s i c 1 0 s e n s o r e f f e c t. C h a n g e s A N o f t h e e f f e c t i v e r e f r a c t i v e

i n d e x N o f a ' g u i d e d m o d e a r e i n d u c e d b y c h a n g e s o f t h e r e f r a c t i v e - i n -

d e x d i s t r i b u t i o n n ( z ) i n t h e v i c i n i t y o f t h e w a v e g u i d e s u r f a c e , i . e . ,

w i t h i n t h e p e n e t r a t i o n d e p t h A z c o f t h e e v a n e s c e n t f i e ld i n t h e s a m p l e

C . S e n s o r e f f e c t ( 1 ) : m o l e c u l e s t r a n s p o r t e d b y c o n v e c t i o n o r d i f f u s i o n

a d s o r b o n t h e s u r f a c e f o r m i n g a n a d l a y e r F ' o f t h i c k n e s s d v a n d

r e f r a c t i v e i n d e x n~ .. S e n s o r e f fe c t ( 2) : h o m o g e n e o u s c h a n g e A nc o f

r e f r a c t i v e i n d e x o f ( l i q u id ) s a m p l e C .

m e d i u m C , w h i c h i n se n s o r a p p l i c a t i o n s i s t h e s a m p l e

c o v e r i n g t h e w a v e g u i d e . M o r e p r e c is e l y, t h e e v a n e s c e n t

f ie ld d e c a y s e x p o n e n ti a l l y p r o p o r t i o n a l t o e x p ( - = / A z c )

w i t h d i s t a n c e : f r o m t h e w a v e g u i d e s u r f a c e , w h e r e

A_c, _ (2/,2rr)[N 2 _ nc 2] l 2 (1)

is

t h e p e n e t r a t i o n d e p t h .

T h e b a s i c I O s e n s o r e f f e ct i s c a u s e d b y i n t e r a c t i o n o f

t h e e v a n e s c e n t w a v e o f t h e g u i de d m o d e w i t h t h e

s a m p l e . T h e e v a n e s c e n t f i e l d ' s e n s e s ' c h a n g e s i n t h e

r e f r a c t i v e - i n d e x d i s t r i b u t i o n n e a r t h e w a v e g u i d e s u r -

f a c e . T h u s c h a n g e s A N i n t h e e f fe c t i v e r e f r a c t i v e i n d i c e s

o f th e g u i d e d m o d e s a r e i n d u c e d . T h i s i s t h e b a s i c o r

p r i m a r y I O s e n s o r e f fe c t o n w h i c h

ell[

I O s e n s o r s a r e

b a s e d .

T h e e f f e c t i v e r e f r a c t i v e - i n d e x c h a n g e s A N c a n b e

i n d u c e d b y t w o d i f f e r e n t e f f e c t s a s f o l l o w s :

( 1) t h e f o r m a t i o n o f a n a d l a y e r F ' o f a d s o r b e d o r

b o u n d m o l e c u l e s , w h i c h a r e t r a n s p o r t e d b y c o n v e c t io n

o r d i f f u s i o n f r o m t h e b u l k o f t h e g a s e o u s o r l i q u id

s a m p l e C t o t h e w a v e g u i d e s u r f a c e . T h i s a d l a y e r i s

m o d e l l e d a s a h o m o g e n e o u s l a y e r F ' o f t h i c k n es s d~.

an d r e f r ac t i v e i n d ex n v , .

( 2) c h a n g e s A n t o f th e r e f r a c t i v e i n d e x n c o f t h e

h o m o g e n e o u s ( l i q ui d ) s a m p l e C c o v e r i n g t he w a v e g u i d e

s u r f a c e .

O n l y i n t h e c a s e o f m i c r o p o r o u s w a v e g u i d e s , a t h i r d

s e n s o r e f f e c t ( 3 ) c a n o c c u r , n a m e l y t h e a d s o r p t i o n o r

d e s o r p t i o n o f m o l e c u l e s in p o r e s o f t h e w a v e g u i d i n g

f i lm F i t se l f, w h i c h p r i m a r i l y c h a n g e s i ts r e f r a c t i v e

i n d ex n v b y A n F an d i n t u rn l ead s t o an e f f ec t i v e

r e f r a c t i v e - i n d e x c h a n g e A N . T h e f i e ld d i s t r i b u t i o n i n s i d e

t h e w a v e g u i d e F i t s e l f , a n d n o t t h e e v a n e s c e n t f i e l d i n

C , i s r e sp o n s i b l e fo r e f f ec t ( 3 ) .

I f a l l t h e e f f e c ts ( 1 ) - ( 3 ) a r e s i m u l t a n e o u s l y p r e s e n t ,

t h e r e s u l t i n g e f f e c t iv e r e f r a c t i v e - i n d e x c h a n g e s a r e

A N = ~ d V . + k ( n c / ~ A n t + ~ A ny ( 2)

H o w t h e d e r i v a t i v e s o r s e n s it i vi t y c o n s t a n t s (~?N/2dv . ) ,

( N / ( ? n c ) a n d (~N/(?n~=) d e p e n d o n t h e o p t i c a l p a r a m e -

t e rs o f t h e w a v e g u i d e F , s u b s t r a t e S a n d s a m p l e C i s

d i scu sse d i n S ec t i o n 3 . E f f ec t (1 ) m a k e s i t p o ss i b l e t o

m o n i t o r i n re a l t im e t h e a d s o r p t i o n o f m o l e c u l e s o n t he

w a v e g u i d e s u r f a c e o r t h e i r d e s o r p t i o n f r o m t h e s u r f a c e ,

r e s p e c t i v e l y . E f f e c t ( 2 ) i s t h e b a s i s f o r t h e a p p l i c a t i o n o f

I O s e n s o r s a s d i ff e r e n t i a l r e f r a c t o m e t e r s . E f f e c t s ( 1 ) a n d

( 2 ) a r e a l s o t h e b a s i s o f ( N o ) c h e m i c a l s e n s o r s ( s e e

S e c t i o n 4 ) . E f f e c t ( 3 ) c a n b e e x p l o i t e d i n r e l a t i v e - h u m i d -

i t y s e n s i n g a n d i n g a s s e n s i n g . I n o t h e r c a s e s , s u c h a s i n

r e f r a c t o m e t r y a n d i n a f f i n i t y s e n s i n g , e f f e c t ( 3 ) c a n b e

r a t h e r d i s t u r b i n g a n d c o m p a c t w a v e g u i d e s w i t h v e r y

l o w m i c r o p o r o s i t y a r e p r e f e r a b l e .

A s ex p re s sed i n E q . (2 ) , t h e e f f ec t s (1 ) ( 3 ) co n t r i b u t e

a d d i t i v e l y t o t h e e f f e c t iv e r e f r a c t i v e - i n d e x c h a n g e s A N .

I n o r d e r t o d i f f e r e n t i a t e b e t w e e n t h e t w o o r t h r e e


3/14

W . L u k o s z , S e n s o r s a n d A c t u a t o r, s B 2 9 ( 1 9 9 5 ) 3 7 5 0

39

d i f f e r e n t ef f e ct s , i t is t h e r e f o r e n e c e s s a r y t o m e a s u r e t h e

e f f e ct i v e r e f r a c t i v e - i n d e x c h a n g e s o f t h e c o r r e s p o n d i n g

n u m b e r o f g u i d e d m o d e s a t t h e s a m e w a v e l e n g t h 2. I n

o u r w o r k , w e u s e d v e r y t h i n s o - c a ll e d m o n o m o d e

w a v e g u i d e s i n w h i c h o n l y m o d e s w i t h m o d e n u m b e r

m = 0 , i .e . , t h e T E o a n d T M 0 m o d e s , c a n p r o p a g a t e .

C o n s e q u e n t l y w e o n l y m e a s u r e d t h e e f f e c t iv e r e f r a c t iv e -

i n d e x c h a n g e s A N vE ,~ a n d A N T M . o f t h e T E 0 a n d T M o

m o d e s . T h i s p e r m i t s , f o r e x a m p l e , ( p r o v i d e d t h a t t h e

m i c r o p o r o s i t y e f f e c t i s n e g l i g i b l e ) t o d i f f e r e n t i a t e a d -

s o r p t i o n ( o r d e s o r p t i o n , r e s p e c t i v e l y ) o r , i n ( b io )

c h e m i c a l s en s i n g , b i n d i n g o f a n a n a l y t e , f r o m r e f r a c -

t i v e - i n d e x c h a n g e s A n c o f t h e s a m p l e , c a u s e d , f o r e x a m -

p l e, b y t e m p e r a t u r e v a r i a t io n s . I f t h e s a m p l e ' s

r e f r a c t i v e - i n d e x c h a n g e s A n c a r e e i t he r neg l i g i b l e o r a r e

p r e c i s e ly k n o w n , f r o m t h e t w o m e a s u r e d e f f e ct i v e r e -

f r a c t i v e - i n d e x c h a n g e s ANTE, , and A N T M , , t w o p a r a m e -

t e rs o f t h e a d s o r b e d ( o r b o u n d ) a d l a y e r F ' c a n b e

d e t e r m i n e d , n a m e l y i ts t h i c k n e s s d ~-, a n d r e f r a c t i v e i n-

d e x

n v ,

p r o v i d e d t h a t t h e a d l a y e r F ' i s i s o t r o p i c . A

p o s s i b l e a n i s o t r o p y o f p r o t e i n a d l a y e r s F ' i s d i s c u s s e d

i n S ec t i on 6 .3 .

T h e b a s i c I O s e n s o r e f f ec t e x p l a i n e d a b o v e l e a d s t o

g e n e r i c ty p e s o f I O c h e m i c a l a n d b i o c h e m i c a l s e n s o r s

f o r t h e d e t e c t i o n o r q u a n t i f i c a t i o n o f v a r i o u s a n a l y t e s ;

t h i s w e desc r i be i n S ec t i on 4 . I n t he nex t s ec t i on w e

d i s c u ss w h i c h t y p e s o f w a v e g u i d e s a r e r e q u i r e d i n o r d e r

t o a t t a i n I O o r w a v e g u i d e s e n s o r s w i t h h i g h o p t i c a l

sensl t l 'v l t l es .

3 . O p t i c a l s e n s o r s e n s i t i v i t ie s an d h i s t o r y o f t h e I 0

s e n s o r e f f e c t

T h e o p t i c a l s e n s i t i v i t y c o n s t a n t s (3 .N /~dF,) , (~ ,N /~nc)

a n d

( ~ N / ~ n v )

i n t r o d u c e d i n E q . ( 2 ) a r e t h e d i f f e r e n t i a l

c h a n g e s i n e f f e c ti v e r e f r a c t i v e in d e x o f a g u i d e d m o d e

f or a sm a l l chan ge i n : ( 1 ) t he t h i ckn ess dF , o f an

a d s o r b e d o r b o u n d a d l a y e r F ' ; ( 2 ) t h e r e f r a c t iv e i n d e x

n c o f t h e ( l i q u id ) s a m p l e ; a n d ( 3 ) t h e r e f r a c t i v e in d e x

n v

o f t h e m i c r o p o r o u s w a v e g u i d i n g f il m F . W e c a l c u la t e d

t h e o p t i c a l s e n s i ti v i ty c o n s t a n t s u s i n g t w o i n d e p e n d e n t

m e t h o d s .

