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Mémoire de Maîtrise
DOI
https://doi.org/10.11606/D.18.2021.tde-16032021-080651
Document
Auteur
Nom complet
Guilherme Simoneti de Arruda
Unité de l'USP
Domain de Connaissance
Date de Soutenance
Editeur
São Carlos, 2021
Directeur
Jury
Martins, Emiliano Rezende (Président)
Barêa, Luís Alberto Mijam
Francisco, Carlos Alberto de
Titre en anglais
Bloch mode engineering for photonic biosensors
Mots-clés en anglais
photonic biosensors
point-of-care devices
quasi guided mode resonances
subwavelength gratings
waveguides
Resumé en anglais
Point-of-care (PoC) devices are an important technology in the field of medicine, playing a crucial role in healthcare by providing real time and in situ diagnostics, thus being especially suitable for regions with inadequate traditional healthcare and clinical laboratories. Photonic biosensors have advanced this area over the last few years, enabling high sensitivity, miniaturisation and mass production capability. Various configurations of these sensors have been explored, using different types of materials, such as metals and dielectrics. One of the most promising photonic biosensor configurations is the silicon waveguide based on Quasi Guided Mode Resonances (GMR), which uses a simple detection setup, and is compatible with the Silicon on Insulator (SOI) fabrication technology, thus being suitable for mass production, which is crucial for PoC devices. However, their performances are still hindered by lower sensitivities, as compared to other photonic biosensors, such as sensors based on plasmonic resonances and Subwavelength Gratings (SWGs). This dissertation proposes to find design strategies to enhance the performance of GMR sensors, without significant addition of complexity. The first step was to understand the behaviour of the silicon GMRs and SWGs for optimized structures of different geometric complexities, where the less complex is a 2D structure and the most complex is a 3D structure, typically associated with the state-of-the art devices. Using simulations in COMSOL Multiphysics, the relationship between the waveguide's mode confinement and sensing performance was analysed and it was realized that, depending on the light polarization, a less complex structure can achieve a performance close to the state-of-art more complex structures. A design strategy to take advantage of the high sensitivity of the SWG and simplicity of the GMR is presented. The strategy essentially perturbs the SWG period to allow coupling of guided modes with radiation modes, which greatly simplify the system, while exhibiting resonances with arbitrarily large quality factors (only limited by fabrication imperfections). The sensing performances of these new perturbed SWGs were analysed and their tolerance to fabrication deviation was estimated.
Titre en portugais
Engenharia de modos Bloch para biosensores fotônicos
Mots-clés en portugais
quasi guided mode resonances
biosensores fotônicos
dispositivos de uso local
guias de onda
redes de difração sub-comprimento de onda
Resumé en portugais
Dispositivos de uso local (PoC) constituem uma tecnologia importante para a medicina, apresentando um papel crucial na área de saúde, uma vez que propocionam diagnóstico em tempo real e in situ, sendo assim especialmente indicados para regiões com sistemas de saúde e laboratórios clínicos precários. Biosensores fotônicos contribuíram para o avanço dessa tecnologia nos últimos anos, permitindo altas sensibilidades e potencial para miniaturização e produção em massa. Diversas configurações desse tipo de sensor foram estudadas, feitas de diferentes materiais, tais como metais e dielétricos. Uma das configurações mais promissoras é a do guia de onda de silício baseada em Quasi Guided Mode Resonances - GMRs, que apresenta um sistema de detecção simples, além de ser compatível com a tecnologia de fabricação Silício-sobre-Isolador ((SOI)), a qual é compatível com produção em massa, condição crítica para os dispositivos PoC. Entretanto, suas performances são limitadas por baixas sensibilidades, quando comparadas a outros bionsensores fotônicos, como os feitos com metais e até mesmo os de mesmo material, porém de diferentes configurações, tal qual é o caso das redes de difração sub-comprimento de onda (Subwavelength Gratings - SWGs). Esta dissertação procura por novas estratégias de engenharia do sensor GMR com o propósito de melhorar a sua performance. O primeiro passo é entender o comportamento das estruturas GMRs e SWGs de silício com diferentes complexidades geométricas, sendo a de menor complexidade uma estrutura 2D e a mais complexa 3D, tipicamente associada com os dispositivos do estado-da-arte. Usando simulações no COMSOL Multiphysics, a relação entre o confinamento do modo do guia de onda e sua capacidade de sensoriamento foi averiguada e foi visto que, dependendo da polarização da luz, uma estrutura menos complexa pode sim atingir uma performance próxima daquela reportada para estruturas mais complexas do estado-da-arte. Uma estratégia de engenharia é implementada para combinar a alta sensibilidade das SWGs com a simplicidade das GMRs. Ela consiste essencialmente em perturbar o período de uma SWG para permitir o acoplamento de modos guiados com modos radiantes, simplificando, assim, o sistema de sensoriamento dessas estruturas, enquanto mantém ressonâncias com fatores de qualidade arbitrariamente altos (teoricamente limitados por imperfeições do processo de fabricação). A performance de sensoriamento dessas novas SWGs perturbadas foi analisada e sua tolerância a erros no processo de fabricação foi estimada.
 
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Date de Publication
2021-06-15
 
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