Otimização da sensibilidade de detecção de sensores óticos baseados em moléculas fotônicas
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Data de Publicação: | 2021 |
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Texto Completo: | https://repositorio.ufscar.br/handle/ufscar/14785 |
Resumo: | The integrated photonics has been consolidated in the last years in part by the ability to meet the recent demand for the miniaturization of photonic devices. Waveguides and optical microcavities stand out among the main components used in integrated photonics. Waveguides consist of structures capable of guiding electromagnetic waves between their starting and endpoints, based on the difference in the refractive indices of two or more materials to keep light confined by guiding them inside the chip. The optical microcavities are simple photonic structures, mostly in the form of disks or rings, which allow the photons to be strongly confined in a tiny volume. Several integrated photonic devices take advantage of the optical characteristics of these structures, which combined, guarantee the design of integrated photonic chips, fabricated in laboratories of universities, companies, and foundries. One of the largest applications of integrated photonic chips is in optical sensors, called lab-on-a-chip, which allows several lab functions on a single chip in order to achieve high-performance automation and screening. In particular, sensors based on photonic molecules (PMs), which are combinations of optical microcavities coupled with each other, use a detection method linked to the variation of resonances of the microcavities in the presence of a change in the refractive index of the environment around the microcavities. The resolution of these sensors is highly dependent on the dimensions of the transverse session of the waveguide where the light is confined. One of the main challenges of this type of sensor is the optimization of its sensitivity, without there being major changes in the fabrication methods to obtain them once they are well established in the industry. In this sense, the focus of this project was to investigate methods to increase the sensitivity of integrated sensors based on PMs from the optimization of the dimensions of the components that constitute them to the implementation of strangulation in the waveguide that forms the detection rings. This strangulation will ensure an increase in the evanescence of the propagating modes in these cavities, responsible for the detection of the sensors, increasing significantly its sensitivities. |
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Junior, Valnir Carlos da SilvaBarêa, Luís Alberto Mijamhttp://lattes.cnpq.br/7929868663210908http://lattes.cnpq.br/4925370507459259a757f913-1141-408d-800a-996c59c5d3142021-08-23T11:10:48Z2021-08-23T11:10:48Z2021-05-21JUNIOR, Valnir Carlos da Silva. Otimização da sensibilidade de detecção de sensores óticos baseados em moléculas fotônicas. 2021. Dissertação (Mestrado em Engenharia Elétrica) – Universidade Federal de São Carlos, São Carlos, 2021. Disponível em: https://repositorio.ufscar.br/handle/ufscar/14785.https://repositorio.ufscar.br/handle/ufscar/14785The integrated photonics has been consolidated in the last years in part by the ability to meet the recent demand for the miniaturization of photonic devices. Waveguides and optical microcavities stand out among the main components used in integrated photonics. Waveguides consist of structures capable of guiding electromagnetic waves between their starting and endpoints, based on the difference in the refractive indices of two or more materials to keep light confined by guiding them inside the chip. The optical microcavities are simple photonic structures, mostly in the form of disks or rings, which allow the photons to be strongly confined in a tiny volume. Several integrated photonic devices take advantage of the optical characteristics of these structures, which combined, guarantee the design of integrated photonic chips, fabricated in laboratories of universities, companies, and foundries. One of the largest applications of integrated photonic chips is in optical sensors, called lab-on-a-chip, which allows several lab functions on a single chip in order to achieve high-performance automation and screening. In particular, sensors based on photonic molecules (PMs), which are combinations of optical microcavities coupled with each other, use a detection method linked to the variation of resonances of the microcavities in the presence of a change in the refractive index of the environment around the microcavities. The resolution of these sensors is highly dependent on the dimensions of the transverse session of the waveguide where the light is confined. One of the main challenges of this type of sensor is the optimization of its sensitivity, without there being major changes in the fabrication methods to obtain them once they are well established in the industry. In this sense, the focus of this project was to investigate methods to increase the sensitivity of integrated sensors based on PMs from the optimization of the dimensions of the components that constitute them to the implementation of strangulation in the waveguide that forms the detection rings. This strangulation will ensure an increase in the evanescence of the propagating modes in these cavities, responsible for the detection of the sensors, increasing significantly its sensitivities.A fotônica integrada se consolidou nos últimos anos, em parte, pela capacidade de suprir a recente necessidade de miniaturização dos dispositivos fotônicos. Dentre