Bloch mode engineering for photonic biosensors (2021)
- Authors:
- Autor USP: ARRUDA, GUILHERME SIMONETI DE - EESC
- Unidade: EESC
- Sigla do Departamento: SEL
- Subjects: SENSORES BIOMÉDICOS; FOTÔNICA; ONDAS ELETROMAGNÉTICAS
- Keywords: Biosensores fotônicos; Dispositivos de uso local; Guias de onda; Redes de difração sub-comprimento de onda
- Agências de fomento:
- Language: Inglês
- Abstract: 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 ade 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
- Imprenta:
- Publisher place: São Carlos
- Date published: 2021
- Data da defesa: 16.02.2021
-
ABNT
ARRUDA, Guilherme Simoneti de. Bloch mode engineering for photonic biosensors. 2021. Dissertação (Mestrado) – Universidade de São Paulo, São Carlos, 2021. Disponível em: https://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/18/18155/tde-16032021-080651/. Acesso em: 29 dez. 2025. -
APA
Arruda, G. S. de. (2021). Bloch mode engineering for photonic biosensors (Dissertação (Mestrado). Universidade de São Paulo, São Carlos. Recuperado de https://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/18/18155/tde-16032021-080651/ -
NLM
Arruda GS de. Bloch mode engineering for photonic biosensors [Internet]. 2021 ;[citado 2025 dez. 29 ] Available from: https://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/18/18155/tde-16032021-080651/ -
Vancouver
Arruda GS de. Bloch mode engineering for photonic biosensors [Internet]. 2021 ;[citado 2025 dez. 29 ] Available from: https://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/18/18155/tde-16032021-080651/ - Metasurfaces for photonic sensors applications
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