This thesis presents a theoretical and numerical investigation of silicon-on-insulator trench based passive optical components, bend and splitter, respectively. Compact 90 degree and 105 degree bend and splitter are designed with high index-contrast rib waveguide at wavelength 1550nm and serve as building blocks of splitting network in micro-cantilever biosensing application. The main characteristic of trench based bend and splitter structures is their miniature size and their low radiation loss due to the strong light confinement in high index-contrast systems. Thus large scale, high density optical integrated splitting network becomes possible with the associated advantages of compactness. With FDTD simulation, we show that single-mode trench based bends and splitters exhibit around 16000nm X 16000nm overall size with low loss for different bending angle. Total efficiency is about 92.9% (90 degree bend), 89.3% (105 degree bend), 92% (90 degree splitter) and 84% (90 degree splitter) respectively.

Abstract Integrated optical (IO) sensor allowing sensitive, label-free, real-time and multi-parameter monitoring of bio-molecular interactions are conventionally fabricated with inorganic dielectrics inherited from CMOS manufacturing technology. Polymers as complement materials to inorganic dielectrics are becoming to have an increasing market share for IO circuits in optical communications networks owing to its good optical properties, versatile processibility and low cost. This work aims at developing disposable low-cost biosensors based mainly on polymeric materials, with a performance comparable to inorganic-dielectric based IO biosensors. This thesis describes the development of polymer IO biosensors based on the Young interferometer (YI) transducer platform for ambient noise compensation and a complete periodic intensity fringe pattern. Three different waveguide configurations were utilized, taking into consideration operational simplicity, fabrication simplicity and enhanced sensitivity. Among the developed polymer biosensors, an unconventional interferometer structure: a vertically placed dual-slab waveguide interferometer and an inverted rib waveguide configuration were employed. To enhance the sensitivity of the waveguides, deposition of Ta2O5 high index coating was performed on the rib waveguide configuration. Along with the development of polymer biosensors based on the inverted-rib waveguide configuration, a fabrication process was also developed featuring UV-imprinting and spin coating. The simple two-step fabrication process demonstrated using a polymer mold is potentially transferable to the roll-to-roll manufacture process. Calibration of the developed sensors was performed by homogeneous refractive index (RI) sensing with glucose de-ionized water solutions. By investigating an antibody – antigen binding interaction involving C-reactive protein and its conjugates, this thesis confirmed the applicability of the developed sensors to specific molecule detection. Moreover, to establish the influence of water molecular absorption on measurement stability, an evaluation was carried out on the polymeric waveguide. Finally, the thesis presented a comparison between the developed sensors, exploring their sensitivities, stabilities, limits of detection (LODs) and other aspects related to operation and fabrication. The results indicated that the Ta2O5-coated polymer waveguide sensor had a high sensing capability. In homogeneous RI sensing, the achieved detection limits were 9×10-7 RIU (refractive index unit), i.e., three times the noise level, and 270 fg/mm2 for surface mass density. / Tiivistelmä Integroidulla optiikalla toteutetut anturit mahdollistavat biomolekulaarisen vuorovaikutuksen tutkimisen käyttäen herkkiä moniparametrisia ja merkkiaineettomia menetelmiä. Näiden bioantureiden valmistukseen käytetään tavallisesti CMOS-teknologian piiristä tuttuja epäorgaanisia puolijohteita ja eristemateriaaleja. Viime aikoina on kuitenkin polymeeristen materiaalien käyttöä integroidussa optiikassa tutkittu merkittävästi johtuen polymeerien hyvistä optisista ominaisuuksista, monipuolisesta työstettävyydestä ja edullisista kustannuksista. Tämän työn tarkoituksena on kehittää edullisia, kertakäyttöisiä, pääasiallisesti polymeerisistä materiaaleista valmistettuja bioantureita, jotka vastaavat suorituskyvyltään epäorgaanisista materiaaleista valmistettuja integroidun optiikan antureita. Tässä työssä kehitetyt polymeeriset integroidun optiikan bioanturit perustuvat Youngin interferometriin mahdollistaen ympäristökohinan kompensoinnin ja ne tuottavat pintavuorovaikutusten tutkimiseen jaksoittaisen interferenssikuvion. Työssä hyödynnettiin kolmea erilaista valokanavarakennetta huomioiden niiden käytön helppous, valmistuksen yksinkertaisuus ja mittausherkkyys. Yksi kehitetyistä polymeerisistä bioantureista koostui päällekkäisistä kerrostetuista polymeerikerroksista. Toisen tutkitun rakenteen toiminta puolestaan perustui käänteiseen harjannevalokanavaan. Mittausherkkyyttä parannettiin pinnoittamalla polymeerirakenne Ta2O5-pinnoitteella. Näin muodostui kerrostettu komposiittivalokanava, joka oli tässä työssä tutkittu kolmas sensorirakenne. Itse bioanturien lisäksi kehitettiin myös valmistusprosessi, jossa hyödynnettiin UV-painatusta ja nestefaasipinnoitusta. Tässä työssä havaittiin lisäksi, että kehitetty yksinkertainen valmistusmenetelmä on paitsi toimiva, myös mahdollisesti siirrettävissä rullalta rullalle valmistus- ja tuotantoteknologiaan. Kehitettyjen anturien kalibrointi suoritettiin homogeenisella taitekerroinmittauksella käyttäen liuoksia, jotka valmistettiin glukoosista ja deionisoidusta vedestä. Kehitettyjen anturien soveltuvuus spesifien molekyylien tunnistamista varten todennettiin tutkimalla vasta-aineiden ja antigeenien sitoutumisreaktioita ja vuorovaikutusta C-reaktiivisella proteiinilla ja sen konjugaateilla. Lisäksi työssä tutkittiin veden absorption vaikutusta mittauksen stabiilisuuteen. Tutkimuksessa suoritettiin vertailu kehitettyjen anturien ja niiden ominaisuuksien välillä kiinnittäen huomiota mittausherkkyyteen, stabiilisuuteen, määritys- ja toteamisrajoihin ja muihin anturien valmistukseen sekä käyttöön liittyviin keskeisiin piirteisiin. Tulokset osoittavat, että Ta2O5-pinnoitetun polymeerivalokanavan mittausherkkyys oli suurin vertailluista rakenteista. Homogeenisessä taitekerroinmittauksessa saavutettu määritys- ja toteamisraja oli 9×10-7 taitekerroinyksikköä (RIU). Pintamassatiheysmittauksessa saavuttu tulos oli 270 fg/mm2.