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

Γουναρίδης, Ελευθέριος; Gounaridis, Lefteris

dc.contributor.author	Γουναρίδης, Ελευθέριος	el
dc.contributor.author	Gounaridis, Lefteris
dc.date.accessioned	2022-02-16T07:36:20Z
dc.date.available	2022-02-16T07:36:20Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/54720
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.22418
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-nd/3.0/gr/	*
dc.subject	Photonic sensors	en
dc.subject	Hybrid integration	en
dc.subject	Refractive index	en
dc.subject	Multi‐mode interference couplers	en
dc.subject	Grating couplers	en
dc.subject	Polarization rotator	en
dc.subject	Micro‐ring resonators	en
dc.subject	Fast Fourier Transform	en
dc.subject	SiN (TriPleX) platform	en
dc.subject	Photonic integrated circuits	en
dc.title	Design and realization of photonic structures and control for interferometric hybridly integrated sensors	en
dc.contributor.department	Τομέας Συστημάτων Μετάδοσης Πληροφορίας Και Τεχνολογίας - Εργαστήριο Φωτονικών Επικοινωνιών	el
heal.type	doctoralThesis
heal.classification	Φωτονική τεχνολογία	el
heal.language	en
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2021-05-14
heal.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.	el
heal.abstract	In the last two decades, we have witnessed a remarkable progress in the development of biophotonic sensor devices and their application in areas such as environmental monitoring, biotechnology, medical diagnostics, drug screening, food safety, and security, among others. The technology of optical biosensors has reached a high degree of maturity and several commercial products are on the market. But problems of stability, sensitivity, and size have prevented the general use of optical biosensors for real field applications. Integrated photonic biosensors based on silicon technology could solve such drawbacks, offering early diagnostic tools with better sensitivity, specificity, and reliability, which could improve the effectiveness of in-vivo and in-vitro diagnostics. In this thesis, the development of the refractive index photonic sensor will be shown, mainly related to the design photonic structures towards to miniaturization by the hybrid integration of the photonic sensor, the development of the algorithm for processing the data which will lead to enhanced sensitivity and limit of detection and the requisite control electronics. Firstly, in chapter 1, the state-of-the-art of the sensors in different competitive platforms is presented. The advancement and the potential of the integrated lab-on-a-chip photonic sensors in terms of sensitivity and compactness is briefly described. In more detail, the waveguide photonic platform on which the passive photonic structures have been designed as well as the principle of operation of the refractive index sensor is presented. In chapter 2, three different simulation methods have been described. Each one of them is being used for a different stage of the photonic component design. Moreover, the designs of three main structures are presented, which are intended to increase the compactness of the photonic sensor through the hybrid integration that could offer. In more detail, three monolithic structures are described, which are the keys for the effectiveness of the power budget and the proper operation of the optical circuit. The first kind of structures is the multimode interference couplers (MMIs) which is responsible for accurately splitting the light from the single VCSEL into 8 equal parts that feed the on-chip integrated interferometers with insertion loss and power imbalance lower than 0.5 dB. The second kind of structures is the grating coupler which is responsible for the vertical coupling of light from the flip-chip bonded VCSEL into the TriPleX waveguide, having coupling efficiency almost 30%. The third kind of structure is a polarization rotator which enables the rotation of the perpendicular waveguide symmetry and thus, leads to indirect spatial rotation of the propagation axis causing the excitation of two hybrid modes, supporting both TE and TM polarization. These photonic structures provide true potential for sensor compactness and miniaturization. In chapter 3, a method for the processing of the measurement data and the calculation of the resonance shift based on the well-known Fast Fourier Transform (FFT) is presented. For the first time the FFT-based method is being studied as an alternative to the peak-search method for high performance lab-on-a-chip bio-photonic systems, based on resonant cavities and wavelength scanning lasers. An extensive set of numerical studies comparing the two methods is presented, under an improved noise model, and is demonstrated that the FFT method can improve the resolution and the detection limit of the system by 2-3 order of magnitude. It is also shown that for practical scanning steps and realistic levels of loss inside the cavity, Q-factor values around 104 can maximize the performance with resolution close to 0.01 pm and detection limit close to 10-7 nm/RIU. In order to extend the benchmarking of the FFT method, it is also compared against a more sophisticated and resource consuming peak-search variant, which is widely used in practical systems and is based on Lorentzian fitting. Through this comparison, it is found that the FFT method has still a major advantage, as it can achieve the same level of accuracy in the estimation of the resonance shift using a scanning step that is almost 270 times larger than the necessary step in the Lorentzian fitting process. In chapter 4, the general architecture of the electronic platform that controls the individual parts of the sensor system is presented. This 2-layer architecture has at the lower layer subunits for the control of the internal pretreatment unit, the control of the microfluidic structures on the microfluidic chip, the control of the optoelectronic components on the optoelectronic platform and the collection, organization and further transmission of the raw results. At the upper layer of the architecture, there is the microcontroller that orchestrates and synchronizes the individual electronic boards ensuring their proper operation and interaction. In the second part of this chapter, experimental results are presented, which are in a perfect alignment and agreement with the trends of the numerical studies that have been presented in chapter 3. Moreover, experiments with real samples are presented, using biomodified sensing MRRs and having as target the detection and capture the specific binding of the mycotoxin OTA and copper target molecules to the aptamers targeting OTA and copper, respectively as well as the effect of the MgCl2 presence on the molecules binding. In the last chapter of this thesis, some general and interesting conclusions are drawn and presented and finally, some ideas for future work based on the models and the results of this thesis are mentioned.	en
heal.advisorName	Αβραμόπουλος, Ηρακλής	el
heal.committeeMemberName	Αβραμόπουλος, Ηρακλής	el
heal.committeeMemberName	Ζεργιώτη, Ιωάννα	el
heal.committeeMemberName	Ματσόπουλος, Γεώργιος	el
heal.committeeMemberName	Νικήτα, Κωνσταντίνα	el
heal.committeeMemberName	Δέρβος, Κωνσταντίνος	el
heal.committeeMemberName	Κλινάκης, Απόστολος	el
heal.committeeMemberName	Κοζύρης, Νεκτάριος	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών. Τομέας Επικοινωνιών, Ηλεκτρονικής και Συστημάτων Πληροφορικής	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	203 σ.	el
heal.fullTextAvailability	false