T h e f i r s t m e t h o d [ 3 , 4 ] s t a r t s f r o m t h e e x a c t m o d e -

g u i d i n g c o n d i t i o n f o r a p l a n a r t w o - l a y e r w a v e g u i d e

c o n s i s t i n g o f t h e w a v e g u i d i n g f il m F ( o f t h i c k n e s s

d v

a n d r e f r a c t i v e i n d e x n v ) w i t h a n a d s o r b e d o r b o u n d

a d l a y e r F ' ( o f a r b i t r a r y t h i c k n e s s dr , a n d r e f r a c t i v e

i n d e x n v , ) s a n d w i c h e d b e t w e e n t h e s u b s t r a t e S a n d t h e

s a m p l e C o f r e f ra c t i v e i n d ic e s n s a n d n c , r e s p e c t i v e ly ,

a n d t h e n c o n s i d e r s t h e l i m it o f v e r y t h i n a d l a y e r s F '

w i t h dr,


4/14

4 0 W . L u k o s z / S e n s o r s a n d A c t u a t o r s B 2 9 ( 1 9 95 ) 3 7 - 5 0

gl as s o r s i l i ca subs t r a t e s h i gh op t i ca l s ens i t i v i t y con-

s t a n t s ( N/~dv,) c a n b e o b t a i n e d . S u c h v e r y th i n w a v e -

g u i d e s w e r e o r i g i n a l ly o f n o i m p o r t a n c e i n t h e p a s t ,

b e c a u s e I O c o m p o n e n t s w e r e o n l y o f i n te r e s t f o r o p t ic a l

c o m m u n i c a t i o n p u r p o s e s a n d f o r f i b r e s e n s o r s , a n d

t h e r e fo r e , th e y h a d t o b e c o m p a t i b l e w i t h m o n o m o d e

f i b r e s . I n o r d e r t o a c h i e v e l o w c o u p l i n g l o s s e s b e t w e e n

I O c o m p o n e n t s a n d f i b r e s , t h e w a v e g u i d e t h i c k n e s s e s o r

m o d e d i a m e t e r s h a v e t o b e m a t c h e d t o t h e c o r e d i a m e -

t e r ( t y p ic a l ly a b o u t 5 - 1 0 ~ t m ) o f m o n o m o d e f ib r es .

( P l a n a r ) w a v e g u i d e s s a t i s f y i n g t h e s e r e q u i r e m e n t s , s u c h

a s w a v e g u i d e s f a b r i c a t e d b y d i f f u s i o n p r o c e s s e s j u s t

b e l o w t h e s u r f a c e s o f e i t h e r g la s s es o r e l e c t r o - o p t i c

c r y s t a l s s u c h a s L i N b O 3 , h a v e v e r y l o w o p t i c a l s e n s o r

sens i t i v i t i e s ; t he s ens i t i v i t y cons t an t (?~N/~dv,) i s one t o

t w o o r d e r s l o w e r t h a n f o r v e r y t h i n h i g h - r e f r a c t i v e - i n -

dex f i lms.

T h i s d e p e n d e n c e o f t h e o p t i c a l s e n s it i v it y c o n s t a n t s

o n w a v e g u i d e p a r a m e t e r s h a s s o m e b e a r i n g o n t h e

h i s t o r y o f t h e b a s i c I O s e n s o r e f f e c t. T h i s e f f e c t w a s

d i s c o v e r e d , b y s e r e n d i p i t y , i n o u r g r o u p b e c a u s e w e

w o r k e d w i t h o n l y a b o u t 1 2 0 - 1 5 0 r i m t h ic k p la n a r

S i O 2 - T i O 2 w a v e g u i d e s o f r e f r a c t i v e i n d e x nv ~ 1.75.

T h e o r i g i n a l o b j e c t o f t h e w o r k [6 ] w a s a c t u a l l y t o f i n d

o u t w h e t h e r o r n o t g r a t i n g c o u p l e r s c o u l d b e f a b r i c a te d

o n d i p - c o a t e d S iO 2 T i O 2 w a v e g u i d e s ( p r o d u c e d b y a

s o l - g e l p r o c e s s ) o n g l a s s s u b s t r a t e s b y e m b o s s i n g a t

r o o m t e m p e r a t u r e a s u r f a c e r e l i e f g r a t i n g w i t h s u b m i -

c r o n g r a t i n g c o n s t a n t A i n t o t h e g e l f i l m s , w h i c h w e r e

s u b s e q u e n t l y ' f i r e d ' a t t e m p e r a t u r e s o f a b o u t 5 0 0 ° C t o

b e c o m e h a r d a m o r p h o u s f i l m s . S i n c e s o l - g e l f i l m s

s h r i n k c o n s i d e r a b l y i n d e p t h ( b y a f a c t o r o f t y p i c a l l y

t h r e e t o f o u r ) [ 7 ] , t h e e v e n t u a l s u c c e s s o f t h i s n e w

m e t h o d t o f a b r i c a t e s u r f a c e r e l ie f g r a t i n g s w i t h 1 /A

= 1 2 0 0 - 3 6 0 0 l in e s p e r m m w a s n o t g u a r a n t e e d f r o m

t h e o u t s e t . F o r t u n a t e l y , t h e l a t e r a l s u b m i c r o m e t r e g r a t -

i n g s t r u c t u r e i s p r e s e r v e d i n t h e f a b r i c a t i o n p r o c e s s ; t h e

s h r i n k a g e i n d e p t h r e d u c e s t h e s u r f a c e m o d u l a t i o n e m -

b o s s e d i n t o t h e g e l f i l m , w h i c h i s d e t e r m i n e d b y t h e

s u r f a c e re l i e f m o d u l a t i o n ( t y p i c a l ly a b o u t 1 0 0 1 5 0 n m )

o f t h e c o m m e r c i a l l y a v a i l a b le d i f f r a c t i o n g r a t i n g u s e d

a s a d i e . B u t v e r y s h a l l o w s u r f a c e r e l i e f g r a t i n g s ( w i t h a

m o d u l a t i o n d e p t h o f se v e ra l t o a fe w te n s o f n a n o m e -

t r e s ) a r e f o r t u n a t e l y w e l l s u i t e d a s g r a t i n g c o u p l e r s ,

h a v i n g c o u p l i n g l e n g t h s o f t h e o r d e r o f m i l li m e t r e s .

W h e n t h e s e S i O 2 T i O 2 w a v e g u i d e s p r o v i d e d w i t h

s u r f a c e r e l i e f g r a t i n g s w e r e u s e d f o r i n c o u p l i n g e x p e r i -

m e n t s w i t h r e d H e N e l a s e r l ig h t, , t h e u n e x p e c t e d a n d

s u r p r i s i n g f i n d i n g w a s t h a t t h e i n t e n s i t y o f t h e l ig h t

c o u p l e d i n t o t h e w a v e g u i d e a t a c o n s t a n t a n g l e o f

i n c i d e n c e ~ w a s n o t c o n s t a n t i n t i m e a s i s t o b e e x -

p e c t e d f r o m t h e i n c o u p l i n g c o n d i t i o n ( s e e S e c t i o n 5 . 1 )

b u t v a r i e d e r r a t i c a l l y ; e x p r e s s e d d i f f e r e n t l y , t h e o p t i -

m u m i n c o u p l i n g a n g l e ~ t ( t ) v a r i e d , w h i c h c o r r e s p o n d s

t o a t i m e - d e p e n d e n t e f f e c ti v e r e f r a c t i v e - i n d e x c h a n g e

A N ( t ) . S o o n w e f o u n d t h a t t h e e f fe c t w a s c a u s e d b y

~ 5

7

' ~ 0

¢1D

Z

t 'o

o -s

TM ° - TE o

4

d F ( nm)

o

to

¢

9

0

-9

0

T M o - TE o

4 0 0

d F ( nm)

F i g . 2 . C a l c u l a t e d s e n s i t i v i t i e s N w E , , / ~ d v . , ~ N T M , , / ~ d v f o r T E o a n d

T M 0 m o d e s , a n d s e n s i t i v i t y - ,~ / { ~dv, o f d i f f e r en c e i n t e r f e r o m e t e r v s .

w a v e g u i d e t h i c k n e s s d v f o r a d s o r p t i o n o f H 2 0 m o l e c u l e s f r o m a

g a s e o u s s a m p l e , w h e r e ~ 'q --- -- -N Tw - N T M . , n c = l ; n v - l . 3 3 ;

2 = 63 3 r i m . T o p , w a v e g u i d e o f t y p e ( a ) w i t h p a r a m e t e r s n v = 1 . 8 0

a n d n s = 1 .4 7; b o t t o m , w a v e g u i d e o f t y p e ( b ) w i t h p a r a m e t e r s

n v = 2 . 01 an d n s = 1 . 46 .

v a r i a t io n s o f t h e r e l at iv e h u m i d i t y i n t h e e n v i r o n m e n t

o f t h e c o u p l e r g r a t in g o n t h e w a v e g u i d e . T h e e f fe c t c a n

b e i n d u c e d b y t h e e x p e r i m e n t e r e x h a li n g t o w a r d s t h e

w a v e g u i d e o r h o l d i n g a f i n g e r n e a r t h e w a v e g u i d e ( n o t

t o u c h i n g i t , o f c o u r s e ) . T h i s f ir s t I O s e n s o r e x p e r i m e n t

w a s r e p o r t e d a t t h e E u r o p e a n C o n f e r e n c e o n I n t e g r a te d

O p t i c s h e l d i n F l o r e n c e in 1 9 83 [ 1 ] . N o w a d a y s , w e

r o u t i n e l y p e r f o r m t h i s e x p e r i m e n t t o d e m o n s t r a t e t h e

b a s i c I O s e n s o r e f f e c t. ( T h e s e n s i t iv i t y o f t h e S i O 2 - T i O 2

w a v e g u i d e s w i t h r e s p e c t t o r e l a t i v e - h u m i d i t y c h a n g e s i s

g r e a t l y e n h a n c e d b y t h e i r m i c r o p o r o s i t y ; i n h i g h l y

p o r o u s w a v e g u i d e s , t h e s e n s o r e f fe c t ( 3 ) c a n e v e n b e

p r e d o m i n a n t [8 1 0] .)

I n F i g s . 2 5 w e p r e s e n t o p t i c a l s e n s i ti v i ty c o n s t a n t s

v e r s u s w a v e g u i d e t h i c k n e s s dv c a l c u l a t e d f o r t w o d i f f e r -

e n t h i g h - i n d e x w a v e g u i d i n g f i l m s F , i . e . , w a v e g u i d e s o f

t y p e ( a ) w i t h nv = 1 .8 and n s = 1 .47 an d w av egu i des o f

t y p e s ( b ) w i t h nv = 2. 0 1 a n d n s = 1 . 46 . W a v e g u i d e s o f

t y p e ( a ) c o r r e s p o n d t o t h e S i O 2 T i O 2 fi lm s p r e s e n t l y

u s e d b y u s , w h i le w a v e g u i d e s o f t y p e ( b ) c a n b e r e a l i z e d

w i t h f i lm s o f h i g h e r T i O 2 c o n t e n t s o r o f S i3 N 4. T h e

subs t r a t e s S a r e g l a s s , s i l i ca o r ox i d i zed s i l i con w af e r s

(S i /S iO2) .

