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

Abstract

Τις τελευταίες δύο δεκαετίες, έχουμε παρατηρήσει μια αξιοσημείωτη πρόοδο στην ανάπτυξη συσκευών βιο-φωτονικών αισθητήρων και την εφαρμογή τους σε τομείς όπως η παρακολούθηση του περιβάλλοντος, η βιοτεχνολογία, η ιατρική διαγνωστική, ο έλεγχος φαρμάκων, ο έλεγχος ποιότητας των τροφίμων και η γενικότερη ασφάλεια. Η τεχνολογία των οπτικών βιο-αισθητήρων έχει φτάσει σε μεγάλο βαθμό ωριμότητας και πολλά εμπορικά προϊόντα κυκλοφορούν στην αγορά. Ωστόσο, προβλήματα σταθερότητας, ευαισθησίας και μεγέθους έχουν αποτρέψει τη γενική χρήση οπτικών βιο-αισθητήρων για εφαρμογές στο πραγματικό πεδίο δράσης. Ολοκληρωμένοι φωτονικοί βιο-αισθητήρες που βασίζονται στην τεχνολογία πυριτίου θα μπορούσαν να λύσουν τέτοια μειονεκτήματα, προσφέροντας εργαλεία πρώιμης διάγνωσης με καλύτερη ευαισθησία, επιλεκτικότητα και αξιοπιστία, τα οποία θα μπορούσαν να βελτιώσουν την αποτελεσματικότητα των in-vivo και in-vitro διαγνωστικών διεργασιών. Σε αυτή τη διατριβή, παρουσιάζεται η ανάπτυξη του φωτονικού αισθητήρα ανίχνευσης της αλλαγής του δείκτη διάθλασης του δείγματος, υπό το πρίσμα κυρίως του σχεδιασμού φωτονικών δομών με σκοπό την επιπλέον σμίκρυνσή του αξιοποιώντας την υβριδική ολοκλήρωση του φωτονικού αισθητήρα, την ανάπτυξη του αλγορίθμου για την επεξεργασία των δεδομένων με σκοπό να οδηγήσει σε αυξημένη ευαισθησία, βελτίωση του ορίου ανίχνευσης καθώς και την παρουσίαση των απαραίτητων ηλεκτρονικών ελέγχου του αισθητήρα. Αρχικά, στο κεφάλαιο 1, παρουσιάζεται η τελευταία λέξη της τεχνολογίας των αισθητήρων σε διάφορες ανταγωνιστικές πλατφόρμες. Περιγράφεται εν συντομία η εξέλιξη και η δυνατότητα των ολοκληρωμένων φωτονικών αισθητήρων (lab-on-a-chip) όσον αφορά την ευαισθησία και το μέγεθος. Αναλυτικότερα, παρουσιάζεται η φωτονική πλατφόρμα κυματοδηγού στην οποία έχουν σχεδιαστεί οι παθητικές φωτονικές δομές, καθώς και η αρχή λειτουργίας του αισθητήρα ανίχνευσης αλλαγής του δείκτη διάθλασης. Στο κεφάλαιο 2, έχουν περιγραφεί τρεις διαφορετικές μέθοδοι προσομοίωσης. Κάθε μία από αυτές χρησιμοποιείται σε ένα διαφορετικό στάδιο του σχεδιασμού των φωτονικών δομών. Επιπλέον, παρουσιάζονται τα σχέδια τριών κύριων τύπων φωτονικών δομών, που αποσκοπούν στην περαιτέρω μείωση των διαστάσεων του φωτονικού αισθητήρα μέσω της υβριδικής ολοκλήρωσης που θα μπορούσαν να προσφέρουν. Αναλυτικότερα, περιγράφονται τρεις μονολιθικές φωτονικές δομές, οι οποίες είναι το κλειδί για την αποτελεσματικότερη μείωση προϋπολογισμού ισχύος και τη βελτίωση της λειτουργίας του οπτικού κυκλώματος. Το πρώτο είδος δομών είναι οι συζεύκτες πολλών ρυθμών (MMIs) που είναι υπεύθυνοι για την ακριβή αναπαραγωγή πολλαπλών απεικονίσεων του φωτός εισόδου τους, από τη συγκεκριμένη πηγή φωτός που χρησιμοποιούμε (VCSEL), σε 8 όμοιες εικόνες ώστε να τροφοδοτούν τα ενσωματωμένα στο ολοκληρωμένο τσιπ συμβολόμετρα, με συνολικές απώλειες και ανισορροπία ισχύος στους κυματοδηγούς εξόδου τους, μικρότερη από 0.5 dB. Το δεύτερο είδος δομών είναι ο ζεύκτης φράγματος περίθλασης (grating coupler) που είναι υπεύθυνος για την κατακόρυφη σύζευξη φωτός από το VCSEL προς τον κυματοδηγό TriPleX, με συντελεστή ζεύξης σχεδόν 30%. Το τρίτο είδος δομής είναι ένας περιστροφικός πολωτής που επιτρέπει την περιστροφή της κάθετης συμμετρίας κυματοδηγού και έτσι, οδηγεί σε έμμεση χωρική περιστροφή του άξονα διάδοσης προκαλώντας την διέγερση δύο