ES2380970B2

ES2380970B2 - Método y dispositivo de sensado fotónico

Info

Publication number: ES2380970B2
Application number: ES200901748A
Authority: ES
Inventors: Jaime Garcia Ruperez; Javier Marti Sendra; Alejandro José MARTINEZ ABIERTAR
Original assignee: Universidad Politecnica de Valencia
Current assignee: Universidad Politecnica de Valencia
Priority date: 2009-07-31
Filing date: 2009-07-31
Publication date: 2013-05-07
Anticipated expiration: 2029-07-31
Also published as: EP2461152A2; EP2461152A4; ES2380970A1; US9200997B2; WO2011012753A3; WO2011012753A2; US20120170041A1

Abstract

Método y dispositivo de sensado fotónico.#La presente invención describe un método y un dispositivo de sensado fotónico basados en estructuras dieléctricas periódicas de banda prohibida fotónica, en los que el proceso de sensado se realiza a través de la medida de la variación de la amplitud de señal a la salida del dispositivo. La variación de amplitud es debida a una variación en el índice de refracción de la estructura, como consecuencia de la presencia de las sustancias que son objeto del sensado. Entre las ventajas proporcionadas por la invención, cabe citar su sencillez en el proceso de sensado, que se realiza a través de la medición directa de la amplitud de salida, sin la necesidad de realizar un barrido de frecuencias; su alto nivel de integración, que permite un diseño de reducido tamaño; y su adaptabilidad a estructuras dieléctricas de una, dos y tres dimensiones.

Description

MÉTODO Y DISPOSITIVO DE SENSADO FOTÓNICO

CAMPO DE LA INVENCIÓN

La presente invención se refiere a un método y un dispositivo de sensado fotónico para la detección de sustancias de tamaño muy pequeño. Más en particular, la invención está basada en las propiedades físicas de las estructuras dieléctricas periódicas de banda prohibida fotónica, sobre las que se depositan las sustancias que son objeto del sensado.

ESTADO DE LA TÉCNICA

Hoy en día resulta fundamental disponer de dispositivos o métodos de sensado que permitan medir de una manera rápida, eficiente y fiable un gran número de parámetros, como por ejemplo, temperatura, presión, intensidad de campo eléctrico, etc. Además de para la medida de dichas magnitudes físicas (para las que ya existen métodos de medida tremendamente maduros), el mayor interés se centra actualmente en el desarrollo de dispositivos o métodos de sensado para la detección, identificación y cuantificación de sustancias (a las que denominamos analito), como puedan ser gases, líquidos, proteínas, hormonas, bacterias o ADN, entre muchas otras. Estos dispositivos y métodos de sensado tienen aplicación en infinidad de campos, como por ejemplo, la investigación farmacéutica, el diagnóstico de enfermedades, la detección de contaminantes, o la guerra bacteriológica.

Los métodos usados habitualmente para la detección de analitos se basan en la utilización de lo que se denominan marcadores. Mediante un tratamiento adecuado de la muestra

35 que contiene el analito a detectar (generalmente este tratamiento se realiza en laboratorio), se consigue enlazar el marcador utilizado a dicho analito. Este marcador

consiste en un material que presenta unas determinadas propiedades físicas, como por ejemplo, fluorescencia, radioactividad, etc., de modo que la detección del analito se realiza de una forma indirecta, midiendo dicha fluorescencia, radioactividad, etc., en la muestra que contiene el analito. Sin embargo, el uso de marcadores para realizar el sensado plantea diversos problemas, como pueden ser, por ejemplo, la necesidad de realizar una preparación previa de la muestra a analizar (lo cual puede ser complejo y requerir de un tiempo elevado) o la dificultad para encontrar un método que fije los marcadores únicamente y de forma específica a los analitos que deseamos detectar.

Resulta, por tanto, de gran importancia disponer de dispositivos o métodos de sensado que permitan realizar la detección sin necesidad de utilizar marcadores. Una de las opciones que mayor interés despierta actualmente es la utilización de dispositivos fotónicos para realizar funciones de sensado. Un dispositivo fotónico se define como aquél en el que la frecuencia de las señales propagadas se encuentra dentro del rango óptico del espectro. Este tipo de dispositivos tienen una determinada distribución de materiales con un determinado índice de refracción n, de modo que la respuesta del dispositivo viene dada, tanto por el índice de refracción de los

materiales que lo componen, como por la forma que presentan dichos materiales en la estructura. Un ejemplo de dispositivo fotónico muy común en nuestros días es la fibra óptica, la cual es un medio de transmisión en el que se tiene un núcleo circular de un material con índice de refracción n1 rodeado de una cubierta de un material con índice de refracción n2 • Debido a que el índice de refracción del núcleo es mayor al de la cubierta (n1gt;n2 ) , la luz quedará confinada en el núcleo por el fenómeno de reflexión total interna y se podrá propagar a través de la

35 fibra. La respuesta en frecuencia de la fibra dependerá de numerosos factores, corno pueden ser el contraste de índices entre núcleo y cubierta, el diámetro del núcleo, el grosor

de la cubierta, las imperfecciones de la fibra, etc.

En el caso de la fibra óptica, el contraste entre los

índices del núcleo y la cubierta es muy pequeño (por debajo

del 1%) , lo que provoca que el núcleo de la estructura

5: tenga un diámetro del orden de las decenas de micras.

Cuando ese contraste de índices entre el núcleo de la guía

y el material que forma la cubierta se incrementa, aumenta

el confinamiento del campo en la región de alto índice que

forma el núcleo de la guía, pudiendo así reducir

10: significativamente el tamaño de los dispositivos. Esto es

lo que se conoce como nanofotónica, donde la utilización de

materiales de alto índice de refracción permite la

obtención de dispositivos con tamaños del orden de los

centenares de nanómetros.