F i g . 2 s h o w s t h e s e n s i t i v i t y c o n s t a n t ON/OdF, f o r t h e

a d s o r p t i o n o f w a t e r o n t h e w a v e g u i d e s u rf a c e . F o r

w a v e g u i d e s o f ty p e ( a ) th e t h i c k n e s s r a n g e dv ,~ 1 3 0 -

2 0 0 n m y i e ld s t h e h i g h e s t s e n s it iv i ti e s , a n d l u c k i ly

e n o u g h t h e w a v e g u i d e s u s e d f o r o u r f i r s t e x p e r i m e n t s

h a d j u s t s u c h th i c k n e s s e s. A d s o r p t i o n o f one H 2 0


5/14

W . L u k o s z / ' S e n s o r s a n d A c t u a t o r s B 2 9 ( 1 9 9 5 ) 3 7 5 0 41

m o n o l a y e r o f t h i ck n e ss

Iv,

= 0 . 3 n m o n t h es e w a v e -

g u i d e s i n d u c e s m a x i m u m e f fe c t iv e re f r a c t i v e - in d e x

c h a n g e s A N ~ ( 1 . 2 - 1 . 5 ) x 1 0 4 f o r T E 0 a n d T M o

m o d e s . A l s o s h o w n i s t h e s e n s i t i v it y c o n s t a n t

?~N/~.dv,

o f t h e d i f fe r e n c e i n t e r f e r o m e t e r , w h i c h h a s i t s b r o a d

m a x i m u m a r ou n d d v = 2 5 0 n m , w h er e N - - N T E o - -

N T M o .

F i g . 3 s h o w s t h e s e n s i t i v i t y c o n s t a n t ON/Odv, f o r t h e

a d s o r p t i o n o f p r o t e i n m o l e c u l e s f r o m a n a q u e o u s s o l u -

t i o n ; t h e s e n s i t i v i t i e s d e p e n d o n t h e r e f r a c t i v e i n d e x nv,

o f t he a d l a y e r f o r m e d , a n d a t y p i c a l v a l u e o f

n v,

= 1.45

w a s a s s u m e d i n t h i s F i g u r e . H o w e v e r , t o a v o i d a n y

m i s u n d e r s t a n d i n g , w e m e n t i o n t h a t th e

nv,

v a l u e s o f t he

p r o t e i n a d l a y e r c a n b e d e t e r m i n e d ( s e e S e c t i o n 6 . 3 ) .

A g a i n t h e o p t i m u m t h i c k n e s s r a n g e f o r w a v e g u i d e s o f

t y p e ( a ) i s r o u g h l y

dv ~

1 0 0 - 2 0 0 n m i f t h e

A N T E o

a n d

A T vM , , e f f e c t iv e r e f r a c t i v e - i n d e x c h a n g e s a r e t o b e m e a -

s u r e d , a n d dv ~, 2 0 0 2 5 0 n m f o r t h e d i f f e r e n c e i n t e r -

f e r o m e t e r .

F i g . 4 s h o w s t h e s e n s i t i v i t y c o n s t a n t s

ON/Onc

f o r I O

s e n s o r s w o r k i n g a s r e f r a c t o m e t e r s f o r s a m p l e s C h a v i n g

a r e f r a c t i v e i n d e x n e a r n c = 1.3 3 , s u c h a s a q u e o u s

s o l u t i o n s .

I n m i c r o p o r o u s w a v e g u i d i n g f i l m s F t h e s e n s o r e f fe c t

( 3 ) c a n o c c u r , i . e ., a n a d s o r p t i o n o f a n a l y t e m o l e -

c u l e s i n s i d e t h e p o r e s . T h i s l e a d s t o a c h a n g e

A n y

= ( 1 - q ) A n p o f t h e f i l m ' s r e f r a c t i v e i n d e x , w h e r e q

i s t h e p a c k i n g d e n s i t y o f th e s o l i d m a t e r i a l , ( 1 - q ) t h e

r e l a t i v e p o r e v o l u m e a n d A n N t h e c h a n g e i n r e f r a c t i v e

i n d e x i n s i d e t h e p o r e s . D u r i n g a d s o r p t i o n a n d c a p i l l a r y

0 . 2 0

tO

N.

Z 0

to

0 . 1 5

/ I T M ° ~ 0 I

0 4 0 0

d F (n m )

0 . 3 0

U T E ° ~

to

~ 0 -

to

0.2.5

I I

I

0 400

d F (n m )

F i g . 4 . C a l c u l a t e d s e n s i t i v i t i e s O N v E o / ~ n c , ¥ V M o / ~ n c f o r T E o a n d

T M o m o d e s , a n d s e n s i t i v i t y - ~N / ~:n c o f d i f f e r e n c e i n t e r f e r o m e t e r a s

a d if f e r e n t i a l r e f f a c t o m e t e r f o r a q u e o u s s o l u t i o n s vs . w a v e g u i d e t h i c k -

n e s s d v. n c - 1 .3 3 ; 2 = 6 3 3 n m . T o p , w a v e g u i d e o f t y p e ( a ) ; b o t t o m ,

w a v e g u i d e o f t y p e ( b ) a s i n F i g . 2 .

c o n d e n s a t i o n o f w a t e r in th e p o r e s f r o m a m b i e n t h u m i d

a i r , t h e r e f r a c t i v e i n d e x n p i n th e p o r e s c h a n g e s f r o m

np = 1 to ne ~ n liqu id ; i . e . , we h av e 0 < Anp ~< 0 .33 de pe n-

d e n t o n t h e p o r e f il li n g. T h e e f f e c t iv e r e f r a c t i v e - i n d e x

c h a n g e is A N =

O N / O n v ) A n v .

T h e o p t i c a l s e n s i t i v i t i e s

ON/Onv f o r a d s o r p t i o n f r o m a g a s e o u s m e d i u m s u c h a s

' - ' 3 . 5

~ 0

tO

tO

~.o

- 3 . 5

' -~

5

7

t o

tO

0

~-~

5

T M o T E o

I I I

4OO

d F (n m )

I I I

0 4O 0

d F ( r i m )

F i g . 3 . C a l c u l a t e d s e n s i t i v i t i e s ONTEo/OdF.,

ONTMo/OdF

o r T E o a n d

T M o m o d e s , a n d s e n s i t iv i t y - Ol V/ ~d F , o f d i f f er e n c e i n t e r f e r o m e t e r f o r

a d s o r p t i o n o f p r o t e in m o l e c u l e s f r o m a n a q u e o u s s o l u t i o n v s. w a v e -

g u i d e t h i c k n e s s d v . A s s u m e d r e f r a ct i v e in d e x o f p r o t e i n a d l a y e r

n F , = 1 . 4 5 ; n c = 1 . 3 3 ; 2 = 6 3 3 n m . T o p , w a v e g u i d e o f t y p e ( a ) ; b o t -

t o m , w a v e g u i d e o f t y p e ( b ) a s i n F i g . 2 .

1 . 0

0 4 0 0

d F (n m )

1 . 0 ~

T o

t o

t O _

0 4 0 0

d F (n m )

F i g . 5 . C a l c u l a t e d s e n s i t i v i t i e s O N T E o / ~ n F , g N v M , , / ~ ,n F f o r T E o a n d

T M o m o d e s , a n d s e n s i t iv i t y ~ N / O n v o f d i f f e r e n c e i n t e r f e r o m e t e r r e -

l a t e d to a d s o r p t i o n o f m o l e c u l e s f r o m a g a s e o u s s a m p l e C i n s i d e th e

m i c r o p o r o u s w a v e g u i d i n g f i l m F v s . i t s t h i c k n e s s d F . n c = 1 ;

2 = 6 3 3 n m . T o p , w a v e g u i d e o f t y p e ( a ); b o t t o m , w a v e g u i d e o f t y p e

( b ) a s i n F i g . 2 .


6/14

42 W . L u k o s z / S e n s o r s a n d A c tu a t o r s B 2 9 1 9 9 5 ) 3 7 5 0

a i r a r e s h o w n i n F i g . 5 . F o r b o t h t h e T E o a n d T M o

modes , t he s ens i t i v i t i e s ON/Onv v e r s u s dv m o n o t o n i c a l l y

a p p r o a c h t h e v a l u e o n e f o r l a r g e w a v e g u i d e t h i c k n e s s e s .

F o r t h e s e n s o r e f f e c t ( 3 ), t h e f i e ld i n s id e t h e w a v e g u i d -

i ng f i l m F i s r e spons i b l e , no t t he evanescen t f i e l d a s i n

senso r e f f ec t s ( 1 ) and ( 2 ) . T h e r e f o r e , it is no t ne ces sa r y

t o u s e v e r y t h i n h i g h - i n d e x w a v e g u i d i n g f i l m s F i n

g r a t in g c o u p l e r a n d i n t e r f e r o m e t r ic I O s e n s o r s. B u t

w i t h t h e d i f f e r e n c e i n t e r f e r o m e t e r h i g h o p t i c a l s e n s it iv i -

t ies ON/ nF a r e o n l y o b t a i n e d w i t h t h in w a v e g u i d e s . A n

a d d i t i o n a l a d v a n t a g e o f v e r y t h in w a v e g u i d e s is t h a t t h e

s e n s o r s ' r e s p o n s e t i m e s d u e t o i n - a n d o u t - d i f f u s i o n o f

t h e a n a l y t e a r e s m a l l .

4 . D i r e c t c h e m i c a l a n d b i o c h e m i c a l s e n s o r s

I O c h e m i c a l a n d b i o c h e m i c a l s e n s o r s f o r t h e d e t e c -

t i o n a n d / o r q u a n t i f ic a t i o n o f a n a l y t e s in g a s e o u s o r

l i qu i d s ampl e have t o be spec i f i c o r h i gh l y s e l ec t i ve .

T h i s s p e c i fi c it y h a s t o b e g u a r a n t e e d b y b i o c h e m i s t r y ,

w h i l e o p t i c s h a s t o p r o v i d e t h e h i g h s e n s i t i v i t y . T h e

s p e c i f i c i t y i s p r o v i d e d b y a c h e m i c a l l y s e l e c t i v e o r

' c h e m o r e s p o n s i v e ' c o a t i n g o n t h e w a v e g u i d e s u r f a c e .

S u c h c h e m o r e s p o n s i v e c o a t in g s a r e a l so u s e d i n o t h e r

t y p e s o f o p t i c a l ( b i o ) c h e m i c a l s e n s o r s , s u c h a s s u r f a c e

p l a s m o n r e s o n a n c e s e n s o r s .

W e d i f f e r e n t i a t e b e t w e e n t w o f o r m s o f s u c h

c h e m o r e s p o n s i v e c o a t i n g s : ( I) e x t r e m e l y t h i n , p r e f e r a b l y

m o n o m o l e c u l a r c o a t i n g s a n d ( I I ) c o a t i n g s t y p i c a l l y

a b o u t 1 0 0 n m t o s e v e r a l m i c r o m e t r e s t h ic k .

