Design and realization of photonic structures and control for interferometric hybridly integrated sensors

Abstract

In the last two decades, we have witnessed a remarkable progress in the development of biophotonic sensor devices and their application in areas such as environmental monitoring, biotechnology, medical diagnostics, drug screening, food safety, and security, among others. The technology of optical biosensors has reached a high degree of maturity and several commercial products are on the market. But problems of stability, sensitivity, and size have prevented the general use of optical biosensors for real field applications. Integrated photonic biosensors based on silicon technology could solve such drawbacks, offering early diagnostic tools with better sensitivity, specificity, and reliability, which could improve the effectiveness of in-vivo and in-vitro diagnostics.In this thesis, the development of the refractive index photonic sensor will be shown, mainly related to the design photonic structures towards to miniaturization by the hybrid integration of the photonic sensor, the development of the algorithm for processing the data which will lead to enhanced sensitivity and limit of detection and the requisite control electronics. Firstly, in chapter 1, the state-of-the-art of the sensors in different competitive platforms is presented. The advancement and the potential of the integrated lab-on-a-chip photonic sensors in terms of sensitivity and compactness is briefly described. In more detail, the waveguide photonic platform on which the passive photonic structures have been designed as well as the principle of operation of the refractive index sensor is presented.In chapter 2, three different simulation methods have been described. Each one of them is being used for a different stage of the photonic component design. Moreover, the designs of three main structures are presented, which are intended to increase the compactness of the photonic sensor through the hybrid integration that could offer. In more detail, three monolithic structures are described, which are the keys for the effectiveness of the power budget and the proper operation of the optical circuit. The first kind of structures is the multimode interference couplers (MMIs) which is responsible for accurately splitting the light from the single VCSEL into 8 equal parts that feed the on-chip integrated interferometers with insertion loss and power imbalance lower than 0.5 dB. The second kind of structures is the grating coupler which is responsible for the vertical coupling of light from the flip-chip bonded VCSEL into the TriPleX waveguide, having coupling efficiency almost 30%. The third kind of structure is a polarization rotator which enables the rotation of the perpendicular waveguide symmetry and thus, leads to indirect spatial rotation of the propagation axis causing the excitation of two hybrid modes, supporting both TE and TM polarization. These photonic structures provide true potential for sensor compactness and miniaturization.In chapter 3, a method for the processing of the measurement data and the calculation of the resonance shift based on the well-known Fast Fourier Transform (FFT) is presented. For the first time the FFT-based method is being studied as an alternative to the peak-search method for high performance lab-on-a-chip bio-photonic systems, based on resonant cavities and wavelength scanning lasers. An extensive set of numerical studies comparing the two methods is presented, under an improved noise model, and is demonstrated that the FFT method can improve the resolution and the detection limit of the system by 2-3 order of magnitude. It is also shown that for practical scanning steps and realistic levels of loss inside the cavity, Q-factor values around 104 can maximize the performance with resolution close to 0.01 pm and detection limit close to 10e-7 nm/RIU. In order to extend the benchmarking of the FFT method, it is also compared against a more sophisticated and resource consuming peak-search variant, which is widely used in practical systems and is based on Lorentzian fitting. Through this comparison, it is found that the FFT method has still a major advantage, as it can achieve the same level of accuracy in the estimation of the resonance shift using a scanning step that is almost 270 times larger than the necessary step in the Lorentzian fitting process.In chapter 4, the general architecture of the electronic platform that controls the individual parts of the sensor system is presented. This 2-layer architecture has at the lower layer subunits for the control of the internal pretreatment unit, the control of the microfluidic structures on the microfluidic chip, the control of the optoelectronic components on the optoelectronic platform and the collection, organization and further transmission of the raw results. At the upper layer of the architecture, there is the microcontroller that orchestrates and synchronizes the individual electronic boards ensuring their proper operation and interaction. In the second part of this chapter, experimental results are presented, which are in a perfect alignment and agreement with the trends of the numerical studies that have been presented in chapter 3. Moreover, experiments with real samples are presented, using biomodified sensing MRRs and having as target the detection and capture the specific binding of the mycotoxin OTA and copper target molecules to the aptamers targeting OTA and copper, respectively as well as the effect of the MgCl2 presence on the molecules binding.In the last chapter of this thesis, some general and interesting conclusions are drawn and presented and finally, some ideas for future work based on the models and the results of this thesis are mentioned.