os principais componentes empregados em fotônica integrada, destacam-se os guias de onda e as microcavidades óticas. Os guias de onda consistem em estruturas capazes de guiar ondas eletromagnéticas entre seus pontos de extremidade, baseando-se na diferença dos índices de refração de dois ou mais meios para manter a luz confinada, guiando-as dentro do chip. Já as microcavidades óticas, são estruturas fotônicas simples, majoritariamente na forma de discos ou anéis, que permitem confinar fortemente os fótons em um volume diminuto. Diversos dispositivos fotônicos integrados se beneficiam das características óticas dessas estruturas, que combinadas, garantem o design de chips fotônicos integrados, fabricados em grandes laboratórios de universidades, empresas e foundries. Uma das maiores aplicações dos chips fotônicos integrados está em sensores óticos, como é o caso do chamado laboratório em um chip (lab-on-a-chip), que permite várias funções de laboratório em um único chip, a fim de obter automação e triagem de alto rendimento. Em particular, os sensores baseados em moléculas fotônicas (Photonic Molecules, PMs), que são combinações de microcavidades óticas acopladas entre si, utilizam-se de um método de detecção atrelado à variação de ressonâncias das microcavidades na presença de uma modificação no índice de refração do ambiente ao redor das microcavidades. A resolução desses sensores possui grande dependência das dimensões da sessão transversal do guia de onda onde a luz está confinada. Um dos principais desafios deste tipo de sensor está na otimização da sua sensibilidade, sem que haja grandes mudanças nos métodos de fabricação para obtê-los, uma vez que são bem estabelecidos na indústria. Nesse sentido, o foco desse projeto foi investigar métodos para incrementar a sensibilidade de sensores integrados baseados em PMs, a partir da otimização das dimensões dos componentes que os constituem, bem como implementar um estrangulamento de uma parcela do guia de onda que forma o anel de detecção, o que garantiu um aumento na evanescência do modo propagante nessa cavidade, responsável pela detecção do sensor, aumentando significativamente sua sensibilidade.Não recebi financiamentoporUniversidade Federal de São CarlosCâmpus São CarlosPrograma de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica - PPGEEUFSCarAttribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazilhttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/info:eu-repo/semantics/openAccessGuia de ondaMicrocavidadesMolécula fotônicaSensor ópticoWaveguideMicrocavitiesPhotonic moleculesOptical sensorENGENHARIAS::ENGENHARIA ELETRICA::TELECOMUNICACOESOtimização da sensibilidade de detecção de sensores óticos baseados em moléculas fotônicasOptimization of detection sensitivity of optical sensors based on photonic moleculesinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesis6006001564d9ff-81e0-4317-9481-7b7a64bd4489reponame:Repositório Institucional da UFSCARinstname:Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)instacron:UFSCARCC-LICENSElicense_rdflicense_rdfapplication/rdf+xml; charset=utf-8811https://repositorio.ufscar.br/bitstream/ufscar/14785/3/license_rdfe39d27027a6cc9cb039ad269a5db8e34MD53ORIGINALOtimização da sensibilidade de detecção de sensores óticos baseados em moléculas fotônicas.pdfOtimização da sensibilidade de detecção de sensores óticos baseados em moléculas fotônicas.pdfTese de Mestradoapplication/pdf2654887https://repositorio.ufscar.br/bitstream/ufscar/14785/1/Otimiza%c3%a7%c3%a3o%20da%20sensibilidade%20de%20detec%c3%a7%c3%a3o%20de%20sensores%20%c3%b3ticos%20baseados%20em%20mol%c3%a9culas%20fot%c3%b4nicas.pdfe3e1be3a4c1fa0d0128c91f84fa004fbMD51Carta à BCo_Valnir Junior.pdfCarta à BCo_Valnir Junior.pdfCarta Comprovanteapplication/pdf687141https://repositorio.ufscar.br/bitstream/ufscar/14785/2/Carta%20%c3%a0%20BCo_Valnir%20Junior.pdfa4fd5812a65c78f53c234dfa20754502MD52TEXTOtimização da sensibilidade de detecção de sensores óticos baseados em moléculas fotônicas.pdf.txtOtimização da sensibilidade de detecção de sensores óticos baseados em moléculas fotônicas.pdf.txtExtracted texttext/plain144058https://repositorio.ufscar.br/bitstream/ufscar/14785/4/Otimiza%c3%a7%c3%a3o%20da%20sensibilidade%20de%20detec%c3%a7%c3%a3o%20de%20sensores%20%c3%b3ticos%20baseados%20em%20mol%c3%a9culas%20fot%c3%b4nicas.pdf.txt23de0193da669df3906fd98fbc32d537MD54Carta à BCo_Valnir Junior.pdf.txtCarta à BCo_Valnir Junior.pdf.txtExtracted texttext/plain1480https://repositorio.ufscar.br/bitstream/ufscar/14785/6/Carta%20%c3%a0%20BCo_Valnir%20Junior.pdf.txt0a8fbadd353ac448a9ad01cdcb4212a3MD56THUMBNAILOtimização da sensibilidade de detecção de sensores óticos baseados em moléculas fotônicas.pdf.jpgOtimização da sensibilidade de detecção de sensores óticos baseados em moléculas fotônicas.pdf.jpgIM Thumbnailimage/jpeg7526https://repositorio.ufscar.br/bitstream/ufscar/14785/5/Otimiza%c3%a7%c3%a3o%20da%20sensibilidade%20de%20detec%c3%a7%c3%a3o%20de%20sensores%20%c3%b3ticos%20baseados%20em%20mol%c3%a9culas%20fot%c3%b4nicas.pdf.jpg6d6a9a5cd29964350b6274af3639b1d9MD55Carta à BCo_Valnir Junior.pdf.jpgCarta à BCo_Valnir Junior.pdf.jpgIM Thumbnailimage/jpeg7430https://repositorio.ufscar.br/bitstream/ufscar/14785/7/Carta%20%c3%a0%20BCo_Valnir%20Junior.pdf.jpg759ddacf9397d4ea1c49f05b3a5bfd0dMD57ufscar/147852023-09-18 18:32:14.694oai:repositorio.ufscar.br:ufscar/14785Repositório InstitucionalPUBhttps://repositorio.ufscar.br/oai/requestopendoar:43222023-09-18T18:32:14Repositório Institucional da UFSCAR - Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)false |
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