Abstract: Lab-on-a-chip (or LOC) devices scale down the laboratory processes for detecting illnesses and monitoring sick patients without the need of medical laboratories. Well-known examples of LOC are pregnancy test kits or portable HIV sensors. To be useful, LOC devices must be sensitive, specific, compact, and affordable. These criteria are made possible with a transducer that can convert the biological presence of the target molecule into electrical information. Since the early 2000s, integrated photonics have offered a possible solution for a transducer compatible with LOC needs. In particular, silicon micro-ring resonators represent a compact and sensitive choice to use as a transducer in LOC devices. In agreement with the requirements of LOC devices, the objective of this project is to design and assess the performance of a compact photonic biosensor. The system will be based on integrated photonic transduction. The requirements are that it is compatible with an industrial fabrication platform and fluidic systems, with a sensitivity equal to or higher than the state-of-the-art and simple to functionalize in order to localize the target molecules in the sensitive regions of the sensor. This project details the design, fabrication, and characterization of such a biosensor. We found that ring resonators with a Hybrid Plasmonic Waveguide (HPWG) cross-section fulfill the LOC requirements and outperform the state-of-the-art biosensor. Furthermore, based on a principle called mode lift, we patented new geometry of HPWG, which will be the object of an article. We simulated the HPWG structure to understand the coupling mechanisms of the modes inside the structure (more specifically, the plasmonic and the ridge dielectric modes). The fabrication was possible thanks to the collaboration of the industrial and university cleanrooms. An advantage of industrial production is that we can reproducibly create the geometric components necessary for the LOC in a high-throughput manner, thus lowering the cost per unit cell. Once the 300 mm Si wafers were patterned, the university cleanroom fabrication process adds the metallic waveguides. The Au nanopatterning on the devices characterized in this project was created using the lift-off method. The preliminary measures define the optimal testing liquid (glucose monohydrate) and the uncertainty of the measures. The HPWG samples showed an experimental sensitivity lower than the simulations. After adjusting the fabrication parameters (mainly Au and Cr deposition rates and thicknesses), the second-generation HPWG devices suggest that the mode lift improves the sensitivity for waveguides below cutoff (the sensitivity increases from 210 nm/RIU to 320 nm/RIU when only 10% of the ring resonator has an HPWG section and the rest is a ridge waveguide). Even in the case where ridge waveguides are above the cutoff, the sensitivity increases by 40 nm/RIU when using mode lift. We also showed the compatibility of the fabricated devices’ surface with differential functionalization, by means of fluorescent nanoparticles. Due to time limitations, the presence of the nanoparticles will be measured with the fabricated devices in future experiments.Les dispositifs laboratoire sur puce (ou Lab-on-a-chip ou LOC) visent à miniaturiser les procédés de laboratoires pour la détection des maladies et la surveillance des patients malades, sans avoir besoin de laboratoires médicaux. Deux exemples bien connus de LOC sont les kits de test de grossesse ou les capteurs portables du VIH.
Pour être efficaces, les appareils LOC doivent être sensibles, spécifiques à l’analyte concerné, compacts et abordables. Ces critères sont possibles grâce à un transducteur, qui peut convertir la présence biologique de la molécule cible en informations électriques. Depuis le début des années 2000, la photonique intégrée a offert une solution pour un système de transduction compatible avec les besoins du LOC. En particulier, les micro-résonateurs à anneaux en silicium représentent un transducteur compact et sensible adapté aux appareils LOC.
En accord avec les exigences des dispositifs LOC, l’objectif de ce projet est de concevoir et d’évaluer les performances d’un biocapteur photonique compact. Le système sera basé sur une transduction photonique intégrée. Les exigences sont : une simple fonctionnalisation, la compatibilité avec une plateforme de fabrication industrielle et des systèmes fluidiques, avec une sensibilité égale ou supérieure à l’état de l’art. Ce projet détaille la conception, la fabrication et la caractérisation d’un tel biocapteur.
Nous avons constaté que les résonateurs en anneau avec une section transversale de guide d’ondes hybrides plasmoniques (HPWG) remplissent les exigences LOC et sont compétitifs en comparaison avec l’état de l’art des biocapteurs photoniques. Par ailleurs, basée sur un principe appelé mode lift, une nouvelle géométrie de HPWG a été brevetée et fera l’objet d’un article. Nous avons simulé la structure HPWG pour comprendre les mécanismes de couplage des modes photoniques à l’intérieur de la structure (plus précisément les modes plasmoniques et les modes diélectriques du guide d’onde à ruban). La fabrication a été possible grâce à la collaboration de la salle blanche industrielle de STMicroelectronics et des salles blanches universitaires de l’université de Sherbrooke et de l’Institut de Nanotechnologies de Lyon. Un avantage de la production industrielle est que nous pouvons créer de manière reproductible la géométrie des composants nécessaires pour le LOC à haut débit, réduisant ainsi le coût par unité. Une fois que les wafers de 300 mm ont été structurés, le processus de fabrication en salle blanche universitaire permet d’ajouter le métal des guides d’ondes plasmoniques. La méthode du lift-off a été utilisée pour la nanostructuration Au sur les dispositifs caractérisés dans ce projet.
Des mesures préliminaires ont permis de définir le liquide d’essai optimal (glucose monohydrate) ainsi que l’incertitude des mesures. Les échantillons HPWG ont montré une sensibilité expérimentale inférieure aux simulations. Après avoir ajusté les paramètres de fabrication (principalement les taux et les épaisseurs de dépôt d’Au et de Cr), les dispositifs HPWG de deuxième génération suggèrent que le mode lift améliore la sensibilité des guides d’ondes en dessous de la coupure (la sensibilité augmente de 210 nm/RIU à 320 nm/RIU lorsque seulement 10 % du résonateur en anneau a une section HPWG). Même par rapport aux guides d’ondes au-dessus de la coupure, la sensibilité augmente de 40 nm/RIU lors de l’utilisation du mode lift. Nous avons également montré la compatibilité de la surface des appareils fabriqués avec la fonctionnalisation différentielle en utilisant des nanoparticules fluorescentes. Pour des contraintes de temps, la présence des nanoparticules ne sera mesurée que dans des futures expériences
