High-performance integrated photonic systems for near- and mid-infrared sensing applications.

Abstract

Los sensores fotónicos integrados son una solución compacta y de altas prestaciones para la detección de bajas concentraciones de biomarcadores y gases, lo que a su vez es fundamental para afrontar los desafíos sanitarios y climáticos del Siglo XXI. Mediante el análisis de los cambios en las propiedades ópticas de la luz guiada, es posible detectar analitos de forma cuantitativa y en tiempo real. Además, las plataformas fotónicas del Grupo IV son compatibles con los procesos de la industria microelectrónica, favoreciendo la producción a escala de chips que puedan constituir laboratorios-en-chip y redes de sensores inteligentes. Esta tesis está dedicada a la investigación y desarrollo de diferentes arquitecturas de sensores fotónicos integrados, en el infrarrojo cercano (NIR) y en medio (MIR), aportando novedades y mejoras con respecto al estado de la cuestión. Para ello, además de minimizar el límite de detección, se han considerado aspectos como la cantidad de información por medida, el área ocupada o la optimización del sistema. Tres contribuciones principales respaldan este trabajo. La primera es un sensor de índice de refracción complejo, operando en el NIR, basado en un interferómetro de Mach-Zehnder modificado para detectar simultáneamente cambios de absorción y refracción, permitiendo la caracterización completa de un material con una sola medida. La segunda consiste en un sensor interferométrico en el NIR, basado en una guía bimodal combinada con una excitación modal controlada y detección coherente de fase. Las prestaciones obtenidas son equiparables a las de un interferómetro convencional, pero ocupando la mitad de área. Por último, se han diseñado y comparado rigurosamente guías para espectroscopía de absorción en el MIR basadas en diferentes materiales, buscando las prestaciones óptimas.