15: El campo de la nanofotónica ha experimentado una

importante evolución en los últimos años, durante los

cuales se han conseguido desarrollar numerosas estructuras

para la implementación de funcionalidades en el dominio

óptico, tales como guiado, filtros WDM, filtros de adición/

2 O: extracción de canal, conmutadores, etc. Gran parte de esta

evolución ha sido debida a la posibilidad de utilizar

estructuras de substrato planar, mediante las cuales los

circuitos fotónicos son creados en capas planas de un

determinado material, con un determinado espesor (por

25: ejemplo, Silicio, óxido de Silicio, nitruro de Silicio,

etc.), dando así lugar a la fotónica integrada. En

concreto, cuando los materiales utilizados para crear los

circuitos fotónicos integrados son compatibles con los

utilizados en la industria de la microelectrónica (por

30: ejemplo, Silicio, nitruro de Silicio, etc.), es posible

hacer un uso directo de los procesos de fabricación

procedentes de dicha industria, facilitando así la

obtención de productos con un coste reducido y aptos para

su fabricación en masa.

35: La utilización de dispositivos fotónicos para realizar

: funciones de sensado ha sido demostrada por diversos grupos

de investigación. La técnica de transducción utilizada para

la realización del sensado en dicho tipo de estructuras es la variación en el índice de refracción. Tal como se ha descrito anteriormente, la respuesta de un determinado dispositivo fotónico depende, tanto de su forma o 5 dimensiones, como del índice de refracción de los materiales que forman el dispositivo. De esta forma, cuando el analito a detectar provoca un cambio en el índice de refracción de la estructura sobre la que se deposita (generalmente en la región por encima del elemento de

10 guiado de la señal), este cambio se puede detectar mediante la variación de la respuesta del dispositivo fotónico. Existen numerosas configuraciones de dispositivos fotónicos para realizar funciones de sensado. Las más populares, actualmente, son las basadas en estructuras

15: resonantes, como discos o anillos, las cuales se encuentran

acopladas a una guía de acceso [1-2]. Este tipo de

estructuras se comportan como una cavidad, de forma que

únicamente pueden existir en su interior aquellos modos

cuya longitud de onda cumple con la condición de

2 O: resonancia. Estas longitudes de onda son extraídas de la

guía de acceso, observándose así picos rechazados en su

espectro de transmisión. La posición de las resonancias

depende del índice de refracción del material que forma la

estructura. A la hora de hacer la detección, la sustancia a

25: detectar se coloca sobre la estructura resonante, de forma

que la variación del índice de refracción del material que

rodea la estructura provoca un determinado desplazamiento

de la posición de la resonancia. Esta variación en longitud

de onda de la resonancia es utilizada para determinar el

30: índice de refracción del material depositado sobre la

estructura. En caso de realizar el sensado de un

determinado analito (en contraposición a la detección de

una sustancia homogénea con un determinado índice de

refracción), el desplazamiento de las resonancias indica la

35: cantidad de analito presente en el fluido. Utilizando este

tipo de sensores, se han demostrado sensibilidades muy

altas, obteniendo valores por encima de 200 nm/UIR (Unidad

de Índice de Refracción) [2] y bajos límites de detección,

del orden de 2x1 0-5 UIR [3] .

Otro tipo de estructura fotónica de gran interés para

el desarrollo de dispositivos de sensado son las

5: estructuras dieléctricas periódicas (en ocasiones también

conocidas como cristales fotónicos). En este tipo de

estructuras periódicas, si se realiza un diseño adecuado de

la estructura (i.e., periodicidad, tamaños de los elementos

que forman la estructura periódica, etc.) y el contraste de

10: índices de refracción de los materiales utilizados para

crear la estructura es suficiente, pueden aparecer lo que

se denominan bandas prohibidas fotónicas (habitualmente a

esta región se la conoce por su término en inglés photonic

band gap) : regiones frecuenciales del espectro de

15: transmisión en las que la propagación de la onda no está

permitida [ 4] . Al igual que sucede para el caso de las

estructuras resonantes, la posición de la banda prohibida

fotónica también varía cuando el índice de refracción de

los materiales que componen la estructura se ve modificado.

20: De esta forma, al depositar una determinada sustancia sobre

la estructura periódica, el desplazamiento sufrido por la

banda prohibida fotónica puede ser utilizado para

determinar el índice de refracción de la sustancia (o la

cantidad de un determinado analito presente en un fluido).

25: En lugar de utilizar directamente la estructura periódica

completa, se pueden introducir defectos lineales o

puntuales, de forma que se crearán guías o cavidades. En

este caso, lo que se utiliza para realizar la detección es

la posición del modo guiado (en el caso de la guía) o del

3O: modo resonante (en el caso de la cavidad) , de una forma

similar a la descrita para el caso de la estructura

periódica completa. Las prestaciones conseguidas utilizando

este tipo de estructuras no son tan elevadas como. las ya

conseguidas utilizando estructuras resonantes, aunque se

35: espera una mayor evolución de esta tecnología que permita

: obtener mejores resultados. Los valores demostrados

actualmente son de sensibilidades del orden de 65 nm/UIR y

límites de detección del orden de 1x10-4 UIR [5].

Los dos tipos de dispositivos descritos anteriormente

(estructuras resonantes y estructuras dieléctricas periódicas) basan la detección en la variación producida en el espectro, ya sea por el desplazamiento en longitud de onda de las resonancias, la banda prohibida fotónica o los modos guiados. Existen, adicionalmente, otras estructuras fotónicas integradas que permiten realizar funciones de sensado utilizando directamente la amplitud de salida de una señal de una determinada longitud de onda, de forma que no resulta necesario realizar un barrido que proporcione el espectro de transmisión del dispositivo. Ejemplos de este tipo de sistemas de sensado, basados en la amplitud, son los interferómetros Mach-Zehnder [6] o los acopladores direccionales [7]. A pesar de que dichos sistemas son capaces de evitar la necesidad de efectuar un barrido de frecuencia, proporcionando dispositivos de sensado más

sencillos,: llevan consigo el problema de que necesitan

dimensiones: del dispositivo muy grandes (del orden de

varios: milímetros) para tener una interacción entre el

campo y el analito que sea suficiente para realizar la detección, ya que únicamente se componen de una guía dieléctrica por la que se propaga la señal, no produciéndose ningún efecto que permita aumentar la interacción de la señal con el analito. Por tanto, debido a este tamaño, no resulta posible conseguir dispositivos finales con un alto nivel de integración.