C o a t i n g s o f t y p e ( I ) c a n b e u s e d f o r a f f i n it y s e n s o r s ,

i n p a r t i c u l a r i m m u n o s e n s o r s . T h e w a v e g u i d e i s c o a t e d

w i t h a m o n o m o l e c u l a r l a y e r o f r e c e p t o r m o l e c u l e s t h a t

s p e c i fi c a ll y b i n d c e r t a i n l i g a n d m o l e c u l e s . I n i m -

m u n o s e n s o r s t h e r e c e p t o rs a r e a n ti g e n ( A g ) o r a n t i b o d y

( A b ) m o l e c u l e s , r e s p e c t i v e ly , w h i c h b i n d t h e c o r r e -

s p o n d i n g A b o r A g m o l e c u l e s i f t h e s e a r e p r e s e n t i n t h e

s a m p l e . A n o t h e r e x a m p l e o f a f f in i t y s e n s o r s i s t h e b i n d -

i n g o f ( s in g l e - st r a n d ed ) D N A - t a r g e t m o l e c u l e s a s a n a -

l y t e s b y h y b r i d i z a t i o n t o ( s i n g l e - s t r a n d e d ) D N A - p r o b e

m o l e c u l e s ( o l i g o m e r s ) i m m o b i l i z e d a s r e c e p t o r s o n t h e

w a v e g u i d e s u r f a c e . T h e I O s e n s o r s r e s p o n d t o t h e i n -

c r e a s e i n t h i c k n e s s d F o r r e f r a c t i v e i n d e x nv, o f t h e

a d l a y e r F ' , w h i c h c o n s i s t s a t f i rs t o f th e r e c e p t o r s a l o n e ,

t h e n o f t h e f o r m i n g A g A b c o m p l e x ( s ee F ig . 6 ( a) ) .

T h e a d l a y e r F ' i s v e r y t h i n ( a b o u t 4 - 1 2 n m ) c o m p a r e d

w i t h t h e p e n e t r a t i o n d e p t h A z c o f th e e v a n e s c e n t w a v e

i n t o t h e s a m p l e C ( w h i c h i s ty p i c a l l y A z c ~ 1 0 0 n m ) .

T h e r e f o r e , t h e s e n s i t i v i t y c o n s t a n t ON/ dv , d i s c u s s e d

a b o v e i n S e c t io n 3 d e s c r i b e s n o t o n l y d i r e c t a d s o r p t i o n

o f m o l e c u l e s o n t h e w a v e g u i d e s u r f a c e b u t a l s o t h is

r e c e p t o r l i g a n d b i n d i n g .

F o r a f f i n i ty s e n s o rs , c o a t i n g s o f t y p e ( I I ) c a n a l s o b e

u s e d . T h e r e c e p t o r s a r e t h e n i m m o b i l i z e d i n a t y p i c a l l y

1 00 n m t h i c k h i g h l y p o r o u s c o a t i n g C ' , s u c h a s a h y

, + + c z

g __

I ~

x

(a) (b)

Fig. 6. Waveguides with chemically selective (or chemoresponsive)

coatin gs as (bio)chemical sensors. S, substrate; F, waveguide; C,

sample containing analyte molecules. (a) Immunosensor wi th a

m o n o m o l ecu l a r ch em o resp o n s i v e co a t i n g co n s i s t i n g o f i m m o b i l i zed

ant igen (Ag) molecules that b ind the corresponding ant ibody (Ab)

molecules. (b) Chemosens ors wi th a typical ly 0 .1 l# m thick

chemores ponsive layer C ' whose refract ive index no,. i s changed by

binding of analyte molecules M.

d r o g e l . T h e l i g a n d s d i f f u s e i n t o t h e h y d r o g e l C ' a n d b i n d

t o t h e r e c e p t o r s . C o a t i n g s o f t y p e ( I I) c a n a l s o b e u s e d

f o r c h e m i c a l s e n s o r s , i n p a r t i c u l a r g a s s e n s o r s . T h e

c h e m o r e s p o n s i v e c o a ti n g C ' h a s t o a d s o r b , c h e m i s o r b o r

b i n d s e l e c t iv e l y a n a l y t e m o l e c u l e s M f r o m t h e s a m p l e C .

T h e s e p r o c e s s e s l e a d t o a n i n c r e a s e A n c , o f t h e r e f r a c t i v e

i n d e x n o o f t h is c o a t i n g C ' , w h i c h , i n t u r n , l e a d s t o a n

i n c r e a s e A N = (ON/?mc,) A n o o f t h e e f f e c t i v e r e f r a c t i v e

i ndex ( see F i g . 6 ( b ) ) . I n t he spec i a l ca se w her e t he

c h e m o r e s p o n s i v e c o a t i n g C ' i s th i c k e r t h a n t h e p e n e t r a -

t i o n d e p t h A z o o f t h e e v a n e s c e n t fi e ld in t o t h e c o a t i n g

C ' , t h e s e n s o r a c t u a l l y w o r k s a s a d i f f e r e n t i a l r e f r a c -

t o m e t e r w i t h a s e n s i t i v i t y c o n s t a n t N/~n c, w hi ch i s

g i v e n b y t h e ' r e f r a c t o m e t e r s e n s i t i v i t y ' ON/Onc d i s c u s s e d

i n S e c t i o n 3 w h e r e n c h a s t o b e r e p l a c e d b y no,.

T h e I O d i r e c t ( b i o ) c h e m i c a l s e n s o r s e s s e n t i a l l y m e a -

sur e t he change i n su r f ace mass dens i t y F v , , i . e . , t he

m a s s p e r u n i t a r e a ( s e e R e f . [ 5 ] ) ; t h e r e s o l v i n g p o w e r

A F m i n is o f th e o r d e r o f a f e w to a f r a c t i o n o f

1 p g m m - 2 . T h e r e f o r e , u n s p e ci f ic a d s o r p t i o n o f

m o l e c u l e s f r o m t h e s a m p l e h a s t o b e a v o i d e d a s i t c a n

l i m i t t h e p e r f o r m a n c e o f a ll s e n s o r s. B u t t h i s i s a

p r o b l e m t h e I O s e n s o r s h a v e i n c o m m o n w i t h a l l o t h e r

t y p e s o f o p t i c a l d i r e c t ( b i o ) c h e m i c a l s en s o r s . A n o t h e r

c o m m o n p r o b l e m o f i n t e g r a te d o p t i c a l a n d o t h e r o p t i c a l

d i r e c t s e n s o r s is t h a t t h e a n a l y t e c o n t a i n e d i n th e s a m p l e

h a s t o b e t r a n s p o r t e d b y c o n v e c t i o n a n d d i f fu s i o n in t h e

a l l o t ed a s say t i me , e .g . , 15 mi n , t o t he o p t i ca l su r f ace .

5 . I O s e n s o r c o n f i g u r a t io n s t y p e s o f I O s e n s o r s )

T h e b a s i c o r p r i m a r y I O s e n s o r e f f e c t w a s e x p l a i n e d

i n S e c t i o n 3 i n t e r m s o f t h e e f f e c ti v e r e f r a c t i v e - i n d e x

c h a n g e s A N . T h e s e c h a n g e s A N c a n b e m e a s u r e d b y

v a r i o u s o p t i c a l m e a n s . A n u m b e r o f d if f e re n t ty p e s o f

I O s e n s o r s h a v e b e e n d e v e l o p e d i n w h i c h t h e A N

c h a n g e s a r e t r a n s f o r m e d i n t o r e a d i ly m e a s u r a b l e p h y s i-

c a l q u a n t it i e s . I n t h e f o l l o w i n g w e c o n c e n t r a t e o n t h e

s e n s o r t y p e s d e v e l o p e d i n o u r g r o u p , i . e . , t h e i n p u t a n d

o u t p u t g r a t i n g c o u p l e r s i n S e c t i o n 5 . 1 a n d t h e d i f f e r e n c e

i n t e r f e r o m e t e r i n S e c t i o n 5 .2 . O t h e r s e n s o r t y p e s a r e

on l y b r i e f l y d i s cus se d i n S ec t i ons 5 .3 and 5 .4 .


7/14

w. Lukosz / Sensors and Actuators B 29 1995) 37 -50

43

5 . 1. I n p u t a n d o u t p u t g r a t i n g c o u p l e r s

S i nc e t h e b e g i n n i n g o f ' i n t e g r a t e d o p t i c s ' , g r a t i n g

c o u p l e r s h a v e b e e n u s e d t o c o u p l e l i g h t i n t o a n d o u t o f

a p l a n a r w a v e g u i d e . F i g . 7 d e p i c t s t h a t i n - a n d o u t c o u -

p l i n g a r e r e l a t e d t o e a c h o t h e r b y t h e r e c i p r o c i t y t h e o -

r e m , w h i c h p e r m i t s r e v e r s a l o f th e d i r e c t i o n o f

p r o p a g a t i o n o f a ll t h e l ig h t w a v e s . C o n s e q u e n t l y , i n -

a n d o u t c o u p l i n g a r e g o v e r n e d b y t h e s a m e r e l a t i o n

( _+ )N =- nai r s in ~ /+

l ; t / A

(5)

w h e r e N i s t h e e f f e c ti v e r e f r a c t i v e i n d e x o f t h e g u i d e d

m o d e , n ,~ r = 1 . 00 0 3 i s t h e r e f r ac t i v e i n d e x o f a i r , 2 t h e

w a v e l e n g t h , A t h e g r a t i n g p e r i o d a n d l = + 1, _ +2 . . .

t h e d i f f r a c t i o n o r d e r . T h e p l u s a n d m i n u s s i g n s o n t h e

l e ft s id e o f E q . ( 5 ) h o l d f o r g u i d e d m o d e s p r o p a g a t i n g

i n t h e + x a n d - x d i r e c t i o n s , r e s p e c ti v e l y . I n t h e

i n c o u p l i n g s i t u a t i o n a t i s t h e

o p t i m u m

i n c o u p l i n g a n g l e ;

i n t h e o u t c o u p l i n g s i t u a t i o n i t i s t h e o u t c o u p l i n g a n g l e .

T h e p r i n c i p l e o f b o t h i n p u t a n d o u t p u t g r a t i n g c o u -

p l e r s e n s o r s c a n b e e x p r e s s e d b y t h e d i f f e r e n c e r e l a t i o n

A N = n .i~ A(sin ~ i ) ~

r/air COS gl A~I

(6)

w h i c h f o l l o w s f r o m E q . ( 5 ): i n d u c e d e f f e c t iv e r e f r a c t i v e -

i n d e x c h a n g e s A N l e a d t o c h a n g e s A c~z o f t h e a n g l e s ~ .

T h e s a m p l e h a s t o c o v e r t h e w a v e g u i d e i n t h e g r a t i n g

a r e a . T h e q u a n t i t y A N a p p e a r i n g i n E q . ( 6 ) i s t h e

e f f e c t iv e r e f r a c t i v e - i n d e x c h a n g e i n d u c e d i n t h e w a v e g -

u i d e i n t h e g r a t i n g a r e a . T h e e f f e c t i v e r e f r a c t i v e i n d e x N

o f t h e m o d e o u t s i d e t h i s g r a t i n g r e g i o n i s i r r e l e v a n t ;

t h e s e p a r t s o f t h e w a v e g u i d e c a n b u t o f t e n n e e d

n o t - - b e c o v e r e d b y a p r o te c t i o n l ay e r.

W e u s e s u r f a c e r e l i e f g r a t i n g s w i t h 1 /A = 2 4 00 l i n e s

p e r m m o p e r a t i n g i n d i f f ra c t i o n o r d e r l = 1 a t v i si b le

w a v e l e n g t h s 2 , in p a r t i c u l a r a t ). = 63 3 o r 5 1 4 n m . I n

t h e e a r l y s t a g e s o f t h e w o r k , w e u s e d g r a t i n g s w i t h

1 /A = 1 2 0 0 l i n e s p e r m m o p e r a t i n g i n d i f f r a c t i o n o r d e r s

l = 1 a n d 2 .

