Biosenseur optofluidique pour la détection d'indice de réfraction volumique

Ce mémoire présente un microsystème permettant de mesurer l'indice de réfraction d'échantillons ayant un volume similaire à celui d'une cellule. Le dispositif en question utilise une cavité Fabry-Pérot constituée de miroirs de Bragg intégrés sur silicium. Des canaux microfluidiques permettent l'insertion de solutions aqueuses dans la cavité. Le passage d'une cellule en solution change l'indice de réfraction et donc la longueur optique de la cavité. Ce changement de longueur optique entraîne un déplacement en longueur d'onde des pics de résonance Fabry-Pérot. Nous sommes ainsi en mesure de détecter des changements d'indice de réfraction avec grande précision. Les travaux de A. Leblanc-Hotte et de R. St-Gelais illustrées dans [1], [2], [3] et [4] présentent les premières versions du dispositif. Le nouveau design développé remplace les guides d'onde rectangulaires par des guides d'onde plans et des lentilles de silicium intégrées. Ceci permet l'obtention d'un faisceau stable en une dimension dans le dispositif, ce qui devrait réduire les pertes par divergence. Aussi, la focalisation du faisceau à l'intérieur d'une cavité Fabry-Pérot concave permet une augmentation de la résolution spatiale du dispositif sur la mesure d'indice de réfraction. Des simulations sur Matlab et Zemax ont été effectuées afin de déterminer les paramètres géométriques à utiliser pour le dispositif. Les simulations sur Zemax ont déterminé les rayons de courbure des miroirs de Bragg ainsi que les différentes longueurs dans le parcours optique. Les simulations sur Matlab nous ont permis de visualiser le parcours optique du faisceau gaussien et de nous donner la largeur minimale des lentilles de silicium et des miroirs de Bragg. Aussi, en utilisant un programme Matlab développé par R. St-Gelais dans [4], nous avons simulé la transmission du dispositif, ce qui nous a permis d'évaluer les principales pertes optiques et l'allure du signal Fabry-Pérot attendu. La fabrication du dispositif a été effectuée au laboratoire de microfabrication de l'École Polytechnique. Le procédé de fabrication sera discuté en détail dans le mémoire.

Abstract

This thesis paper shows the development of a microsystem used to measure the refractive index of samples having a volume similar to the one of a human cell. The device uses a Fabry-Perot cavity made of integrated silicon Bragg mirrors. Microfluidic channels allow the insertion of a solution in the cavity. The passage of a cell causes the refractive index in the cavity to change and hence changes the optical length of the cavity. This causes a spectral shift of the Fabry-Perot resonance. We are therefore able to detect changes in refractive index with high precision. The work of A. Leblanc-Hotte and R. St-Gelais shown in [1], [2], [3] and [4] presents the first versions of the device. The new design developed replaces rectangular waveguides by planar waveguide and integrated silicon lens. This allows a stable beam in one dimension, which should reduce divergence losses. Also, focusing the beam within a concave Fabry-Perot cavity enables an increase of the spatial resolution of the device. Geometrical optics simulations based on Matlab and Zemax were performed to determine the geometrical parameters to use for the device. Zemax simulations determined radii of curvature of the Bragg mirrors and the different length in the optical path. Matlab simulations have allowed us to visualize the Gaussian beam radius and so give us the minimum width of the lenses and the silicon Bragg mirrors. Also, using a Matlab code developed by R. St-Gelais in [4], we simulated the optical transmission of the device, which allowed us to assess the main optical losses and the expected Fabry-Perot signal. The device fabrication was performed in the Laboratoire de microfabrication of Polytechnic Montreal. The manufacturing process will be discussed in detail in this document. We characterized the devices optically. A sensitivity of 725nm/RIU was observed with the use of oil with certified refractive index. This result is consistent with the sensitivity of 500nm/RIU illustrated in [2] and the one of 900nm/RIU illustrated in [3]. We obtain higher optical losses than expected. The -45dB loss we observe is not a significant improvement over the prior device illustrated in [2] which shows losses of -40dB to -50dB. We demonstrate the presence of higher order modes in the Fabry-Pérot cavity and we connect these additional losses to excitation of these modes. The proposed solution is to adjust the geometry of our concave Fabry-Perot cavity so that higher order modes are equivalent to the fundamental mode resonance.