Nanophotonic waveguide enhanced Raman spectroscopy for sensitive molecular fingerprinting

Raman spectroscopy has a huge potential in material and bio-chemical science. Waveguide enhanced Raman spectroscopy (WERS) is a promising technique that can further solve the current limitations of Raman spectroscopy. It combines Raman spectroscopy and it replace the expensive objectives with a chip of a 1 mm2 size produced with CMOS technology. At the same time, it can increase the signal collected, as compared with free-beam space collection. Up to now, WERS performances are limited by the background signal and losses. In this work, the background Raman signal, strip waveguide (WG) width and other relevant parameters that affects WERS performances are studied. The WERS performances has been evaluated in terms of signal to background ratio (SBR). The first challenge was the creation of a set-up and coupling procedure for reliable testing of the chip combined with the creation of almost automated data elaboration script. Within this environment it has been performed accurate studies of the background signal. Modelling the background can open the possibility of artificial background removal for bulk sensing that can further decrease the detection limit. The second part of the study has been mainly developed on the evaluation of the influence of strip WG width on the WERS performance. It has been developed a model to predict the trend of SBR as varying the strip WG width. Similar trend between model and experiments has been found showing that for the current design the best WG width is 0.6 μm in TM mode. In the end a review of all the possible solutions for improving the current design has been proposed for next generation devices.

La spettroscopia Raman ha un enorme potenziale nella scienza dei materiali e biochimica. La spettroscopia Raman potenziata da guida di luce (WERS) è una tecnica promettente che può risolvere le attuali limitazioni della spettroscopia Raman. WERS sostituisce i costosi microscopi con chip da 1 mm2 prodotti con tecnologia CMOS. Inoltre, può aumentare l’intensità del segnale. Al momento WERS è limitato dalla presenza del segnale di fondo proveniente dal nucleo della linea guida e dalle perdite di potenza. In questo lavoro vengono studiati il segnale Raman di fondo, la larghezza della guida d’onda di luce (WG) per una striscia in nitruro di silicio e altri parametri rilevanti che influenzano le prestazioni WERS. Queste ultime sono state valutate in termini di rapporto segnale/fondo (SBR). La prima sfida è stata la creazione di un adeguato set-up sperimentale ed una procedura di accoppiamento della luce laser nel chip. Inoltre, è stato creato un programma che permetta la veloce elaborazione dei dati attraverso una procedura quasi automatica. Con lo sviluppo di questi strumenti sono stati eseguiti studi accurati del segnale di fondo. La modellazione di questo può aprire la possibilità di rimozione artificiale del segnale di fondo che può ridurre ulteriormente il limite di rilevamento. La seconda parte dello studio è stata principalmente incentrata sulla valutazione dell'influenza della larghezza della striscia WG sulle prestazioni del WERS. È stato sviluppato un modello per prevedere l'andamento del SBR al variare della larghezza della WG. Si è trovato un andamento simile tra modello e dati sperimentali che dimostrano che per l’attuale chip la migliore larghezza per la striscia di WG è 0,6 μm (per il modoTM00). Infine, possibili strategie per migliorare il design attuale sono state proposte a fronte di successivi dati sperimentali che ne esaltavano le sue limitazioni.