El método y dispositivo de sensado fótonico realizado según la presente invención se enmarca dentro de los sensores fotónicos basados en la medida directa de la amplitud de salida, al igual que los dispositivos divulgados en [ 6] y [ 7] . Sin embargo, a diferencia de las soluciones técnicas descritas en dichas referencias, la presente invención incorpora numerosas ventajas a la hora de implementar sistemas de sensado, casi todas ellas derivadas del reducido tamaño de las estructuras dieléctricas utilizadas, lo que permite que se produzca una

interacción eficiente entre dichas estructuras y los

analitos a sensar. Además de permitir una mejor

interacción del sensor con el analito, el hecho de tener un

tamaño tan reducido facilita, adicionalmente, la obtención

5: de un alto nivel de integración del dispositivo final, lo

que permite emplear un gran número de estructuras fotónicas

sensibles en un área muy reducida, pudiendo así realizar

múltiples detecciones simultáneas (por ejemplo, para

medidas multi-analito, análisis comparativo, etc.).

10: La posibilidad de utilizar estructuras periódicas de

reducido tamaño hace posible, además, que únicamente sean

necesarios volúmenes muy pequeños de sustancia (del orden

comprendido entre mililitros y microlitros, en el caso de

líquidos, o entre microgramos y femtogramos en el caso de

15: sólidos) para realizar la detección del analito. Un ejemplo

de un caso práctico de gran interés sería aquél en el que

se realizara la detección de una determinada sustancia (o

varias) en la sangre utilizando una única gota de fluido.

Otra ventaja de la presente invención respecto a los

2O: dispositivos divulgados en [ 6] y [ 7] , es la no necesidad

de emplear las estructuras de guiado que presentan dichos

dispositivos, ya sea mediante guías de contraste de

índice, o bien introduciendo defectos lineales en la

estructura periódica. Esta necesidad de guiado hace, en la

25: práctica, tremendamente complicado aplicar dichas técnicas

a estructuras periódicas tridimensionales, tales como los

ópalos. Además, la producción a gran escala de este tipo

de dispositivos sería, de forma efectiva, difícilmente

realizable, ya que no permiten la utilización de técnicas

30: de fabricación procedentes de la microelectrónica. La

presente invención, sin embargo, describe un sensor

fotónico que no necesita emplear técnica de guiado alguna,

lo que permite, de modo natural, su aplicación a

estructuras tridimensionales.

35: El diseño de la presente invención facilita, pues, que

: los analitos puedan llegar a tener tamaños por debajo del

nanómetro, mediante una medición directa de la amplitud de

salida del sensor, evitando así la necesidad de obtener la respuesta espectral del dispositivo, lo que facilita un mecanismo de sensado más sencillo y directo, aplicable a todo tipo de estructuras dieléctricas periódicas.

Referencias citadas:

[1] K. De Vos, I. Bartolozzi, E. Schacht, P. Bienstman, and R. Baets, quot;Silicon-on-Insulator microring resonator for sensitive and label-free biosensing,quot; Opt. Express 15, 7610-7615 (2007).

[2]: C. A. Barrios, K. B. Gylfason, B. Sánchez, A. Griol,

H.: Sohlstróm, M. Holgado, and R. Casquel, quot; Slot-waveguide biochemical sensor,quot; Opt. Lett. 32, 3080-3082 (2007).

[3] C.-Y. Chao, W. Fung, and L. J. Guo, quot;Polymer Microring Resonators for Biochemical Sensing Applications,quot; IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 12, 134-142 (2006).

[4] J. D. Joannopoulos, R. D. Meade, and J. N. Winn, Photonic Crystals: Molding the Flow of Light (Princeton U. Press, Princeton, N.J., 1995).

[5] N. Skivesen, A. Tetu, M. Kristensen, J. Kjems, L. H. Frandsen, and P. I. Borel, quot;Photonic-crystal waveguide biosensor,quot; Opt. Express 15, 3169-3176 (2007).

[6] Th. Schubert, N. Haase, H. Ktick, and R. Gottfried-Gottfried, quot;Refractive-index measurements using an integrated Mach-Zehnder interferometer,quot; Sens. Actuators A Phys. 60, 108-112 (1997).

[7] B. J. Luff, R. D. Harris, J. S. Wilkinson, R. Wilson and D. J. Schiffrin, quot;Integrated-optical directional coupler biosensor,quot; Opt. Lett. 21, 618-620 (1996).

OBJETO DE LA INVENCIÓN

Un objeto de la presente invención es obtener sensores fotónicos de diseño sencillo, que utilicen la variación del índice de refracción del material que recubre la estructura dieléctrica como técnica de transducción, a través de la medición directa de la amplitud de salida ante la variación de la posición de la banda prohibida fotónica.

Otro objeto de la presente invención es la obtención de sensores fotónicos que presenten un alto nivel de integración, cuyo diseño se realice mediante estructuras de reducido tamaño, facilitando una interacción eficiente entre dichas estructuras y los analitos objeto del sensado.

Otro objeto de la presente invención es la obtención de sensores fotónicos adaptables a estructuras dieléctricas de una, dos y tres dimensiones.

Otro objeto de la presente invención es un método de sensado fotónico para la detección de sustancias o analitos de tamaño muy pequeño, donde dichos analitos se disponen en una estructura dieléctrica, periódica en la dirección de

propagación: de las ondas que se transmiten a través de

dicha: estructura, y que presenta una banda prohibida

fotónica: de transmisión, en el que:

a) Se genera, al menos, una señal de banda ancha a través de la estructura dieléctrica periódica sin analito, centrada en la región del límite de la banda prohibida fotónica, de forma que una fracción de la potencia de la fuente de excitación quede dentro de la banda prohibida fotónica, y manteniéndose dicha señal de banda ancha a lo largo del proceso de sensado.

b) Se mide de forma directa, sin necesidad de obtener la respuesta en frecuencia de la estructura dieléctrica periódica, la cantidad de potencia de salida que no ha sido filtrada por la banda prohibida fotónica.

e) Se dispone el analito objeto de estudio en la estructura dieléctrica periódica. d) Se mide de forma directa, sin obtener la respuesta

en frecuencia, la variación en la cantidad de potencia de

salida que no ha sido filtrada por la banda prohibida

fotónica.

e) Se determinan cualesquiera propiedades del analito

objeto del sensado, tales corno su índice de refracción y/o

la cantidad depositada de dicho analito, a partir de la

variación en la cantidad de potencia de salida que no ha

sido filtrada por la banda prohibida fotónica, con respecto

al valor obtenido antes de disponer el analito en la

estructura dieléctrica periódica.

