Bimodal Waveguide Interferometer for lab-on-a-chip applications

In a period where biomedical devices with high sensitivity, selectivity and real time detection are needed, lab-on-a-chip devices stands out as a great solution, particularly for their compactness, reliability and ease of use. Lab on a chip devices are compact structures that integrate all the different steps to perform a diagnostic assay, such as sample preparation, biofunctionalization strategies, light incoupling, optical readout, microfluidics, and data acquisition and treatment, all together in a portable and user friendly device. They present a broad spectrum of applications, with special importance in the field of biomedicine. Among the different types of transducers, optical biosensors present the highest sensitivities and thus, the lowest limits of detection. This is the reason why this thesis will be focused on a particular optical biosensor, the Bimodal Waveguide (BiMW) interferometric device. The working principle of this transducer is based on the interference of two modes of light of the same polarization and wavelength, the fundamental and the first order mode, along a silicon nitride core waveguide. When the surface of the waveguide is biofunctionalized to recognize a particular analyte, this biorecognition event leads to a change in the effective refractive index of each mode, resulting in an interferometric pattern at the end of the waveguide.

Interferometro in guida d'onda bimodale per applicazioni lab-on-a-chip. In un periodo in cui sono necessari dispositivi biomedici con elevata sensibilità, selettività e rilevamento in tempo reale, i dispositivi lab-on-a-chip si distinguono come un'ottima soluzione, in particolare per la loro compattezza, affidabilità e facilità d'uso. I dispositivi su un chip sono strutture compatte che integrano tutte le diverse fasi per eseguire un test diagnostico, come preparazione del campione, strategie di biofunzionalizzazione, accoppiamento della luce, lettura ottica, microfluidica e acquisizione e trattamento dei dati, tutti insieme in un dispositivo portatile e facile da usare. Presentano un ampio spettro di applicazioni, con particolare importanza nel campo della biomedicina. Tra i diversi tipi di trasduttori, i biosensori ottici presentano le più elevate sensibilità e, quindi, i più bassi limiti di rilevamento. Questo è il motivo per cui questa tesi sarà focalizzata su un particolare biosensore ottico, l'interferometro in guida d'onda bimodale. Il principio di funzionamento si basa sull'interferenza di due modi di luce della stessa polarizzazione e lunghezza d'onda, la modalità fondamentale e quella del primo ordine, lungo una guida d'onda del nucleo di nitruro di silicio. Quando la superficie della guida d'onda è biofunzionalizzata per riconoscere un particolare analita, questo evento di bioricognizione porta ad una variazione dell'indice di rifrazione efficace di ciascuna modalità, risultante in un modello interferometrico alla fine della guida d'onda.