Design and testing of integrated photonic devices for biosensing

This work shows the use of photonics integrated circuits as biochemical sensor in a lab-on-a-chip device, able to detect the presence and the quantity of the target substance. Biochemical sensor are one of the recent applications that photonics started to face as small structure are needed, in the order of micro or nano scale, to detect quantity of target substance in the order of few molecules. In particular with this thesis work, we will contribute to three main aspects of the photonics part for the application. First of all, we present a deep analysis of the cladding trench window that is required to expose the chip waveguides so they can be in contact with biochemical target substance. To do so, we used backscatter analysis to compare working and not-working cladding windows and calculate the losses present. Second aspect is the design of splitters to distribute laser source to all the structures present in the chip. The design is supported by numerical simulation with commercial software and by testing of built structures. By last, we propose and test some techniques to interrogate the chip structures. We developed theoretical and by testing suitable system to reveal biochemical changes on the chip and tracking these changes in time. We will compare the different techniques, taking in consideration the presence of noise and the complexity of each methods.

Questo lavoro di tesi mira a mostrare l’utilizzo di circuiti in ottica integrata come sensori biochimici all’interno di un dispositivo che svolga tutte le funzioni di laboratorio chimico, quindi sia in grado di rilevare la presenza e la quantità di una determinata sostanza. I sensori biochimici sono una delle applicazioni con cui la fotonica integrata ha iniziato a confrontarsi negli ultimi anni, principalmente per la possibilità di realizzare strutture di scala molto ridotta (sull’ordine dei micrometri o nanometri) capaci di rilevare la presenza di sostanze nell’ordine delle poche decine di molecole. Questo lavoro di tesi, in particolare, si focalizza su 3 aspetti principali della parte fotonica del sensore. Il primo aspetto riguarda la presentazione e caratterizzazione della finestra sulla ricopertura di vetro sopra le guide d’onda, necessaria per permettere l’esposizione di tali guide alla sostanza che devono rilevare. Un particolare confronto su questa struttura è stato fatto tramite analisi interferometrica della luce contro-propagante, analizzando sia finestre correttamente fabbricate sia finestre che hanno inciso sulle guide presenti. La seconda parte è dedicata alla progettazione di una biforcazione ottico integrata che permetta di distribuire la luce della singola sorgente laser verso tutte le strutture ottiche presenti nel dispositivo. Questa progettazione è stata effettuata tramite software commerciali, cui è seguito un confronto con i dati sperimentali delle stesse strutture realizzate all’interno di alcuni microchip. L’ultima parte è dedicata all’analisi e sperimentazione di tecniche per l’interrogazione delle strutture atte a rilevare la sostanza biochimica. In particolare, si è puntato a sviluppare la miglior tecnica che permetta di rilevare e tracciare nel tempo i cambiamenti di alcuni parametri delle strutture prese in esame. Saranno confrontate diverse tecniche, considerando inoltre la presenza di rumori esterni e la complessità di ognuna.