I n o u r g r o u p , i n p u t a n d o u t p u t g r a t i n g c o u p l e r

i n s t r u m e n t s w e r e b ui lt . W i t h b o t h i n s t r u m e n t s , t h e

a n g l e s : ~t (t ) o f t h e T E 0 a n d T M 0 m o d e s i n a p l a n a r

m o n o m o d e w a v e g u i d e a re m e a s u r e d a s f u nc t i on s o f

t i m e t , a n d f r o m t h e s e a n g l e s t h e e f f e c ti v e r e f r a c t i v e

• B

~ . ql===

Fig. 7. Principle of input an d output grating couplers. F, waveguid-

ing film: S, substrate. The a ngle ~ is the o ptimum a ngle of incidence

in incoupling experime nts and is equal to the outcoupling angle if the

same grating is used as an outcoupler. C, sample in cuven e or flow

cell B; PL, protection layer.

M1 R

I1 sM

Fig. 8. Schem atic of input grating coupler instrument. F, w aveguid-

ing film; S, substrate; R, rotation stage, with vertical axis of rotation.

In an angular scan, the TEo and TM o modes are successively excited

by an s- and a p-polarized laser beam. L, lever arm; M S, micrometer

screw; SM, stepping motor; Cu, cuve ne; Las er, He Ne laser

(2- 633 nm); FP, Foster prism; M~ and M2, mirrors (f rom R ef. [12]).

i n d i ces N T E o t ) a n d

NTMo t) a r e

d e t e r m i n e d f r o m E q .

5 ) .

T h e i n / o u t c o u p l i n g a n g l e s ~ a r e d e f i n e d w i t h r e s p e c t

t o t he n o r m a l o n t h e w a v e g u i d e . W e d e t e r m i n e t h e

d i r e c t i o n o f t h e n o r m a l (:~ = 0 ) e x p e r i m e n t a l l y b y p r o -

c e e d i n g a s fo l lo w s : f o r e a c h t y p e o f m o d e ( T E o a n d

T M 0 ) , th e m o d e s p r o p a g a t i n g in t h e + x a n d - x

d i r e c t io n s a r e i n / o u t c o u p l e d u s i n g t h e d i f f ra c t i o n o r d e r s

l = + 1 a n d - 1 , r e s p e c t i v e l y ; t h e i n / o u t c o u p l i n g a n g l e s

a r e ~ a n d c ~ = c~, r e s p e c ti v e ly . T h e n o r m a l t h a t

c o r r e s p o n d s t o t h e a n g l e e = 0 is t h e b i s e c t o r b e t w e e n

t h e t w o d i r e c t i o n s ~ a n d : ~ / - T h i s p r o c e d u r e h a s t o b e

p e r f o r m e d o n l y o n c e b e f o r e t h e s t a r t o f t h e s e n s o r

e x p e r i m e n t . D u r i n g t h e a c t u a l s e n s o r e x p e r i m e n t ( w h e n

t h e s a m p l e is b r o u g h t i n c o n t a c t w i t h t h e w a v e g u i d e ) i t

s u f fi c e s t o e x c i t e o n l y t h e T E 0 a n d T M 0 m o d e s p r o p a -

g a t i n g i n o n e , s a y t h e + x , d i r e c t i o n .

I n t h e f ir s t i n s t r u m e n t b u i l t i n o u r g r o u p , t h e i n p u t

g r a t i n g c o u p l e r [ 1 1 - 1 6 ] , t h e o p t i m u m i n c o u p l i n g a n g l e s

~ ( t ) o f t h e T E o a n d T M o m o d e s a r e f o u n d b y m e a s u r -

i n g t h e i n c o u p l e d p o w e r d u r i n g a c o m p u t e r - c o n t r o l l e d

e l e c t r o m e c h a n i c a l r o t a t i o n o f t h e w a v e g u i d e a b o u t a

v e r t i c a l a x is ( s e e F i g . 8) . C o n s e q u e n t l y , t h e t e m p o r a l

r e s o l u t i o n i s r a t h e r l o w a t 2 .4 s . D a t a a c q u i s i t i o n a n d

e v a l u a t i o n a r e p e r f o r m e d w i t h a P C . T h e i n s t r u m e n t a l

r e s o l u t i o n i n e f fe c t i v e r e f r a c t i v e - i n d e x c h a n g e s i s

ANmin ~,, 2 × 10 - 6 . F o r f u r t h e r e x p e r i m e n t a l d e t a i l s o f

t h e i n s t r u m e n t s e e R e f . [1 6] ; o u r i n s t r u m e n t i s d i f f e r e n t

f r o m a c o m m e r c i a l l y a v a i l a b l e ( f r o m A S I , S w i t z e r l a n d )

v e r s i o n o f t h e i n p u t g r a t i n g c o u p l e r .

T h e o u t p u t g r a t i n g c o u p l e r [1 7 2 0] w a s d e v e l o p e d a s

a f u ll y o p t o - e l e c t r o n i c i n s t r u m e n t ( s e e F i g . 9) . T h e

o u t c o u p l e d T E 0 a n d T M 0 m o d e s a r e f o c u s e d b y a le n s

o n t w o s e p a r a t e p o s i t i o n - s e n s i t i v e d e t e c t o r s . T h e o u t -

c o u p l i n g a n g l e s ~ ( t ) o f t h e T E o a n d T M o m o d e s a r e

s i m u l t a n e o u s l y m e a s u r e d w i t h a d j u s t a b l e ( i f r e q u i re d ,

s u b m i l l is e c o n d ) t e m p o r a l r e s o l u t io n . D a t a a c q u i s i t io n

a n d e v a l u a t i o n a r e p e r f o r m e d w i t h a P C . T h e i n s t r u-

m e n t a l r e s o l u t i o n i n e f f e c ti v e r e f r a c t i v e - i n d e x c h a n g e s i s

A N t o i n e 5 x 1 0 - 7 ;

f u r t h e r e x p e r i m e n t a l d e t a i l s a r e

g iven in Refs . [21 , 33] .

T h e r e s o l u t i o n A N m m o f t h e g r a t i n g c o u p l e r i n s t ru -

m e n t i s r e l a t e d t o t h e i n t e r a c t i o n l e n g t h L o f t h e g u i d e d

m o d e i n t h e g r a t i n g r e g i o n w i t h t h e s a m p l e . T h i s i n t e r -


8/14

44

W . L u k o s z S e n s o r s a n d A c t u a t o r s B 2 9 1 9 9 5 ) 3 7 5 0

a c t i o n l e n g t h L i s d e t e r m i n e d b y t h e p r o p e r t m s o f th e

gr a t i ng , i . e. , i t s phys i ca l l eng t h L , . i n t he x - d i r ec t i o n , o r ,

i f L~ Wo l l a s t o n p r i s m s ; D j , p h o t o d e -

tec tor s j = 1 4 ; l~ , cy l indr ica l l ens , l, cy l indr ical or spher ic al l ens , 27 '2 ,

h a l f - w av e p l a t e ; ,, / 4, q u a r t e r - w av e p l a t e ; A D C , 1 6 - b it an a l o g - t o - d i g i -

t a l co n v e r t e r ; P C , co m p u t e r . ( b ) D e t a i l ed c r o s s - s ec t i o n a l v i ew o f

w av eg u i d e WG . F , w av eg u i d i n g f i l m ; S , s u b s t r a t e : P L , p r o t ec t i o n

layer ; C , sample in cuvet te B: L , in tera ct ion l ength ( f ro m Ref . [23]) .

( 2 ) A t t i m e t > 0 , d u r i n g t h e a c t u a l e x p e r i m e n t , o n l y

t h e e f f e c t i v e r e f r a c t i v e - i n d e x

changes

k N v e o ( t ) a n d

ANTMo t )

h a v e t o b e m e a s u r e d . F u t h e r d a t a e v a l u a t i o n

s t a r ts f r o m t h e e f f e c t iv e r e f ra c t i v e - i n d e x v a l u e s

NvEo t ) = NsEo O) + A N T E . U ) a n d NvMo t ) - - NTMo(0)

+ A N s M o ( t ) . B y r i g o r o u s l y s o l v i n g t h e m o d e - g u i d i n g

e q u a t i o n , t h e o p t i c a l p a r a m e t e r s o f i n t e r e s t a r e d e t e r -

m i n e d , f o r e x a m p l e , t h e r e f r a c t i v e i n d e x n c ( t ) o f t h e

s a m p l e i n r e f r a c t o m e t r y , o r t h e t h i c k n e s s dv. t ) a n d

r e f r a c t i v e i n d e x

nv, t )

o f a n a d s o r b e d o r b o u n d a d l a y er

F ' . T h i s e v a l u a t i o n r e q u i r e s t h a t t h e i n d i v i d u a l w a v e -

g u i d e s a r e f i r s t c h a r a c t e r i z e d b y t h e p r o c e d u r e d e s c r i b e d

i n ( 1 ) above .

5.2 . Di f ference in terJerometer

I n o u r g r o u p w e d e v e l o p e d a t h i r d i n s t r u m e n t , t h e

d i f f e r e n c e o r p o l a r i m e t r i c i n t e r f e r o m e t e r [ 2 3, 24 ] ( se e

F i g . 1 0 ) . A s i m i l a r i n s t r u m e n t b a s e d o n t h e s a m e p r i n c i -

p l e w a s b u i l t l a t e r a t H o f l ' m a n n - L a R o c h e , B a s e l ( s e e

R e f . [ 25 ]) . In a p l a n a r w a v e g u i d e t h e T E o a n d T M 0

m o d e s a r e c o h e r e n t l y e x c i t e d b y l a s e r li g h t o f w a v e -

l e n g t h 2 . B o t h m o d e s p r o p a g a t e o n a c o m m o n p a t h

d o w n t h e w a v e g u i d e . I n a w a v e g u i d e s e c ti o n o f l e n g t h

L , t y p i c a ll y L ~ 1 0 - 2 0 m m , b o t h m o d e s i n t e ra c t w i t h

t h e s a m p l e . T h i s i n t e r a c t i o n c a u s e s t i m e - d e p e n d e n t

chan ges A N T E o( t) and A N r M o( t ) o f t he i r e f f ec t i ve r e f r ac -

t i v e i n d i c e s . T h e r e f o r e , a t i m e - d e p e n d e n t p h a s e d i f f -

r e n c e

A~)(t ) = AqSTE0 (t) -- AOOTMo(t)= 27r( L/ , i ) A~7( t ) (7)

b e t w e e n t h e T E o a n d t h e T M 0 m o d e s o c c u r s a t t h e e n d

o f t h e w a v e g u i d e , w h e r e

A_N(t) - ANTEo (t) - ANTM o(t ) (8)

T h i s p h a s e d i f f e r e n c e A ~ ( t ) i s t h e r e s p o n s e o r o u t p u t

s i g n al o f t h e d i f f e re n c e i n t e r f e r o m e t e r ; i t c a n b e m e a -

s u r e d w i th d i f f e re n t m e t h o d s . W e m e a s u r e d t h e p h a s e


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W. Lukos z Sensors and Actuators B 29 1995) 37-5 0 45

di f f e r ence A ( b( t) a s a f unc t i o n o f t i me t , u s i ng a s e t - up

c o m p r i s i n g a b e a m s p l i t t e r , t w o W o l l a s t o n p r i s m s , a