Otro objeto de la presente invención es un método de

sensado fotónico en el que la estructura dieléctrica

periódica utilizada es una estructura dieléctrica periódica

de substrato planar.

Otro objeto de la presente invención es un método de

sensado fotónico en el que la estructura dieléctrica

periódica utilizada es una estructura dieléctrica periódica

tridimensional.

Otro objeto de la presente invención es un método de sensado fotónico en el que la variación del índice de refracción de la estructura dieléctrica periódica no se produce corno consecuencia de depositar el analito, sino que varía mediante cualquier otra propiedad, a través de la cual se modifique el índice de refracción de cualquiera de las partes que forman dicha estructura dieléctrica, corno por ejemplo, utilizando materiales que permitan la absorción de determinados analitos para la fabricación de la estructura dieléctrica periódica, modificando así sus propiedades en términos de índice de refracción.

Otro objeto de la presente invención es un método de sensado fotónico en el que, mediante la realización de un escalado de la constante de red de la estructura dieléctrica periódica, se obtiene un proceso de sensado independiente del rango de frecuencias de la señal de banda ancha utilizada.

Otro objeto de la presente invención es un método de sensado fotónico en el que la fuente de excitación y/o el

detector de señal están acoplados, pero opcionalmente no

integrados con la estructura de sensado.

Otro objeto de la presente invención es un método de

sensado fotónico en el que se utilizan múltiples

5: estructuras dieléctricas periódicas de banda prohibida

fotónica, o cualesquiera otras estructuras con respuesta

equivalente, para la realización de múltiples detecciones,

independientemente de que cada estructura tenga su propia

fuente de excitación o de que varias estructuras sean

10: excitadas por la misma fuente, pudiendo cada estructura

dieléctrica periódica ser utilizada para detectar

diferentes analitos.

Otro objeto de la presente invención es un método de

sensado fotónico en el que, en lugar de una estructura

15: dieléctrica periódica, se hace uso de cualquier otra

estructura fotónica que proporcione una respuesta

equivalente, en la que exista un cierto rango de

frecuencias que no se transmite, o sufre una mayor

atenuación en su señal de potencia de salida. Un ejemplo de

2O: estructura alternativa, con el que podría ser utilizado el

método propuesto en esta invención, consistiría en un

filtro de banda rechazada fabricado mediante la utilización

de anillos resonantes, de forma que proporcionen un

determinado rango de frecuencias que no son transmitidas

25: (equivalente a una banda prohibida fotónica) .

Otro objeto de la presente invención es un dispositivo

de sensado fotónico para la detección de sustancias o

analitos de tamaño muy pequeño, donde dichos analitos se

disponen en una estructura dieléctrica, periódica en la

3O: dirección de propagación de las ondas que se transmiten a

través de dicha estructura, que comprende:

a) Una estructura dieléctrica periódica que presenta

una banda prohibida de transmisión.

b) Al menos, una fuente de excitación conectada a la

35: estructura dieléctrica periódica, destinada a proporcionar,

al menos, una señal de banda ancha centrada en la región

del límite de la banda prohibida fotónica, de forma que una

fracción de la potencia de la fuente de excitación quede

dentro de la banda prohibida fotónica.

e) Al menos, un detector de potencia de banda ancha

conectado a la estructura dieléctrica periódica, destinado

a indicar la cantidad de potencia de salida que no ha sido

filtrada por la banda prohibida fotónica, de forma que el

sensado se pueda realizar directamente, a partir de la

variación de potencia producida al disponer el analito

objeto de estudio, sin necesidad de obtener la respuesta en

frecuencia de la estructura dieléctrica periódica.

Otro objeto de la presente invención es un dispositivo

de sensado fotónico en el que la estructura dieléctrica

periódica que conforma dicho dispositivo es una estructura

dieléctrica periódica de substrato planar.

Otro objeto de la presente invención es un dispositivo

de sensado fotónico en el que la estructura dieléctrica

periódica que conforma dicho dispositivo es una estructura

dieléctrica periódica tridimensional.

Otro objeto de la presente invención es un dispositivo de sensado fotónico en el que la variación del índice de refracción de la estructura dieléctrica periódica no se produce como consecuencia de depositar el analito, sino que varía mediante cualquier otro método, a través del cual se modifique el índice de refracción de cualquiera de las partes que forman dicha estructura dieléctrica, como por ejemplo, utilizando materiales que permitan la absorción de determinados analitos para la fabricación de la estructura dieléctrica periódica, modificando así sus propiedades en términos de índice de refracción.

Otro objeto de la presente invención es un dispositivo de sensado fotónico en el que en el que, mediante la realización de un escalado de la constante de red de la estructura dieléctrica periódica, se obtiene un proceso de sensado independiente del rango de frecuencias de la señal de banda ancha utilizada.

Otro objeto de la presente invención es un dispositivo de sensado fotónico en el que la fuente de excitación y/o

el detector de señal están acoplados, pero opcionalmente no integrados con la estructura de sensado. Otro objeto de la presente invención es un dispositivo de sensado fotónico en el que se utilizan múltiples

5 estructuras dieléctricas periódicas de banda prohibida fotónica, o cualesquiera otras estructuras con respuesta equivalente, para la realización de múltiples detecciones, independientemente de que cada estructura tenga su propia fuente de excitación o de que varias estructuras sean

10 excitadas por la misma fuente, pudiendo cada estructura dieléctrica periódica ser utilizada para detectar diferentes analitos.

Otro objeto de la presente invención es un dispositivo de sensado fotónico en el que, en lugar de una estructura 15 dieléctrica periódica, se hace uso de cualquier otra estructura fotónica que proporcione una respuesta equivalente, en la que exista un cierto rango de frecuencias que no se transmite o sufre una mayor

2O: atenuación en su señal de potencia de salida como, por ejemplo, empleando un filtro de banda rechazada fabricado mediante la utilización de anillos resonantes, de forma que proporcionen un determinado rango de frecuencias que no son transmitidas, de forma equivalente a una banda prohibida fotónica.