υβριδικών ρυθμών, υποστηρίζοντας τόσο την πόλωση ΤΕ όσο και ΤΜ. Αυτές οι φωτονικές δομές παρέχουν πραγματική προοπτική για έναν πιο συμπαγή και μικρών διαστάσεων αισθητήρα. Στο κεφάλαιο 3, παρουσιάζεται η μέθοδος που αναπτύχθηκε για την επεξεργασία των πειραματικών δεδομένων και τον υπολογισμό της μετατόπισης του μήκους κύματος συντονισμού, η οποία βασίζεται στη γνωστή πλέον Fourier Transform (FT) θεωρία. Για πρώτη φορά, η μέθοδος Fast Fourier Transform (FFT) που βασίζεται στην ομώνυμη θεωρία, μελετάται ως εναλλακτική της μεθόδου αναζήτησης τοπικού μεγίστου (peak-search method) για βιο-φωτονικά συστήματα υψηλής απόδοσης, βασισμένα σε κοιλότητες συντονισμού και λέιζερ με δυνατότητα σάρωσης του μήκους κύματος λειτουργίας τους. Παρουσιάζεται ένα εκτεταμένο σύνολο αριθμητικών μελετών που συγκρίνουν τις δύο μεθόδους, με ένα βελτιωμένο μοντέλο θορύβου σε σύγκριση με και αποδεικνύεται ότι η FFT μέθοδος που αναπτύχθηκε στα πλαίσια αυτής της διατριβής και βασίζεται στη FT θεωρία, μπορεί να βελτιώσει την ανάλυση και το όριο ανίχνευσης του συστήματος κατά 2-3 τάξεις μεγέθους. Αποδεικνύεται επίσης ότι για πρακτικά βήματα σάρωσης και ρεαλιστικά επίπεδα απώλειας εντός της κοιλότητας, οι τιμές συντελεστή ποιότητας των κοιλοτήτων συντονισμού Q-factor περίπου 104 μπορούν να μεγιστοποιήσουν την απόδοση με ανάλυση κοντά στο 0.01 pm και όριο ανίχνευσης κοντά στα 10-7 nm/RIU. Προκειμένου να επεκταθεί η συγκριτική αξιολόγηση της μεθόδου FFT, συγκρίνεται επίσης με μια πιο εξελιγμένη και μικρότερης κατανάλωσης πόρων παραλλαγή της μεθόδου αναζήτησης τοπικού μεγίστου, η οποία χρησιμοποιείται ευρέως σε πρακτικά συστήματα και βασίζεται στην προσαρμογή Lorentzian. Μέσω αυτής της σύγκρισης, διαπιστώνεται ότι η μέθοδος FFT εξακολουθεί να έχει ένα σημαντικό πλεονέκτημα, καθώς μπορεί να επιτύχει το ίδιο επίπεδο ακρίβειας στην εκτίμηση της μετατόπισης του μήκους κύματος συντονισμού χρησιμοποιώντας ένα βήμα σάρωσης που είναι σχεδόν 270 φορές μεγαλύτερο από το απαραίτητο βήμα στην περίπτωση της μεθόδου που βασίζεται στην προσαρμογή Lorentzian. Στο κεφάλαιο 4, παρουσιάζεται η γενική αρχιτεκτονική της ηλεκτρονικής πλατφόρμας που ελέγχει τα μεμονωμένα μέρη του συστήματος του αισθητήρα. Αυτή η αρχιτεκτονική είναι δύο επιπέδων. Στο πρώτο επίπεδο έχει στις υπομονάδες για τον έλεγχο της εσωτερικής μονάδας προ-επεξεργασίας του δείγματος, τον έλεγχο των μικροροϊκών δομών στο μικροροϊκό τσιπ, τον έλεγχο των οπτο-ηλεκτρονικών εξαρτημάτων στην οπτο-ηλεκτρονική πλατφόρμα και τη συλλογή, οργάνωση και περαιτέρω μετάδοση των ακατέργαστων αποτελεσμάτων. Στο ανώτερο επίπεδο της αρχιτεκτονικής, υπάρχει ο μικροελεγκτής που ενορχηστρώνει και συγχρονίζει τις μεμονωμένες ηλεκτρονικές πλακέτες διασφαλίζοντας τη σωστή λειτουργία και αλληλεπίδραση μεταξύ τους. Στο δεύτερο μέρος αυτού του κεφαλαίου παρουσιάζονται πειραματικά αποτελέσματα, τα οποία βρίσκονται σε τέλεια ευθυγράμμιση και συμφωνούν με τις τάσεις των αριθμητικών μελετών που έχουν παρουσιαστεί στο κεφάλαιο 3. Επιπλέον, παρουσιάζονται πειράματα με πραγματικά δείγματα, χρησιμοποιώντας βιο-τροποποιημένους μικροδακτυλίους συντονισμού (MRR) 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. Στο τελευταίο κεφάλαιο αυτής της διατριβής, συγκεντρώνονται και παρουσιάζονται ορισμένα γενικά και ενδιαφέροντα συμπεράσματα και τέλος, αναφέρονται μερικές ιδέες για μελλοντική εργασία με βάση τα μοντέλα και τα αποτελέσματα αυτής.