2 / 2 - a n d a 2 / 4 - p l a t e a n d f o u r p h o t o d e t e c t o r s a s d e -

s c r i b e d i n m o r e d e t a i l i n R e fs . [ 23 ,2 4 ]. F o u r p h o t o d e t e c -

t o r s ( j = 1 - 4 ) m e a s u r e t h e i n t e n s i ti e s

I , .2( t ) = I0{1 _+ co s[A ~( t ) + ~)0]} (9)

a n d

I 3 . 4 t ) = I ;{1 _+ s in[ A~ ( t ) + ~0]} (10)

w h e r e I o a n d I o a re p r o p o r t i o n a l t o t h e i n c o u p l e d

p o w e r a n d ~)0 i s a c o n s t a n t p h a s e d i f fe r e n c e , T h e p h a s e

d i f f e r e n c e A ~ ) ( t ) i s d e t e r m i n e d f r o m t h e d e t e c t o r o u t -

p u t s I / t ) a s f o l l o w s f r o m t h e r e l a t i o n

A~)(t) + Aq)0 = a r c t a n { ( [ I i ( t ) + ~ t ) ] [ 1 3 t ) - 1 4 t )] ) /

[ 1 1 t ) - -

I 2 t ) ] [ I3 t ) +

I 4 t ) ] ) } 1 1 )

a n d f r o m t h e s i g n o f [ I i t ) - I 2 t ) ] o r [ I 3 t ) - I 4 t ) ] , a

p h a s e v a l u e A ~ ) ( t ) + ~ 0 ly i n g i n t h e i n t e r v a l - z r t o + r e

i s ca l cu l a t ed . T o t h i s ca l cu l a t ed ph ase , t h e va l u e 2~ rm i s

a d d e d , w h e r e t h e i n te g e r m is u n a m b i g u o u s l y c h o s e n s o

t h a t t h e t i m e - d e p e n d e n t f u n c t i o n A ~ ) (( j) is c o n t i n u o u s

a t s u c c e s s iv e s a m p l i n g p o i n t s t j = j A t. O u r s y s t e m p e r -

m i t s t h e c h o i c e o f a n y s a m p l i n g i n t e r v a l A t >~ A t m i n =

8 0 ~ts . I n t h i s w a y , A ~ ( t ) i s d e t e r m i n e d , l a r g e l y i n d e p e n -

d e n t o f l a s er p o w e r f l u c t u a ti o n s , o f t e m p o r a l v a r i a t i o n s

o f t h e i n c o u p l i n g e f f ic i e n ci e s a n d o f c h a n g e s i n t h e

a t t e n u a t i o n o f th e g u i d e d m o d e s c a u s e d b y i n t e r a c ti o n

w i t h t h e s a m p l e , w i t h a n e x p e r i m e n t a l r e s o l u t i o n o f

A ~ m i n / R T r ~ 5 × 1 0 4 .

A d v a n t a g e o u s f e a t u re s o f t h e d i f f e re n c e i n t e r fe r o m e -

t e r a r e :

( i) T h e ' s e n s o r c h i p ' i s j u s t a p l a n a r w a v e g u i d e . I t s

f a b r i c a t io n i s e a s y c o m p a r e d t o t h a t o f I O M a c h -

Z e h n d e r i n t e r f e r o m e t e r s d i s c u s s e d in S e c t i o n 5 .3 , w h e r e

s t r i p w a v e g u i d e s a n d Y - j u n c t i o n s o r d i r e c t i o n a l c o u -

p l e r s u s e d a s b e a m s p l i t t e r s a n d c o m b i n e r s h a v e t o b e

m i c r o s t r u c t u r e d .

( ii ) L o n g i n t e r a c t i o n l e n g t h s L f r o m a f e w m i l li -

m e t r e s t o s e v e r a l c e n t i m e t r e s , a n d c o n s e q u e n t l y a h i g h

r e s o l u t i o n , c a n b e r e a l i z e d .

( ii i) B e c a u s e t h e T E o - a n d T M o m o d e s a r e o r t h o g o -

na l l y po l a r i zed t he i r phase d i f f e r ence A ~ ) ( t ) i s ea s i l y

m e a s u r e d v e r y a c c u r a t e l y .

( iv ) T h e i n t e r f e r o m e t e r h a s a g o o d s t a b i li t y b e c a u s e

t h e o r t h o g o n a l l y p o l a r i z e d b e a m s p r o p a g a t e o n a c o m -

m o n p a t h f r o m t h e l a s e r t o t h e p h a s e - m e a s u r i n g s e t - up .

T h e d i f f e r e n c e i n t e r f e r o m e t e r c a n a l s o b e c a l l e d a

c o m m o n p a t h o r ' p o l a r i m e t r i c ' i n t e r f e r o m e t e r s i n c e t h e

bas i c e f f ec t , i . e ., t he i nd uce d ph ase d i f f e r ence A ( b( t ), can

b e i n t e r p r e t e d a s a c h a n g e i n p o l a r i z a t i o n o f t h e o u t -

c o u p l e d e l l i p t ic a l l y p o l a r i z e d b e a m . I t s r e s o l u t i o n l i m i t,

expr e s sed i n e f f ec t i ve r e f r ac t i ve - i nde x d i f f e r ences A ~ 7 , i s

A]Vmi n = g 2 / L (12)

w h e r e

g - A~min/27r (13)

F o r a n i n te r a c ti o n le n g th L = 1 7 m m a t th e H e - N e

l a s e r w a v e l e n g t h / i = 6 3 3 n m , w e h a v e A N m in = 2 x 1 0 - s

i f g = 5 x 1 0 4.

I n o u r e x p e r i m e n t s w i t h th e d i f f e r e n c e i n t e r f e r o m e -

t e r , w e used p l an a r S i O 2 T i O 2 w ave gu i d i ng f i lms f i r st

o n g l a s s s u b s t r a t e s , t h e n o n o x i d i z e d s i li c o n w a f e r s

( S i /S i O 2 ) a s s u b s t r a te s ; t h e S iO 2 b u f f e r l a y e r w a s a b o u t

3 .5 l am t h i ck . C ompar ed t o g l a s s , t he S i / S i O 2 subs t r a t e s

h a v e s e v e r a l a d v a n t a g e o u s f e a t u r e s :

( i) H i g h e r p r o c e s s i n g t e m p e r a t u r e s c a n b e u s e d a n d ,

c o n s e q u e n t l y , w a v e g u i d i n g f i l m s o f d i f f e r e n t m i c r o p o -

r o s i t y c a n b e f a b r i c a t e d w i t h t h e s o l g e l p r o c e s s .

W a v e g u i d e s ( A ) f ir e d at a t e m p e r a t u r e o f a b o u t

T ~ 5 0 0 ° C f o r 1 h w e r e m i c r o p o r o u s ; w a v e g u i d e s ( B ) ,

w h i c h a f t e r t h i s f i r s t h e a t t r e a t m e n t w e r e a d d i t i o n a l l y

f ir e d at T ~ 8 5 0 ° C , a r e m o r e c o m p a c t .

( ii) E n d f a c e s o f g o o d o p t i c a l q u a l i t y ( t h r o u g h w h i c h

t h e l i g h t is c o u p l e d i n t o a n d o u t o f t h e w a v e g u i d e ) a r e

o b t a i n e d b y s c r i b i n g a n d c l e a v i n g t h e w a f e r a l o n g a

c r y s t a l p l a n e .

( i i i ) S u b s t r a t e m o d e s a r e h i g h l y a t t e n u a t e d i n t h e

a b s o r b i n g s i l i c o n . ( I n e n d f i r e c o u p l i n g , n o t o n l y t h e

d e s ir e d T E o a n d T M 0 m o d e s b u t a l so u n w a n t e d ' s u b-

s t r a t e m o d e s ' a r e n o r m a l l y e x c i t e d , i . e . , l i g h t i s t r a p p e d

i n t h e s u b s t r a t e b y t o t a l i n t e r n a l r e f l e c t i o n a n d c a n

p r o p a g a t e d o w n t o t h e p h o t o d e t e c t o r s . )

S i n c e S i / S i O 2 s u b s t r a t e s a r e n o t t r a n s p a r e n t , s u c h

w a v e g u i d e s c a n n o t b e u s e d w i t h g r a t i n g c o u p l e r s e n -

s o r s, w h e r e t h e l i g h t is p r e f e r a b l y c o u p l e d i n t o o r o u t o f

t h e w a v e g u i d e t h r o u g h t h e s u b s t r a t e a n d n o t t h r o u g h

t h e s a m p l e .

T h e e s s e n t i a l e l e m e n t i n t h e w o r k i n g m e c h a n i s m o f

t h e d i f f e r e n c e i n t e r f e r o m e t e r is t h a t t h e T E 0 a n d T M 0

m o d e s i n t e r a c t s o m e w h a t d i f fe r e n tl y w i t h t h e ' m e a s u r -

a n d ' , i . e . , w i t h t h e a d s o r b e d o r b o u n d a d l a y e r F ' i n

s e n s o r e f f e c t ( 1 ), w i t h t h e c h a n g e A n t i n r e f r a c t i v e i n d e x

o f t h e l i q u i d s a m p l e C i n s e n s o r e f f e ct ( 2 ), a n d w i t h t h e

c h a n g e A n y o f t h e r e f r a ct i v e i n d e x o f a m i c r o p o r o u s

w a v e g u i d e i n s e n s o r e f f e c t ( 3 ). T h i s l e a d s t o t h e p o l a r -

i z a t i o n d e p e n d e n c e o f t h e s e n s it i v it y c o n s t a n t s g N / ~ d v , ,

~/V/?~dc,

a n d

g / V / ~ r / v

show n i n F i gs . 2 - - 5 .

F i gs . 2 a n d 3 s h o w t h a t b o t h f o r t h e a d s o r p t i o n o f

w a t e r a n d o f p r o te i n s o n t h e w a v e g u i d e s u r f a c e, t h e

m a x i m u m v a l u e o f t h e s e n s i t i v i t y c o n s t a n t ? N / ~ d v , o f

t h e d i f f e r e n c e i n t e r f e r o m e t e r is r e d u c e d b y a f a c t o r o f

0 . 3 5 - 0 . 4 a n d o f a b o u t 0 . 5 , r e s p e c t i v e ly , f o r w a v e g u i d e s

o f ty p e s (a ) a n d ( b ) f r o m t h e m a x i m u m O N/ c~d v , v a l u e s

f o r t h e T E o o r T M 0 m o d e s . T h e m e n t i o n e d f a c t o r s

m e a n a r e d u c t i o n o f th e s e n s i t i v it y o f th e d i f f e r e n c e

i n t er f e ro m e t e r c o m p a r e d t o t ha t o f a M a c h - Z e h n d e r

i n t e r f e r o m e t e r . T h e r e s u l t s s h o w n i n F i g . 4 m e a n t h a t

t h e d i f f e r e n c e i n t e r f e r o m e t e r , i f u s e d a s a r e f r a c t o m e t e r ,

c a n a t t a i n r o u g h l y h a l f th e m a x i m u m s e n si ti v it y o f a


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46

w. Lukosz / Sensors and Actuators B 29 1995) .37-5 I

M a c h - Z e h n d e r i n t e r f e r o m e t e r . T h i s m o d e r a t e r e d u c -

t i o n i n t h e s e n s i ti v it ie s is a m i n o r d i s a d v a n t a g e o f t h e

d i f f e r e n c e i n t e r f e r o m e t e r ; i t c o u l d , h o w e v e r , e a s i ly b e

c o m p e n s a t e d b y a c o r r e s p o n d i n g i n c r e a se o f t h e i n te r -

a c t i o n l e n g t h L .