25: Otras características de la presente desprenderán de la descripción detallada que con una realización preferida de su objeto. invención se sigue, junto

A efectos de la siguientes términos:: presente invención, se definen los

30: Analito: Cualquier tipo de muestra objeto sensado, presentada en estado sólido, líquido o gaseoso. del

Substrato: estructura fotónica: Material sobre de trabajo. el que se crea la

Substrato planar: Substrato conformado mediante 35 capas planas.

-: Constante de red de la estructura dieléctrica: Valor que determina la distancia entre las repeticiones de la celda básica que da así lugar a la estructura periódica, es decir, el periodo de la estructura en cada una de las dimensiones de periodicidad.

Escalado: Transformación realizada sobre la estructura dieléctrica periódica, consistente en aumentar o reducir de forma proporcional su constante de red y las dimensiones de todos los elementos que forman la estructura, de forma que se tenga una estructura equivalente expandida o reducida. Esta transformación hace que se modifique el rango de frecuencias de trabajo de la estructura.

DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS

La figura la representa el estado inicial del espectro

de transmisión (Y) de una señal, a través de una estructura

dieléctrica periódica que presenta una banda prohibida

fotónica, en función de la longitud de onda (X) .

La figura lb representa el estado del espectro de transmisión (Y) de una señal, a través de una estructura dieléctrica periódica que presenta una banda prohibida fotónica, posteriormente a depositar la sustancia objeto del sensado, en función de la longitud de onda (X) .

La figura le muestra la evolución de la potencia de salida (Y') en función del tiempo (X'), para un dispositivo según la presente invención, en las etapas anterior y posterior a depositar la sustancia objeto del sensado.

Las figuras 2, 3 y 4 muestran distintas configuraciones de estructuras dieléctricas periódicas que pueden ser utilizadas para la implementación de un sensor fotónico utilizando el método descrito por la invención.

La figura 5 muestra la banda prohibida fotónica obtenida en el único ejemplo de realización preferida de la presente invención que se suministra en la descripción, donde se representa la transmisión normalizada (Y''), expresada en dB, frente a la longitud de onda (X''), expresada en nanómetros.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

La presente invención describe un método y un dispositivo de sensado fotónico para la detección de

sustancias o analitos de tamaño muy pequeño, basado en estructuras dieléctricas periódicas de banda prohibida fotónica, sobre las que se depositan dichos analitos. El proceso de detección realizado por el sensor fotónico de la invención se lleva cabo a través de la medida de la amplitud de una señal de banda ancha, a la salida de la estructura dieléctrica, en las etapas comprendidas antes y después de depositar el analito objeto de estudio. La diferencia que presenta la medida de amplitud en dichas etapas, es dada por una variación en el índice de refracción de la estructura dieléctrica periódica, como consecuencia de la presencia en la misma de las sustancias que son objeto del sensado. De esta forma, mediante un análisis de la variación de la respuesta del sensor fotónico, que depende tanto de la forma de la estructura dieléctrica que conforma el sensor como del índice de refracción de los materiales que lo componen, se obtiene el comportamiento de sensado deseado.

El desarrollo de un sensor fotónico según el método y el dispositivo descritos en la presente invención, se basa en las propiedades físicas de las estructuras dieléctricas periódicas (en ocasiones también conocidas como cristales fotónicos) , las cuales pueden presentar regiones de frecuencia en las que no está permitida la propagación de ondas, región frecuencial a la que se conoce como banda prohibida fotónica (habitualmente a esta región se la conoce por su término en inglés photonic band gap) . La posición de dicha banda prohibida fotónica es dependiente del índice de refracción de los materiales que componen la

estructura dieléctrica empleada, por lo que, obteniendo la

posición: de la banda prohibida fotónica, se puede detectar

cualquier: variación del índice de refracción en la

estructura: dieléctrica. En el caso general del método

empleado: por la mayoría de sensores fotónicos (y que

también resulta implementable por la presente invención), la posición de la banda prohibida fotónica se obtiene, bien usando una fuente de señal sintonizable en frecuencia y un detector de banda ancha, o bien usando una fuente de banda ancha y un detector sintonizable en frecuencia. A partir de la observación directa del espectro, se determina la posición de la banda prohibida fotónica que permitirá determinar el índice de refracción de la sustancia o la presencia (y cantidad) de un determinado analito.

Adicionalmente, la presente invención se propone un método y un dispositivo en los que se utiliza únicamente la potencia de salida de una estructura dieléctrica periódica para realizar la detección, por lo que no resulta necesario realizar un barrido del espectro de frecuencias. El método propuesto se describe en las figuras la, lb y le. En la figura la se representa el estado inicial en el que se tiene el espectro de transmisión (Y) de una estructura dieléctrica periódica (1), el cual presenta una banda prohibida fotónica ( 2) que cubre un determinado rango de longitudes de onda (X). Para realizar la medida, se hace uso de una fuente de señal (3) con un determinado ancho de banda (4), la cual está situada en la zona del límite de la banda prohibida fotónica (5). De esta forma, la banda prohibida fotónica actúa como un filtro, dejando pasar únicamente una parte de la señal utilizada como excitación (6). Al medir la potencia a la salida utilizando un medidor

de potencia de banda ancha, se obtiene un determinado valor de potencia (9), tal y como se representa en la figura le, el cual está determinado por la porción del espectro de la señal de entrada que ha sido filtrada por la banda prohibida fotónica. En la figura lb se representa el estado en el que se ha depositado la sustancia o analito que se

desea sensar. La sustancia o analito provoca una variación del índice de refracción en la estructura fotónica, provocando a su vez un desplazamiento del espectro de transmisión (Y) de la estructura dieléctrica periódica (7). En la figura lb se muestra el caso en el que se ha depositado una sustancia con índice de refracción mayor a la que se tenía en el caso representado en la figura la, de forma que se produce un desplazamiento del espectro de transmisión (Y) hacia longitudes de onda (X) superiores. Al desplazarse el espectro de transmisión (Y) de la estructura dieléctrica periódica se produce, a su vez, un desplazamiento de la banda prohibida fotónica. Esto provoca una variación en cantidad de señal de la fuente de excitación que ha sido filtrada ( 8) . En la figura le se muestra la evolución de la potencia de salida (Y') con el tiempo (X'), donde se puede observar cómo, en el momento

(10) en el que se produce la variación de índice de refracción en la estructura dieléctrica periódica, el desplazamiento de la banda prohibida fotónica provoca un aumento en la potencia de salida (Y') de la estructura, hasta alcanzarse el nivel de potencia (11) determinado por el índice de refracción de la sustancia o analito depositado.

