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.

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 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 (n₁>n₂), la luz quedará confinada en el núcleo por el fenómeno de reflexión total interna y se podrá propagar a través de la fibra. La respuesta en frecuencia de la fibra dependerá de numerosos factores, como 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 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 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.

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/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 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 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.

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 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 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 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 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 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 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 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 2x10^-5 UIR [3].

Otro tipo de estructura fotónica de gran interés para el desarrollo de dispositivos de sensado son las 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 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...

1. Método de sensado fotónico para la detección de analitos, 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, caracterizado porque:

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.

c) Se dispone el analito objeto de estudio en la estructura dieléctrica periódica.

d) Se mide de forma directa, sin necesidad de 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 como 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.

2. Método de sensado fotónico según la reivindicación 1, en el que la estructura dieléctrica periódica utilizada es 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.

4. Método de sensado fotónico según 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 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 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.

5. Método de sensado fotónico según cualquiera de las reivindicaciones 1-4, 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.

6. Método de sensado fotónico según cualquiera de las reivindicaciones 1-5, en el que la fuente de excitación y/o el detector de señal están, bien integrados en la estructura de sensado, o bien son externos a dicha estructura.

7. Método de sensado fotónico según cualquiera de las reivindicaciones 1-6, en el que se utilizan múltiples estructuras dieléctricas periódicas de banda prohibida fotónica 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 diferentes analitos.

8. Método de sensado fotónico según cualquiera de las reivindicaciones 1-7, en el que, en lugar de una estructura 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 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 modo equivalente a una banda prohibida fotónica.

9. Dispositivo de sensado fotónico para la detección de analitos, caracterizado por llevar a cabo el método de las reivindicaciones 1-8.

10. Dispositivo de sensado fotónico para la detección de analitos según la reivindicación 9, 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, que comprende:

a) Una estructura dieléctrica periódica que presenta una banda prohibida de transmisión.

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 fracción 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, 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.

11. Dispositivo de sensado fotónico según la reivindicación 10, en el que la estructura dieléctrica periódica que conforma dicho dispositivo es una estructura dieléctrica periódica de substrato planar.

12. Dispositivo de sensado fotónico según la reivindicación 11, en el que la estructura dieléctrica periódica que conforma dicho dispositivo es una estructura dieléctrica periódica tridimensional.

13. Dispositivo de sensado fotónico según cualquiera de las reivindicaciones 9-12, 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.

14. Dispositivo de sensado fotónico según cualquiera de las reivindicaciones 9-13, 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.

15. Dispositivo de sensado fotónico según cualquiera de las reivindicaciones 9-14, en el que la fuente de excitación y/o el detector de señal están, bien integrados en la estructura de sensado, o bien son externos a dicha estructura.

16. Dispositivo de sensado fotónico según cualquiera de las reivindicaciones 9-15, en el que se utilizan múltiples 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 excitadas por la misma fuente, pudiendo cada estructura dieléctrica periódica ser utilizada para detectar diferentes analitos.

17. Dispositivo de sensado fotónico según cualquiera de las reivindicaciones 9-16, en el que, en lugar de una estructura 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 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 modo equivalente a una banda prohibida fotónica.