Τις τελευταίες δύο δεκαετίες, έχει παρατηρηθεί αξιοσημείωτη πρόοδος στην ανάπτυξη συσκευών φωτονικών αισθητήρων με εφαρμογή σε τομείς όπως η παρακολούθηση του περιβάλλοντοςη βιοτεχνολογία, η ιατρική διαγνωστική, ο έλεγχος φαρμάκων και ο έλεγχος ποιότητας των τροφίμων. Παρότι η τεχνολογία των φωτονικών αισθητήρων έχει ωριμάσει, τόσο σε ερευνητικό όσο και σε εμπορικό επίπεδο, παρατηρούνται προβλήματα σταθερότητας, ευαισθησίας και μεγέθους τα οποία έχουν αποτρέψει τη γενική χρήση τους για εφαρμογές στο πραγματικό πεδίο δράσης. Σε αυτή τη διατριβή, παρουσιάζεται η ανάπτυξη ενός φωτονικού αισθητήρα ανίχνευσης της αλλαγής του δείκτη διάθλασης του δείγματος, ο οποίος προσφέρει λύσεις σε αυτά τα μειονεκτήματα. Τα κύρια μέρη αυτού του αισθητήρα είναι οι φωτονικές δομές που έχουν σκοπό την επιπλέον συμπάγειά του μέσω της υβριδικής ολοκλήρωσης που προσφέρουν, ο αλγόριθμος για την επεξεργασία των δεδομένων, στοχεύοντας την αυξημένη ευαισθησία και τη βελτίωση του ορίου ανίχνευσης καθώς και οι ηλεκτρονικές διατάξεις ελέγχου του. Στο πρώτο κεφάλαιο της διατριβής, παρουσιάζεται η αρχή λειτουργίας του αισθητήρα ανίχνευσης αλλαγής του δείκτη διάθλασης και η τοποθέτησή του στο φάσμα των φωτονικών αισθητήρων, ως προς την ευαισθησία και το μέγεθός του. Στο δεύτερο κεφάλαιο, περιγράφονται οι φωτονικές δομές που σχεδιάστηκαν και μελετήθηκαν στα πλαίσια της παρούσας διατριβής. Χρησιμοποιώντας την κατάλληλη μέθοδο προσομοίωσης στα αντίστοιχα στάδια σχεδιασμού, περιγράφονται αναλυτικά οι τρεις φωτονικές δομές οι οποίες είναι το κλειδί προς την υβριδική ολοκλήρωση του αισθητήρα. Το πρώτο είδος φωτονικών δομών είναι οι συζεύκτες πολλών ρυθμών (Multimode Interference couplers – MMIs) οι οποίοι είναι υπεύθυνοι για τον ακριβή και ισόποσο διαχωρισμό της οπτικής ισχύος ώστε να τροφοδοτούνται οι μικροδακτύλιοι συντονισμού που δρουν ως το αισθητήριο στοιχείο. Έπειτα από τον εργαστηριακό τους χαρακτηρισμό, διαπιστώθηκαν δομές με επιδόσεις ανισορροπίας ισχύος μεταξύ των κυματοδηγών εξόδου και απώλειας ισχύος, 0.08 dB και 0.6 dB αντίστοιχα, που επιτυγχάνουν τους στόχους που αρχικά είχαν τεθεί. Το δεύτερο είδος φωτονικών δομών, είναι οι συζεύκτες φράγματος περίθλασης με στόχο την ανακατεύθυνση του φωτός από την πηγή (VCSEL) προς το φωτονικό chip και από το φωτονικό chip προς τις φωτοδιόδους αντίστοιχα. Έχοντας ως προαπαιτούμενο την ευκολία κατασκευής τους, σχεδιάστηκαν fully-etched δομές με συντελεστή σύζευξης 54%, καθιστώντας τις χρήσιμο εργαλείο στη βιβλιοθήκη κατασκευαστών φωτονικών chips. Το τρίτο είδος φωτονικών δομών είναι ο περιστροφικός πολωτής, ο οποίος σε επίπεδο προσομοίωσης