Utilizando el método descrito en esta invención se evita la utilización de fuentes o detectores sintonizables en frecuencia para obtener el espectro de transmisión del dispositivo fotónico para hacer el sensado. De esta forma se simplifica la medida, se evita la utilización de elementos de mayor coste (como son las fuentes y detectores sintonizables), y se consigue realizar un sensado en tiempo real.

Además de las anteriores características, y debido a las propiedades de escalado que presentan las estructuras periódicas, la respuesta de del dispositivo de la presente

35 invención puede ser implementada para cualquier rango de frecuencias de trabajo, mediante la realización de un escalado adecuado de la constante de red de la estructura

periódica, pudiendo obtener un comportamiento de sensado equivalente, independientemente del rango de frecuencias utilizado (i. e.' infrarrojo, microondas, terahercios, etc.).

Para conseguir tener la banda prohibida fotónica necesaria para realizar el sensado, se puede hacer uso de cualquier estructura dieléctrica que sea periódica en la dirección de propagación, ya que esta característica es la responsable de la aparición de la banda prohibida fotónica. En las figuras 2, 3 y 4 se muestran distintas configuraciones de estructuras dieléctricas periódicas que pueden ser utilizadas para la implementación de un sensor fotónico, utilizando el método descrito en esta invención. La figura 2 muestra una estructura dieléctrica planar (de altura h) que es periódica en dos dimensiones. La estructura está formada por una red periódica de agujeros creada en un material de alto índice de refracción (12) . Pese a que la estructura mostrada es periódica en dos dimensiones, de cara a la realización de las funciones de sensado, la periodicidad que resulta de interés será la que se produce en la dirección de propagación de la onda. Se ha representado la celda básica (13), que es la que se repite de forma periódica en la dirección de propagación (14), con un periodo a. De esta forma, si la estructura ha sido diseñada de forma adecuada, ésta presentará una banda

prohibida fotónica en la dirección de propagación, según lo descrito anteriormente. En la figura 2 se indican también la señal de entrada a la estructura (15) y la señal de salida (16) .

En la figura 3 se muestra otra configuración de estructura dieléctrica planar (de altura h) periódica en la dirección de propagación. La estructura es idéntica a la mostrada en la figura 2, pero en este caso se ha introducido un defecto lineal para crear una guía de onda

3 5 (17) El defecto creado en este caso consiste en eliminar

una fila de agujeros de la estructura periódica (aunque existirán múltiples opciones para la introducción de

defectos lineales para la creación de guías de onda) . De nuevo, tendremos una celda básica (18) que se repite a lo largo de la dirección de propagación (19) , con un periodo

a. En este caso, si el diseño de la estructura se realiza correctamente, se puede disponer tanto de una banda prohibida fotónica como de modos guiados. Cualquiera de

ellos: puede ser utilizado para realizar el sensado,

utilizando: el método descrito en esta invención. De nuevo,

en: la figura 3 se indican la señal de entrada a la

estructura (20) y la señal de salida (21).

La figura 4 muestra otra posible configuración de estructura dieléctrica planar (de altura h) periódica en la dirección de propagación. En este caso se tiene únicamente una estructura que es periódica en la dirección de propagación, a diferencia de las estructuras mostradas en las figuras 2 y 3, en las que se posee una periodicidad adicional en el plano (periodicidad bidimensional). La estructura consiste en una celda básica (22) formada por un elemento rectangular transversal de anchura Wi y longitud We introducido en una guía de anchura w; esta celda básica se repite a lo largo de la dirección de propagación (23) con un periodo a para conseguir la estructura periódica total. Existirán combinaciones de los parámetros de la estructura (i.e., periodo, anchura y longitud de los elementos transversales, altura, e índices de refracción de los

materiales utilizados) para los que se puede conseguir tener una banda prohibida fotónica. En la figura 4 se indican también las señales de entrada (24) y de salida

(25) de la estructura.

A partir de las configuraciones mostradas en las figuras 2, 3 y 4, se puede concluir que el método propuesto puede ser utilizado con cualquier estructura dieléctrica que sea periódica en la dirección de propagación

(independientemente de que también sea periódica en otras dimensiones), que presente una banda prohibida fotónica. Esta invención describe, pues, un método y un dispositivo de sensado fotónico, utilizando la amplitud de

la señal de salida sin necesidad de realizar un barrido en

frecuencia cuando se trabaja con estructuras dieléctricas periódicas, independientemente de la estructura periódica utilizada, el tipo de fuente y detector utilizado para realizar la medida, o el método de utilizado para crear la estructura de sensado. En distintas realizaciones preferentes de la presente invención, es posible hacer uso de cualquier estructura periódica en la dirección de propagación de la señal, ya sea en una, dos o tres dimensiones, bien mediante un substrato planar sobre el que se conforman estructuras periódicas en una o dos dimensiones, o mediante otro tipo de estructuras, tales cristales fotónicos tridimensionales u ópalos, siempre que presenten las propiedades características asociadas a la existencia de una banda prohibida fotónica.

