Design and Characterization of Suspended and Substrate-Based Silicon Photonic Cavity Biosensor

Abstract

[ES] Una cavidad fotónica es una estructura que confina y controla la luz, permitiendo obtener resonancias a frecuencias específicas. Entre las diferentes formas de crear una cavidad fotónica, se destacan las cavidades de cristal fotónico, que se obtienen generando un patrón periódico de índices de refracción en los materiales que componen la cavidad. Al introducir un defecto en este patrón periódico, se logra confinar localmente la luz, obteniendo una resonancia óptica a una frecuencia determinada. Si se deposita sobre esta cavidad algún material, partícula o analito que altere las propiedades del medio, dicha resonancia cambiará, resultando en un sensor de alta precisión y sensibilidad de forma integrada. En este Trabajo Fin de Grado se abordan estrategias para el desarrollo de biosensores basados en cavidades de cristales fotónicos de silicio, tanto suspendidas como sobre sustrato. El diseño y la optimización de estas estructuras implican el uso de herramientas de simulación numérica basadas en elementos finitos, la colaboración en la fabricación en la sala limpia del Nanophotonics Technology Center (NTC) de la Universidad Politécnica de Valencia, así como la caracterización experimental en los laboratorios del NTC. En este trabajo se han diseñado y fabricado diversas estructuras, desde la etapa de diseño hasta su implementación en el laboratorio, con el objetivo de utilizarlas como biosensores.

[EN] A photonic cavity is a structure that confines and controls light, allowing for resonances at specific frequencies. Among the different ways to create a photonic cavity, photonic crystal cavities stand out, which are obtained by generating a periodic pattern of refractive indices in the materials composing the cavity. Introducing a defect in this periodic pattern locally confines light, resulting in an optical resonance at a specific frequency. If a material, particle, or analyte is deposited onto this cavity and alters the properties of the medium, the resonance will change, resulting in a highly integrated sensor with high precision and sensitivity. In this Final Degree Project, strategies for developing biosensors based on silicon photonic crystal cavities, both suspended and on substrate, are addressed. The design and optimization of these structures involve the use of numerical simulation tools based on finite elements, collaboration in fabrication in the cleanroom of the Nanophotonics Technology Center (NTC) at the Polytechnic University of Valencia, as well as experimental characterization in the NTC laboratories. Several structures have been designed and fabricated in this work, from the design stage to their implementation in the laboratory, with the aim of using them as biosensors.