πληρούσε τις προδιαγραφές με στόχο τη μερική περιστροφή του κυματοδηγούμενου ΤΕ ρυθμού σε ΤΜ, ο οποίος θα μπορούσε να οδηγήσει σε αύξηση της ευαισθησίας του συστήματος λόγω του μεγαλύτερου βάθους εισχώρησής του στο δείγμα προς εξέταση. Στο τρίτο κεφάλαιο, περιγράφεται ο αλγόριθμος που αναπτύχθηκε για την επεξεργασία των πειραματικών δεδομένων για τον υπολογισμό της μετατόπισης του μήκους κύματος συντονισμού, ο οποίος βασίζεται στη θεωρία Fourier Transform. Μέσω ενός εκτεταμένου συνόλου αριθμητικών μελετών, περιγράφεται η σύγκριση του αλγορίθμου που έχει ως πυρήνα υπολογισμού τού διακριτού μετασχηματισμού Fourier της συνάρτησης μεταφοράς των MRRs, την FFT μέθοδο, με αυτήν της αναζήτησης τοπικού μεγίστου (Peak search method) και με την μέθοδο Lorentzian προσαρμογής καθώς και η ανεκτικότητά του στα ποικίλα είδη θορύβου. Στην πρώτη περίπτωση, αποδείχθηκε πως για πρακτικά βήματα σάρωσης και ρεαλιστικά επίπεδα απώλειας εντός της MRR κοιλότητας, η FFT μέθοδος βελτιώνει την ανάλυση (0.01 pm) και το όριο ανίχνευσης (~10e-7 nm/RIU) του συστήματος κατά 2-3 τάξεις μεγέθους. Στην περίπτωση σύγκρισης της FFT μεθόδου με αυτή της Lorentzian προσαρμογής, αποδείχθηκε πως μπορούν να επιτευχθούν ίδια επίπεδα ακρίβειας του αισθητήρα, χρησιμοποιώντας όμως μέχρι και 270 μεγαλύτερο βήμα σάρωσης, κάτι που οδηγεί στην δυνατότητα χρήσης ακόμη πιο φθηνών στοιχείων, μειώνοντας έτσι το συνολικό κόστος του αισθητήρα. Χρησιμοποιώντας λοιπόν τον αλγόριθμο που αναπτύχθηκε στα πλαίσια της διατριβής, επιτυγχάνουμε αποτελέσματα ανάλυσης και ορίου ανίχνευσης των φωτονικών αισθητήρων όμοια με αυτά έπειτα από τη χρήση των κοινών μεθόδων αναζήτησης τοπικού μεγίστου και Lorentzian προσαρμογής, χρησιμοποιώντας όμως είτε πολύ μεγαλύτερα βήματα σάρωσης της πηγής, είτε πιο ευρεία οπτικά φίλτρα, μειώνοντας έτσι χαρακτηριστικά το κόστος κατασκευής του . Στο τέταρτο κεφάλαιο της διατριβής, παρουσιάζεται η δύο επιπέδων αρχιτεκτονική της ηλεκτρονικής πλατφόρμας που ελέγχει τα μεμονωμένα μέρη του αισθητήρα. Επίσης, παρουσιάζονται πειράματα επαλήθευσης των θεωρητικών αποτελεσμάτων των αριθμητικών μελετών του 3ου κεφαλαίου, οδηγώντας σε πειραματική επαλήθευση της ευαισθησίας των MRRs κοντά στα 93.7 nm/RIU, ανάλυση του αισθητήρα 0.08 pm για βήμα σάρωσης 0.5 pm, και όριο ανίχνευσης 8.5·10e-7 RIU. Τέλος, παρουσιάζονται πειράματα με τη χρήση πραγματικών δειγμάτων χρησιμοποιώντας βιο-τροποποιημένους μικροδακτυλίους συντονισμού και έχοντας ως στόχο την ανίχνευση και τη δέσμευση των μορίων μυκοτοξίνης OTA και χαλκού στα αντίστοιχα απταμερή, καθώς και την επίδραση της παρουσίας MgCl2 στη διαδικασία μέτρησης.