Optimización de biosensores nanofotónicos basados en resonadores de anillo en guías de nitruro de silicio para aplicaciones lab-on-chip

Abstract

[ES] Actualmente, el Instituto Universitario de Tecnología Nanofotónica (NTC) y la spin-off Lumensia Sensors participan en el proyecto europeo SaPher, donde se pretende desarrollar y comercializar una plataforma de sensado lab-on-chip para la detección simultánea de varios alérgenos en matrices alimentarias. El dispositivo incluye sistemas microfluídicos y ópticos que permiten depositar las muestras alimentarias sobre un chip fotónico y detectar la presencia de determinados analitos a partir de modificaciones en las propiedades de la luz. El objetivo del NTC consiste en mejorar las prestaciones del chip fotónico en cuestión, que consta de guías de onda y anillos resonantes en tecnología de nitruro de silicio, cuyo principio de detección se basa en la onda evanescente.

En este Trabajo Fin de Grado se abordan estrategias de optimización del circuito fotónico integrado actual, que funciona en la banda de longitud de onda de 1550 nm, con las guías operadas en el modo TE. Se opta por modificar el diseño de los componentes implicados en el circuito fotónico integrado para lograr el guiado del modo TM en la banda de longitud de onda de 1310 nm. El diseño y la optimización de las estructuras implica el uso de herramientas de simulación numérica, la colaboración en la fabricación en la sala limpia del NTC, así como la caracterización experimental en los laboratorios del NTC. Tras un análisis teórico y experimental, se concluye que la estrategia de optimización seleccionada permite aumentar la sensibilidad y el factor de calidad de los sensores, disminuyendo así el límite de detección.

El mismo circuito fotónico integrado optimizado en este trabajo puede destinarse a otras aplicaciones únicamente modificando la biofuncionalización según el analito diana. Por tanto, los resultados obtenidos repercuten sobre otros ámbitos, además de contribuir al proyecto SaPher y dar paso a la próxima generación de biosensores fotónicos de Lumensia Sensors.

[EN] Currently, the research institute Nanophotonics Technology Center (NTC) and the spin-off Lumensia Sensors participate in the European project SaPher, which aims to develop and commercialise a lab-on-chip biosensing platform for the simultaneous detection of various allergens in food matrices. The device includes microfluidics and optical systems which allow to deposit food samples on a photonic chip and to detect the presence of certain analytes based on changes in the properties of light. The main objective of NTC in the project is to improve the performance of the photonic chip under consideration, which consists of silicon nitride waveguides and ring resonators, and is based on the evanescent field biosensing principle.

In this Bachelor's thesis, potential optimisation strategies are discussed to improve the performance of the current photonics integrated circuit, which works in the 1550 nm wavelength band and supports the TE mode. The chosen strategy is to modify the design of the components included in the photonics integrated circuit to enable the propagation of the TM mode in the 1310 nm wavelength band. The design and optimisation of the structures implies using numerical simulation tools, collaborating in the fabrication process at NTC's clean room, as well as performing experimental characterisations at NTC's laboratories. After a theoretical and experimental analysis, it is concluded that the selected optimisation strategy achieves an increase in the sensitivity and the quality factor of the sensors, thus reducing the limit of detection.

The same photonics integrated circuit optimised in this work can be exploited for other applications by simply modifying the biofunctionalisation depending on the target analyte, hence the results obtained have an impact on other fields besides contributing to SaPher project and leading to Lumensia Sensors' next generation of photonic biosensors.