EJEMPLO DE UNA REALIZACIÓN PREFERIDA DE LA INVENCIÓN

Para ilustrar el método y el dispositivo de sensado propuestos en esta invención, escogemos la realización preferida que se representa en la figura 4. La estructura periódica se crea en Silicio, sobre un substrato inferior de óxido de Silicio, y está rodeada de aire. Se parte de una guía rnonornodo de altura h = 250nrn y anchura w = 500nrn. En esta guía se introducen, de forma periódica, los elementos transversales para formar la celda básica. Los elementos transversales tienen unas dimensiones de w1 110nrn y We = 2prn. Seleccionando un periodo de a = 300nrn, se consigue tener una banda prohibida fotónica de la transmisión normalizada (Y'') para los modos con polarización TE (definida dicha polarización corno aquélla para la cual el campo eléctrico tiene sus componentes en el plano de la estructura planar), aproximadamente entre unas longitudes de onda (X'') de 1550nrn y 1570nm, tal y corno se

muestra en la figura 5 (26). Al introducir a la estructura dieléctrica periódica la señal procedente de una fuente de excitación, con un ancho

de banda de 5nm y centrada en una longitud de onda de 1556nm, se obtiene un determinado nivel de potencia pl a la salida, el cual viene determinado por la potencia de la señal de entrada utilizada y por las pérdidas del dispositivo (i. e., pérdidas de acoplo, pérdidas de propagación, etc.). En el momento en el que se deposita una sustancia sobre la estructura dieléctrica periódica con índice de refracción ngt;1 (se parte del caso en el que se tiene aire por encima de la estructura dieléctrica periódica, cuyo n=1), se produce una variación en la respuesta de la estructura dieléctrica periódica, que provoca un desplazamiento de la banda prohibida fotónica hacia longitudes de onda superiores (ya que se ha producido un aumento del índice de refracción del material que recubre la estructura) . Este desplazamiento de la banda prohibida fotónica produce una variación en la potencia óptica medida a la salida del dispositivo, pasando a tener una medida P2, que será mayor a P1• Este nivel de potencia P2

permite: determinar, bien el índice de refracción de la

sustancia: depositada, bien la presencia y cantidad de un

determinado: analito a detectar. En concreto, para la

realización: preferida, se ha estimado una sensibilidad de

la: estructura a las variaciones de índice de refracción de

aproximadamente 20nm/UIR. Esta sensibilidad es la que determina el desplazamiento de la banda prohibida fotónica, al variar el índice de refracción del material que rodea la estructura. Con el método de sensado aquí propuesto, se ha comprobado experimentalmente cómo esta sensibilidad, en términos de índice de refracción, se traduce en una sensibilidad en términos de potencia de aproximadamente 50dB/UIR. Cabe destacar que este valor de sensibilidad es únicamente válido para el margen de índices de refracción que hacen que el límite de la banda prohibida fotónica se encuentre dentro del rango de longitudes de onda de la fuente de excitación utilizada. Considerando una resolución en la medida de potencia del orden de O. 00 ldB (la cual puede ser conseguida con los medidores de potencia

actuales; incluso se podrían alcanzar valores mucho mayores de resolución realizando un promediado temporal), se alcanzaría un lírnite de detección de 2xlo-s (el cual, como se ha comentado anteriormente, podría ser incluso mucho

5 menor) . En el caso de realizar medidas de un determinado analito, los valores de sensibilidad y límite de detección están caracterizadas por las propiedades intrínsecas del propio analito: tamaño, masa, índice de refracción en el rango de longitudes de onda de trabajo, etc.