T h e d i f f e r e n c e i n t e r f e r o m e t e r h a s o n l y a s i n g l e o u t -

p u t s i gn a l , th e p h a s e A ~ )( t) . I t r e s p o n d s b o t h t o a d s o r p -

t i o n o f m o l e c u l e s a n d t o r e f r a c t i v e - i n d e x c h a n g e s A n c

o f a li q u i d s a m p l e , b u t i t s r e s p o n s e c a n o n l y b e u n a m -

b i g u o u s l y i n t e r p r e t e d i f o n e o f t h e t w o s e n s o r e f f e c ts (1 )

o r ( 2 ) i s p r e d o m i n a n t . O n e p o s s i b i l i t y t o d i f f e r e n t i a t e

b e t w e e n t h e t w o e f f e c t s i s t o r e c o r d t h e r e s p o n s e A ~ ( t )

a s a f u n c t i o n o f t i m e t b e g i n n i n g a t t h e t i m e t o w h e n t h e

s a m p l e i s b r o u g h t i n t o c o n t a c t w i t h t h e w a v e g u i d e . T h e

A n c e f f e ct c a n b e p r a c t i c a l l y i n s t a n t a n e o u s , w h i l e t h e

a d s o r p t i o n p r o c e s s , w h i c h i s e i t h e r d i f f u s i o n o r r e a c t i o n

l i m i t e d , t a k e s s o m e t i m e . H o w e v e r , a t h i g h a n a l y t e

c o n c e n t r a t i o n s i t c a n a l s o b e q u i t e f a s t . T h e r e f o r e , i t i s

i m p o r t a n t t h a t i n p r i n c i p l e t h e d i ff e r e n c e i n t e r f e r o m e t e r

c a n b e d e s i g n e d i n s u c h a w a y t h a t i t r e s p o n d s t o o n l y

o n e o f th e t w o e f fe c t s, b u t a t t h e p e n a l t y o f a r e d u c e d

sensi t ivi ty .

F r o m F i g s . 3 a n d 4 w e c o n c l u d e t h a t t h e d i f f e r e n c e

i n t e r f e r o m e t e r m e a s u r e s a d s o r p t i o n o n l y a n d i s i n s en s i -

t i v e t o s m a l l c o v e r i n d e x c h a n g e s A n c i f t h e w a v e g u i d e

h a s a c e r t a i n t h i c k n e s s d v = d v , w h e r e ( S N /

( ?nc ) ] d r - ,q . = 0 . I n t h i s case , t h e s e ns i t i v i t y 8 N / S d v , f o r

p r o t e i n a d s o r p t i o n is s m a l l e r b y a f a c t o r o f a b o u t 0 . 6

t h a n i ts m a x i m u m v a l u e a t th e o p t i m u m w a v e g u i d e

t h i ckness dF ; i t a l so has a d i f f e r en t s i gn . I n

( b i o ) c h e m i c a l s e n s i n g , t h e r e d u c e d s e n s i t i v i t y m a y b e

a c c e p t a b l e , s i n c e A n c c h a n g e s d u e t o t e m p e r a t u r e v a r i a -

t i o n s a n d t o c h a n g e s i n s a m p l e c o m p o s i t i o n c o u l d

o t h e r w i s e l o w e r t h e d e t e c t i o n l i m i t . H o w e v e r , w e h a v e

n o t e x p e r i m e n t a l l y v e r i fi e d th e s e t h e o r e t i c a l p r e d i c t i o n s .

O n t h e o t h e r h a n d , t h e d i f fe r e n c e i n t e r f e r o m e t e r c a n

b e e m p l o y e d a s a d i f f e r e n t ia l r e f r a c t o m e t e r t h a t i s in -

s e n s it i v e t o a s m a l l a d s o r p t i o n o f m o l e c u l e s o n t h e

w a v e g u i d e s u r f a c e i f w a v e g u i d e s o f a c e r t a i n t h i c k n e s s

d r = d r a r e u s e d , w h e r e S N / S d v , ) l d . _ d = O . T h e r e -

f r a c t o m e t e r s e n s i t i v i t y 8 N / S d c i s s m a l l e r b y a f a c t o r o f

a b o u t 0 . 5 t h a n i t s m a x i m u m v a l u e a t a h i g h e r w a v e -

g u i d e t h i c k n e s s.

S u m m a r i z i n g , w e n o t e t h a t i n s e n s i t i v i ty t o o n e o f th e

t w o e f f ec t s ( 1 ) o r ( 2 ) c a n b e o b t a i n e d a t t h e p e n a l t y o f

a r educ t i on i n s ens i t i v i t y f o r t he o t he r e f f ec t .

5 .3 . T w o - b e a m i n t e r J e r o m e t e r s

W e b r i e f ly m e n t i o n t w o - b e a m i n t e r f e ro m e t e r s u s e d

b y o t h e r g r o u p s . H a r t m a n e t a l . [ 2 6 ] d e s c r i b e a n I O

i n t e r fe r o m e t e r , w h e r e in a p l a n a r w a v e g u i d e t w o m o d e s

o f th e s a m e p o l a r i z a t io n b u t o f d i f fe r e n t m o d e n u m b e r s

m ' ¢ m ( w i th m , m ' = 0 , 1 . . . ), e .g ., t h e T E 0 a n d T E~

m o d e s , p r o p a g a t e o n a c o m m o n p a t h a n d i n t e r a c t w i t h

t h e s a m p l e .

M a c h - Z e h n d e r i n t e r f e ro m e t e r s a re w e ll su i te d a s I O

s e n s o r s. I n o n e l e g o f t h e i n t e r f e r o m e t e r , t h e g u i d e d

m o d e i n t e r a c t s o v e r a le n g t h L w i t h t h e s a m p l e , w h e r e

t y p i c a l l y L = 1 0 - 2 0 ra m ; t h e r e s t o f t h e w a v e g u i d e i s

c o v e r e d w i t h a p r o t e c t i v e l a y e r . T h e i n t e r f e r o m e t e r i s

n o r m a l l y u s e d i n o n e p o l a r i z a t i o n , i .e ., w i t h e i t h e r T E o

o r T M 0 m o d e s . T h e i n d u c e d e f f e c ti v e r e f r a c t i v e - in d e x

c h a n g e s A N p r o d u c e p h a s e s h if ts A q ) ( t ) = 2 ~ L /

2 ) A N ( t ) a n d t h e s e , in t u r n , g iv e v a r i a t i o n s o f th e

i n t e n s i t y l t ) = ( L~ /2){1 + co s [ A q) ( t ) + A q) o]} a t t he ou t -

p u t p o r t . M a c h - Z e h n d e r i n t e r fe r o m e t e r s c a n b e r e al -

i zed a s e i t he r hybr i d o r f u l l y I O dev i ces . I n gene r a l ,

f u l l y I O d e v i c e s h a v e h i g h e r s t a b i l i t y ; a d i s a d v a n t a g e i s

t h e h i g h e r f a b r i c a t i o n c o s t s o f t h e s e n s o r c h i p s .

I n ' h y b r i d ' M a c h Z e h n d e r i n t e r f e r o m e t e r s , b e a m

s p l i t t i n g a n d r e c o m b i n a t i o n i s d o n e i n t h r e e d i m e n s i o n s

w i t h c o n v e n t i o n a l o p t i c a l b e a m s p l i t t e r s . T h e w a v e -

g u i d e i s p r e f e r a b l y a p l a n a r w a v e g u i d e ; e n d f i r e c o u p l i n g

c o u l d b e u s e d a s p r o p o s e d i n R e f . [ 5 ] . I n a d i f f e r e n t

v e r s io n o f a h y b r i d M a c h Z e h n d e r , H e i d e m a n e t a l.

[ 27 ] u s e d t w o s u r f a c e r e l i e f g r a t i n g s o n a p l a n a r w a v e -

g u i d e ( s e p a r a t e d b y a n o n - c o r r u g a t e d w a v e g u i d e s e c -

t i o n o f l e n g t h L ) t o c o u p l e l i g h t i n t o a n d o u t o f a n

S i3 N 4 p l a n a r w a v e g u i d e . I n f u l l y I O v e r s i o n s o f t h e

M a c h Z e h n d e r i n t e r f e r o m e t e r , s t r i p w a v e g u i d e s a n d

Y - j u n c t i o n s ( o r 3 d B d i r e c t i o n a l c o u p l e r s ) a r e u s e d a s

b e a m s p l i tt e r s a n d c o m b i n e r s . S u c h i n t e r f e r o m e t e r s f a b -

r i ca t ed i n g l a s s ( by e l ec t r i c - f i e l d - as s i s t ed s i l ve r i nd i f f u -

s i o n ) w e r e u s e d b y F a b r i c i u s e t a l. [ 2 8 ] f o r

r e f r a c t o m e t r y a n d i m m u n o s e n s o r e x p e r im e n t s . T h e s e

g l as s w a v e g u i d e s h a d a g r a d i e n t - i n d e x p r o f i l e w i t h m a x -

i m u m r e f r a c t i v e - in d e x d i f fe r e n c e n ~ . - n s ~ 0 . 1 a n d a

t h i c k n e s s o f a b o u t 1 ~ t m ; c o n s e q u e n t l y , t h e i r s e n s i t iv i t y

c o n s t a n t s 8 N / S d v , a n d ~?N/Snc a r e m u c h l o w e r t h a n f o r

v e r y t h i n h i g h - i n d e x w a v e g u i d e s .

5 .4 . O th er IO sen so rs

B r a g g r e f l e c t o r g r a t in g s , f o r e x a m p l e , r e a l i z e d a s

s u r f a c e r e l i e f g r a t i n g s o f g r a t in g p e r i o d A , c a n b e u s e d

a s I O s e n s o r s . W e d e m o n s t r a t e d t h e b a s i c e f f e ct [ 1, 2]

t h a t e f f e c t iv e r e f r a c t i v e - i n d e x c h a n g e s A N o f t h e m e d i a n

e f f e ct i v e r e f r a c t i v e i n d e x N i n t h e g r a t i n g a r e a l e a d t o

c o r r e s p o n d i n g c h a n g e s A 2 B o f t h e B r a g g w a v e l e n g t h 2 ~ ,

w h e r e

2 N A

= l , ¢ B

(14)

w i t h t h e d i f f r a c ti o n o r d e r l = 1 , 2 . . . . . a n d c o n s e -

q u e n t l y

A N A 2 B

- - - - 1 5 )

N 2B

T h e c h a n g e s i n r e f le c t i v it y R a n d / o r t r a n s m i s s i o n T o f

t h e B r a g g r e f l e c t o r a r e m e a s u r e d a t a f ix e d w a v e l e n g t h

2 ; a l t e r n a t i v e l y , o t h e r r e a d o u t s c h e m e s u s i n g w a v e -

l e n g t h - t u n a b l e ( d i o d e ) l a s e r s a r e p o s s i b l e .


