Development of integrated optical biosensors
Développement de capteurs en optique guidée
Résumé
The development of biosensors for the detection of
extremely low concentration analytes is an economic and
societal challenge. It ensures the needs to detect analytes in the
economic fields of healthcare, defense and environment.
Integrated optical sensors have several advantages to address
these challenges. In this thesis, near infrared integrated
biosensors for detection of low concentration molecules in
biological samples are developed. They are based on two
integrated micro-resonators transducers. Firstly, performances
criterions such as sensitivity and limit of detection are defined
and optimized for single micro-resonator biosensors. The
advantage of micro-resonator transducers based on the Vernier
effect are presented. To do so, a flowchart is developed in order
to optimize the design of Vernier effect integrated transducers
based on cascaded micro-resonators or micro-resonators
positioned in a Mach-Zehnder interferometric structure. The
efficiency of the design procedure is tested by the fabrication of
a polymer transducer based on the Vernier effect with state of
the art performances.
Then, transducers based on porous silicon material are studied.
This porous material eases the penetration and the grafting of
the analytes in the sensor. Porous silicon waveguides are
theoretically optimized for the fabrication of single microresonators.
The interest of the implementation of polymer and
porous silicon waveguides coupled on the same integrated chip,
in order to reduce optical propagation losses and to increase
sensor sensitivity, is demonstrated. The performances in
sensitivity and limit of detection of hybrid porous silicon and
polymer waveguides Vernier effect transducers are theoretically
studied in order to estimate the performances of these integrated
biosensors. Eventually, the design and the first fabrication trials
of hybrid porous silicon and polymer waveguides transducers
are presented.
Le développement de capteurs pour la détection de
molécules présentes en très faible concentration est un enjeu
sociétal et économique. Il permet de répondre à des besoins de
mesure d’analytes dans les secteurs de la santé, de la défense ou
encore de l’environnement. Les capteurs optiques intégrés
possèdent plusieurs avantages permettant de répondre à ces
problématiques. Dans cette thèse, des capteurs optiques
intégrés à base de deux micro-résonateurs sont développés. Ils
fonctionnent dans le domaine du proche infrarouge et
permettent de détecter des molécules d’intérêt présentes en très
faible quantité dans un échantillon biologique. Dans un premier
temps, les critères de performances comme la sensibilité ou la
limite de détection de micro-résonateurs seuls sont définis et
optimisés. Puis, l’intérêt de transducteurs à base de deux microrésonateurs
cascadés ou insérés dans une structure
interférométrique de type Mach-Zehnder permettant d’utiliser
l’effet Vernier est mis en avant. Un algorigramme permettant
d’optimiser la conception des transducteurs à effet Vernier est
mis en place. Son efficacité est démontrée par
la fabrication d’un transducteur à effet Vernier en matériaux
polymères qui possède des performances dans l’état de l’art.
Ensuite, des transducteurs en matériau silicium poreux sont
étudiés. Ce matériau poreux permet d’augmenter la sensibilité
du capteur en facilitant le greffage des analytes dans la
structure. Les guides en silicium poreux pour la réalisation de
micro-résonateurs simples sont optimisés théoriquement.
L’avantage de l’utilisation conjointe de guides en polymères et
en silicium poreux couplés sur la même puce intégrée, qui
permet à la fois de réduire les pertes de propagation optique et
d’augmenter la sensibilité du transducteur, ainsi qualifié
d’hybride, est détaillé dans ce manuscrit. Les performances en
sensibilité et limite de détection de transducteurs à effet Vernier
hybride fabriqués à l’aide de guides en silicium poreux et en
polymères sont étudiées théoriquement afin de prédire les
performances de ces dispositifs. Enfin la mise en oeuvre et les
premiers essais de fabrication de transducteurs hybrides avec
des guides en polymères et en silicium poreux sont détaillés.
| Origine | Fichiers produits par l'(les) auteur(s) |
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