All-optical phase modulation for advanced interferometric point-of-care biosensors

Abstract

Durante las últimas décadas un gran número de trabajos se han centrado en la implementación de plataformas lab-on-chip compactas y de alta sensibilidad, para una amplia gama de aplicaciones descentralizadas. Los dispositivos basados en óptica integrada se han revelado como candidatos prometedores, ya que combinan una alta sensibilidad en ensayos directos sin marcadores, con una fabricación de bajo coste a través de la tecnología estandar microelectrónica, permitiendo su producción en masa. En particular las configuraciones interferométricas han demonstrado las prestaciones superiores, en términos de resolución y límite de detección, en comparación con otros dispositivos de óptica integrada como los resonadores o las redes de difracción. Sin embargo, la complejidad en la interpretación de su señal de respuesta, consecuencia de su periodicidad con las variaciones de fase, dificulta su comercialización y su adopción en la práctica clínica. Para resolver las limitaciones de los biosensores interferométricos tradicionales y permitir una integración completa en una plataforma lab-on-chip, se ha estudiado teórica y experimentalmente un nuevo método para la linearización de la señal de salida. Este método se basa en la variación de la longitud de onda de emisión de la fuente láser, que se traduce en una modulación de fase. A fin de mantener una plataforma compacta y rentable, la modulación se introduce aprovechando la dependencia entre la longitud de onda y la potencia de los diodos láser comerciales. El método se ha aplicado a dos plataformas, los interferometros Mach-Zehnder y de guía de onda bimodal, desarrollados en el grupo de investigación donde se ha realizado este trabajo. Los sensores interferométricos modulados en longitud de onda permiten una lectura directa en tiempo real y sin ambigüedades, con una alta sensibilidad tal y como requieren las aplicaciones biosensoras en ámbitos reales.

During the last decades impressive efforts have been devoted to the implementation of compact and highly sensitive lab-on-chip platforms for a wide range of decentralized applications. Among optical devices, those based on integrated optics have been underlined as promising candidates since they combine a high sensitivity in a label-free approach with a cost-effective fabrication through standard Si microfabrication technology, rendering in potential mass production. In particular interferometric arrangements have shown superior performances in terms of resolution and limits of detection compared to other integrated optics solutions as resonators or grating structures. However the complexity of their read-out, consequence of the periodicity of the output signal with the phase variation, still hinders their successful commercialization and adoption in the clinical practice. In order to solve the limitations of standard integrated interferometric biosensors and to allow a complete integration onto a lab-on-chip platform, an innovative method for linearization of the interferometric output is theoretically and experimentally analyzed. The proposed phase modulation system is based on tuning of the emission wavelength of the laser source. In order to keep a compact and cost-effective platform, the wavelength modulation is introduced by taking advantage of the power-wavelength dependence of commercial laser diodes. Thanks to our research Group experience in the design and fabrication of integrated optical biosensors, two different platforms have been analyzed along this Thesis, namely the well-known Mach-Zehnder interferometer and the recently proposed Bimodal Waveguide interferometric biosensors. The wavelength modulated interferometric biosensors allow a direct, unambiguous, highly sensitive real-time read-out, as required by real biosensing applications.