11/14

W. Lukosz / Sensors and Actuators B 29 (1995) 37 5(1 47

I n a ll t y p e s o f s e n s o r s d e s c r i b e d a b o v e , t h e w a v e -

g u i d e w a s s p a t i a l l y h o m o g e n e o u s , i . e . , i t h a d a c o n s t a n t

t h i c k n e s s dv a n d a c o n s t a n t r e f r a c t iv e i n d ex nv, a n d

c o n s e q u e n t l y , a s p a t i a l l y c o n s t a n t e f f e c t iv e r e f r a c t i v e

i n d e x N . W e a l s o a s s u m e d t h a t t h e i n d u c e d e f f e c t i v e

r e f r a c t i v e -i n d e x c h a n g e s A N a r e s p a t i a l l y c o n s t a n t i n

t h e g r a t i n g r e g i o n o f i n p u t o r o u t p u t g r a t i n g c o u p l e r s

a n d o f B r a g g r e f l e c t o rs . I n t h e c a s e o f t h e d i f f e r e n c e a n d

M a c h - Z e h n d e r i n t er f e r om e t e r s , A N d e n o t e s s p a ti a l

m e a n v a l u e s a v e r a g e d o v e r t h e i n t e r a c t i o n l e n g th L .

D i f f e r e n t t y p e s o f s e n s o r s c o u l d , i n p r in c i p l e , e x p l o i t

s p a t i a l v a r i a t i o n s AN(x, y) o f t h e i n d u c e d e f f e c ti v e re -

f r a c t i v e -i n d e x c h a n g e s i n p l a n a r w a v e g u i d e s . F o r e x a m -

p l e , a l i n e a r s p a t i a l v a r i a t i o n o f th e e f f e c t i v e r e f r a c t i v e -

i n d e x c h a n g e i n t h e y - d i r e c t i o n

A N ( y ) = \ ~ 7 3 ' /

l e a d s l o a d e f l e c t io n o f a g u i d e d m o d e i n a p l a n a r

w a v e g u i d e b y t h e a n g l e f l , w h e r e

sin / ) ' = ~ (17)

L b e i n g t h e i n t e r a c t i o n l e n g t h i n t h e x - d i r e c t i o n [ 29 ].

W i t h h i g h - i n d e x m i c r o p o r o u s S i O 2 - T i O 2 w a v e g u i d e s ,

t h i s e f f e c t i s e a s il y d e m o n s t r a t e d : b l o w i n g d r y N 2 g a s

t h r o u g h a n o z z l e s i d e w a y s o n t o t h e w a v e g u i d e s u r f a c e

i n a m b i e n t a i r o f n o r m a l h u m i d i t y , t h e b e a m i s

d e f l e c t e d a w a y b y t h e g a s s t r e a m i n t o a r e g i o n w h e r e

t h e w a v e g u i d e i s l e s s ' d r y ' , i . e . , h a s a h i g h e r e f f e c t i v e

r e f r a c t i v e i n d e x N ( y ) .

A s t e p t o w a r d s s e n s o r s o f h i g h e r c o m p l e x i t y i s t h e

u s e o f w a v e g u i d e s w i t h s p a t i a l ly v a r y i n g t h i c k n e ss d r ,

a n d c o n s e q u e n t l y s p a t i a l l y v a r y i n g e f f e c ti v e r e f r a c t i v e

i n d e x N(x, y). K u n z [ 3 0 ] d e m o n s t r a t e d v a r i o u s s c h e m e s

o f I O s e n s o r s u s i n g s u c h w a v e g u i d e s .

6 R e s u l t s

W e d i s c u s s r e s u l t s o b t a i n e d w i t h o u r i n p u t a n d

o u t p u t g r a t i n g c o u p l e r i n s t r u m e n t s a n d t h e d i ff e r e nc e

i n t e r f e r o m e t e r r a t h e r b r i e f l y , b u t g i v e a c o m p l e t e l i s t o f

r e f e r e n c e s .

6.1. Re tire-h umidit y sensing

N o t o n l y t he i n p u t b u t a l s o t h e o u t p u t g r a t i n g

c o u p l e r s w o r k w e ll a s r e l a t i v e - h u m i d i t y s e n so r s . W e

d e m o n s t r a t e d t h i s b y m o n i t o r i n g t h e s m a l l r e l a t i v e - h u -

m i d i t y v a r i a t i o n s p r o d u c e d b y t h e a i r - c o n d i t io n i n g s y s -

t e m i n o u r l a b o r a t o r y s i m u l t a n e o u s l y w i t h b o t h g r a t i n g

c o u p l e r s a n d a c o n v e n t i o n a l h y g r o m e t e r [ 18 ]. F i g . 1 1

s h o w s h o w v e r y s e n s i t i v e l y t h e d i f f e r e n c e i n t e r f e r o m e t e r

r e s p o n d s t o s m a l l r e l a t i v e - h u m i d i t y c h a n g e s o f a m b i e n t

ai r .

H o w e v e r , w e w i s h t o p o i n t o u t c l e a r l y t h a t w e h a v e

n o t d e v e l o p e d a q u a n t i t a t i v e r e l a t i v e - h u m i d i t y s e n s or .

W e a r e p r e s e n t l y i n v e s t i g a t i n g w h e t h e r t h e f o l l o w i n g

a p p r o a c h m i g h t b e f e a s i b l e : w i t h a P e l t i e r h e a t e r / c o o l e r

i n c o n t a c t w i t h t h e ( S i /S i O 2 ) s u b s t r a t e w e c y c l e th e

w a v e g u i d e ' s t e m p e r a t u r e b e t w e e n a l o w e r v a l u e

T - ~ A T a n d a h i g h e r v a l u e T + ½ A T a b o u t t h e a m b i -

e n t t e m p e r a t u r e T, a n d s t u d y h o w t h e s e n s o r ' s ( a c t u a l l y

a d i f f e r e n c e i n t e r f e r o m e t e r ' s ) r e s p o n s e i s r e l a t e d t o t h e

r e l a t i v e - h u m i d i t y v a l u e .

W e a l s o d e m o n s t r a t e d a d i ff e r e n t v e r s i o n o f a h u -

m i d i t y s e n s o r w i t h t h e d i f f e r e n c e i n t e r f e r o m e t e r [ 2 4 , 3 5 ] .

T h e w a v e g u i d e w a s c o a t e d w i t h a p o r o u s ( e v a p o r a t e d )

S i O 2 a d l a y e r C ' a b o u t 1 l am t h i c k . T h e f il l in g o f t h e

m i c r o p o r e s a n d , c o n s e q u e n t l y , t h e r e f r a c ti v e i n de x n c

o f th e a d l a y e r C ' , d e p e n d o n t h e h u m i d i t y . T h e s e n s o r

a c t u a l l y w o r k s a s a r e f r a c t o m e t e r r e s p o n d i n g t o

c h a n g e s A n t . . T h e m a i n a d v a n t a g e o f us i n g a p o r o u s

a d l a y e r i s t h a t i t a l s o a c t s a s a f i l t e r p r o t e c t i n g t h e

w a v e g u i d e F i t s e l f f r o m d u s t , t h u s p r o l o n g i n g i t s l if e -

t i m e . W e e x p e c t t h a t t h i s p r i n c i p l e c o m b i n e d w i t h

p o r o u s chemoresponsive c o a t i n g s C ' c a n b e s u c c e s s f u l l y

a p p l i e d t o g a s s e n s i n g .

6.2, Refractometrv

W e d e m o n s t r a t e d t h a t t h e o u t p u t g r a t i n g c o u p l e r

w o r k s w e l l a s a r e f r a c t o m e t e r e v e n w i t h s o m e w h a t

m i c r o p o r o u s S i O 2 - T i O 2 w a v e g u i d e s o n g l a ss s u b -

s t r a te s , a l t h o u g h m o r e c o m p a c t w a v e g u i d e s o n s i li c a

s u b s t r a t e s f i r e d a t h i g h e r t e m p e r a t u r e s a r e p r e f e r a b l e .

T h e i n s t r u m e n t w a s t e s t e d w i t h s u c r o s e s o l u t i o n s o f

d i f fe r e n t c o n c e n t r a t i o n s c = 0 . 0 4 - 1 . 0 % a n d w i t h

e t h a n o l m e t h a n o l m i x t u r e s in a c o n t i n u o u s f l ow s y s-

t e m . T h a t a r e s i d ua l m i c r o p o r o s i t y o f t he w a v e g u i d e s i s

i i i , i , i , i , I i

0.0 _~

e~ -0.1

-0.2

~ - 0 . 3

- 0 . 4

- 0 . 5 I i I i ,

I

, I , I , I

. . . . . I

. v .

I I I I I i Ii i i

0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0

tim

minutes )

Fig. 11. Relative-hum idity sensing with a difference interferometer.

The responses of a conventional hygrometer and of the difference

interferometer (phase difference A~ (t)) to periodic small relative-hu-

midity changes of ambient air at room temperature are compared.

Sampling time was At = 1 s (f rom R ef. [23]).


12/14

48

W. Lukosz /Sensors and Actuators B 29 1995) 37-50

1.37

1.36

1.35-

o 1.34-

t

1.33-

1.32-

methanol

U - -

L

methanol

C

ethanol ethanol

6 1 6 o 2 6 3 6 4 6

t ime (see)

F i g . 12. O u t pu t g r a t i ng c oup l e r us e d a s a r e f r a c t om e t e r f o r a l c oho l s .

T he r e f r ac t i ve i nde x nc ( t ) o f t he s a m pl e C vs . t im e t i s de t e r m i ne d f o r

r e pe a t e d e xc ha ng e o f e t ha no l a nd m e t ha n o l ( f r om Re f . [21 ]) .

t o l e r a b l e i s a c o n s e q u e n c e o f t h e f a c t t h a t t h e e f f e c ti v e

r e f r a c t i v e - i n d e x c h a n g e s A N T E o ( t ) a n d A N T M , ) ( t ) o f b o t h

t h e T E 0

a n d

t h e T M 0 m o d e s a r e m e a s u r e d . F r o m t h e se

t w o q u a n t i t i e s t h e r e f r a c t i v e i n d e x n c ( t ) o f t h e s a m p l e i s

d e t e r m i n e d t o g e t h e r w i t h t h e r e f r a c t i v e i n d e x

n v ( t )

o f

t h e w a v e g u i d i n g f i lm F a s a f u n c t i o n o f t i m e t b y

r i g o r o u s s o l u t i o n o f t h e w a v e g u i d i n g e q u a t i o n [ 2 1] .

( T h e c h a n g e i n t h e n v ( t ) v a l u e s i n d i c a t e s a s l o w e x -

c h a n g e o f f l u id in t h e m i c r o p o r e s o f t h e w a v e g u i d e . )

E x p e r i m e n t a l l y a r e s o l u t i o n [ A n c ] m i n = 5 x 1 0 - 5 w a s

a c h ie v e d . A n e x a m p l e o f su c h a m e a s u r e m e n t w i t h t w o

a l coho l s i s show n i n F i g . 12 .

A l s o t h e d i f f e r e n c e i n t e r f e r o m e t e r w a s s u c c e s s fu l l y

u s e d a s a r e f r a c t o m e t e r , e . g . , f o r a q u e o u s s u c r o s e s o l u -

t i o n s w i t h c o m p a c t S iO 2 T i O 2 w a v e g u i d e s o f l o w m i -

c r o p o r o s i t y o n S i / S iO 2 s u b s t r a t e s ( w a v e g u i d e s o f t y p e

( B ) f ir e d a t T ~ 8 0 0 ° C ) [ 2 4] . W i t h a n e x p e r i m e n t a l

r e s o l u t i o n o f AN m m ~ 5 x 1 0 8 a n d t h e c a l c u l a t e d s e n s i-

t iv i ty c o n s t a n t o f ~ N / n c ~ - 0 . 1 ( s ee F i g . 4 ) , f r o m t h e

ntegrated optical chemical and direct biochemical sensors

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