Claims

REIVINDICACIONES

1.-Método de sensado fotónico para la detección de analitosque comprende el uso de una estructura dieléctrica, periódica en la dirección de propagación de las ondas que se 5transmiten a través de dicha estructura, y que presenta una banda prohibida fotónica de transmisión, caracterizadodicho métodoporque:a) se genera, al menos, una señal de banda anchaa través de la estructura dieléctrica periódica sin analito, 10centrada en la región del límite de la banda prohibida fotónica, de forma que una fracción de la potencia de la señal de banda anchaquede dentro de la banda prohibida fotónicay otra fracciónde dicha potenciaquede dentro de la banda de transmisión de la estructuradieléctrica 15periódica, y manteniéndose dicha señal de bandaancha a lo largo del proceso de sensado;b) se midede forma directa, sin obtener la respuesta en frecuencia de la estructura dieléctrica periódica, la cantidad de potencia de salidade la señal de banda ancha20que no ha sido filtrada por la banda prohibida fotónica.c) se dispone el analito objeto de sensadoen la estructura dieléctrica periódica;d) se mide de forma directa, sin obtener la respuesta en frecuenciade la estructura dieléctrica periódica, la 25variación en la cantidad de potencia de salidade la señal de banda ancha que no ha sido filtrada por la banda prohibida fotónica;e) se determinan cualesquiera propiedades del analito objeto del sensado, tales como su índice de refracción y/o 30la cantidad depositada de dicho analito, a partir de la variación en la cantidad de potencia de salida de la señal de banda ancha que no ha sido filtrada por la banda prohibida fotónica, con respecto al valor obtenido antes de disponer el analito en la estructura dieléctrica periódica;y donde dicho método comprende la realización de un escalado de la constante de red de la estructura dieléctrica 5periódicapara fijar el rango de frecuencias de trabajo de dicha estructura.2.-Método de sensadofotónicosegún la reivindicación 1, en el que la estructura dieléctrica periódica utilizada 10es una estructura dieléctrica periódica de substrato planar.3.-Método de sensado fotónico según la reivindicación 1, en el que la estructura dieléctrica periódica utilizada es una estructura dieléctrica periódica tridimensional.154.-Método de sensadofotónicosegún cualquiera de las reivindicaciones 1-3,en el que la variación del índice de refracción de la estructura dieléctrica periódica no se produce como consecuencia de depositar el analito, sino que20varía mediante cualquier otrapropiedad, a través de la cual se modifique el índice de refracción de cualquiera de las partes que forman dichaestructuradieléctrica como, por ejemplo, utilizando materiales que permitan la absorción de determinados analitos para la fabricación de 25la estructura dieléctrica periódica, modificando así sus propiedades en términos de índice de refracción.5.-Método de sensadofotónicosegún cualquiera de las reivindicaciones 1-4,en el que la fuente de excitación y/o30el detector de señal están, bien integrados en la estructura de sensado, o bien son externos a dicha estructura.6.-Método de sensado fotónicosegún cualquiera de las reivindicaciones 1-5, en el que se utilizan múltiples estructuras dieléctricas periódicas de banda prohibida 5fotónica para la realización de múltiples detecciones, independientemente de que cada estructura tenga su propia fuente de excitación o de que varias estructuras sean excitadas por la misma fuente, pudiendo cada estructura dieléctrica periódica ser utilizada para detectar 10diferentes analitos.7.-Método de sensado fotónicopara la detección de analitos, que comprende el uso deuna estructura fotónica que proporcioneuna respuestaante una fuente luminosa de 15excitación en la que existaun cierto rango de frecuencias que no se transmite, o sufre una mayor atenuación en su señal de potencia de salida, de forma que proporcionen un determinado rango de frecuencias que no son transmitidas, de modo equivalente a una banda prohibida fotónica, 20caracterizado porque:a) se genera, al menos, una señal de banda anchaa través de la estructura fotónica sin analito, centrada en la región del límite de la banda de frecuencias que no son transmitidas, de forma que una fracción de la potencia de la 25señal de banda anchaquede dentro de la banda de frecuencias que no son transmitidas y otra fracción quede dentro de la banda de frecuencias que sí son transmitidas, y manteniéndose dicha señal de banda ancha a lo largo del proceso de sensado;30b) se midede forma directa, sin obtener la respuesta en frecuencia de la estructura fotónica, la cantidad de potencia de salida de la señal de banda ancha que no ha sido filtrada por la banda de frecuencias que no son transmitidas;c) se dispone el analito objeto de sensadoen la estructura fotónica;5d) se mide de forma directa, sin obtener la respuesta en frecuencia, la variación en la cantidad de potencia de salida de la señal de banda ancha que no ha sido filtrada por la banda de frecuencias que no son transmitidas;e) se determina el índice de refracción y/o la cantidad 10depositada de dicho analito, a partir de la variación en la cantidad de potencia de salida de la señal de banda ancha que no ha sido filtrada por la banda de frecuencias que no son transmitidas, con respecto al valor obtenido antes de disponer el analito en la estructura fotónica;15y donde dicho método comprende la realización de un escalado de la estructura fotónicaparafijarel rango de frecuencias de trabajo de dicha estructura.8.-Método según la reivindicación 7, donde la 20estructura fotónica empleada comprende un filtro de banda rechazada fabricado mediante la utilización de anillos resonantes.9.-Dispositivo de sensadofotónico para la detección 25de analitos que comprende el uso deuna estructura dieléctrica, periódica en la dirección de propagación de las ondas que se transmiten a través de dicha estructura, que comprende:a) una estructura dieléctricaperiódica que presenta30una banda prohibida de transmisióny dondese realiza un escalado de laconstante de redde dicha estructura dieléctrica, para fijarsurango de frecuencias de trabajo;b) al menos, una fuente de excitación conectada a la estructura dieléctrica periódica, destinada a proporcionar, al menos, una señal de banda ancha centrada en la región del límite de la banda prohibida fotónica, de forma que una 5fracción de la potencia de la fuente de excitación quede dentro de la banda prohibida fotónica;c) al menos, un detector de potencia de banda ancha conectado a la estructura dieléctrica periódica, destinadoa indicar la cantidad de potencia de salida de la señal de 10banda ancha que no ha sido filtrada por la banda prohibida fotónica, de forma que el sensado se realiza directamente, a partir de la variación de potencia producida al disponerel analito objeto de sensado, sin obtener la respuesta en frecuencia de la estructura dieléctrica periódica.1510.-Dispositivo de sensadofotónicosegún la reivindicación 9, en el que la estructura dieléctrica periódica que conforma dicho dispositivo es una estructura dieléctrica periódica de substrato planar.2011.-Dispositivo de sensadofotónicosegún la reivindicación 10, en el que la estructura dieléctrica periódica que conforma dicho dispositivo es una estructura dieléctrica periódica tridimensional.2512.-Dispositivo de sensadofotónicosegún cualquiera de las reivindicaciones 9-11,en el que la variación del índice de refracción de la estructura dieléctrica periódica no se produce como consecuencia de depositar el analito, 30sino quevaría mediante cualquier otro método, a través del cual se modifique el índice de refracción de cualquiera de las partes que forman dichaestructuradieléctrica como, por ejemplo, utilizando materiales que permitan la absorción de determinados analitos para la fabricación de la estructura dieléctrica periódica, modificando así sus propiedades en términos de índice de refracción.513.-Dispositivo de sensadofotónicosegún cualquiera de las reivindicaciones 9-12,en el que la fuente de excitación y/oel detector de señal están, bien integrados en la estructura de sensado, o bien son externos a dicha 10estructura.14.-Dispositivo de sensado fotónicosegún cualquiera de las reivindicaciones 9-13, en el que se utilizan múltiples estructuras dieléctricas periódicas de banda 15prohibida fotónica, ocualesquiera otrasestructuras con respuesta equivalente,para la realización de múltiples detecciones, independientemente de que cada estructura tenga su propia fuente de excitación o de que varias estructuras sean excitadas por la misma fuente, pudiendo 20cada estructura dieléctrica periódica ser utilizada para detectar diferentes analitos.15.-Dispositivo de sensadofotónico para la detección de analitos, que comprende:25a) una estructura fotónica que proporcioneuna respuestaante una fuente luminosa de excitación en la que existaun cierto rango de frecuencias que no se transmite, o sufre una mayor atenuación en su señal de potencia de salida, de forma que proporcionen un determinado rango de 30frecuencias que no son transmitidas, de modo equivalente a una banda prohibida fotónica, y donde se realiza un escalado de dicha estructura fotónica, para fijar el rango de frecuencias de trabajo de dicha estructura;b) al menos, una fuente de excitación conectada a la estructura fotónica, destinada a proporcionar, al menos, unaseñal de banda ancha centrada en la región del límite de la banda de frecuencias que no son transmitidas, de forma que 5una fracción de la potencia de la fuente de excitación quede dentro de la banda de frecuencias que no son transmitidas y otra fracción queda dentro de la banda de frecuencias que sí son transmitidas;c) al menos, un detector de potencia de banda ancha 10conectado a la estructura fotónica, destinadoa indicar la cantidad de potencia de salida que no ha sido filtrada por la banda de frecuencias que no son transmitidas, de forma que el sensado se realiza directamente, a partir de la variación de potencia producida al disponerel analito 15objeto de sensado, sin obtener la respuesta en frecuencia de la estructura fotónica.16.-Dispositivo según la reivindicación 15, donde la estructura fotónica empleada comprende un filtro de banda 20rechazada fabricado mediante la utilización de anillos resonantes.