Doctorado en Ingeniería · 2025
Diseño de transductores fotónicos usando materiales poliméricos y grafeno para aplicaciones de biosensado
En este trabajo doctoral se presenta el diseño y análisis numérico de un biosensor fotónico basado en un interferómetro Mach Zehnder. El dispositivo tiene como base una guía de onda tipo de Strip de polímero SU-8 y dimensiones de 600 x 700 nm en la que se integró una estructura capacitiva conformada por 2 monocapas de grafeno con el fin de aprovechar la posibilidad de sintonización del nivel de Fermi y así reducir la absorción óptica del grafeno y el subsecuente aumento del campo evanescente en el área sensora del transductor. Este comportamiento se genera debido a la interacción inducida entre el modo óptico propagado en la guía de onda polimérica y el campo eléctrico generado en el mecanismo de grafeno. La optimización del campo evanescente presente en el área sensora se refleja en un aumento de la sensibilidad del transductor, debido a que se generan cambios más fuertes en el índice de refracción del recubrimiento de la guía de onda cuando ocurre un evento de biodetección, y por tanto una mayor variación en la variación de fase de la señal óptica a la salida del dispositivo.
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Contenido
- Resumenp. 12
- Abstractp. 13
- Introducciónp. 14
- Propuesta de Investigaciónp. 17
- Antecedentes y Planteamiento del Problema de Investigaciónp. 17
- Objetivosp. 21
- Objetivo Generalp. 21
- Objetivos Específicosp. 21
- Aspectos Metodológicosp. 22
- Documentación Teórica y Modelamiento Matemáticop. 23
- Diseño y Análisis de las Guías de Ondap. 24
- Caracterización del Grafeno e Implementación de Algoritmosp. 25
- Validación de la Estructura MZI mediante Análisis de Sensibilidadp. 25
- Estado del Artep. 26
- Biosensores Plasmónicosp. 26
- Biosensores Interferométricosp. 28
- Biosensores de anillos resonantesp. 29
- Alcances y Limitacionesp. 30
- Aportes de la Tesisp. 30
- Productos de Generación de Nuevo Conocimientop. 31
- Productos de Apropiación Social del Conocimientop. 32
- Formación de Recurso Humanop. 33
- Apropiación de CTeIp. 33
- Marco Teóricop. 35
- Guías de Onda Nanofotónicasp. 36
- Principio de Propagación en Guías de Onda Fotónicasp. 37
- Modos de Propagaciónp. 38
- Guía de Onda Slab y Ecuaciones de Maxwellp. 40
- Solución de los Modos TE y TMp. 42
- Método de Índice Efectivop. 48
- Biosensoresp. 49
- Biosensores ópticosp. 50
- Biosensores de Onda Evanescentep. 51
- Transductores Ópticos de Onda Evanescentep. 53
- Biosensores SPRp. 53
- Biosensores basados en MZIp. 55
- Biosensores basados en anillos resonantesp. 55
- Biosensores basados en cristales fotónicosp. 56
- Grafenop. 57
- Propiedades electroópticas del Grafenop. 57
- Métodos de Análisis Matemáticop. 58
- Modelamiento Matemático del Método FEMp. 59
- Discretizaciónp. 60
- Formulación de las Ecuaciones de un Elemento Típicop. 61
- Método de Perturbación en Guías de Onda Fotónicasp. 62
- Herramientas de Análisis de los Transductores Fotónicosp. 65
- Sensibilidad y Sensibilidad Volumétricap. 65
- Límite de Detecciónp. 67
- Análisis de Guías de Onda Fotónicas con Materiales Poliméricosp. 68
- Metodología de Análisis de Guías de Onda Fotónicasp. 68
- Definición de parámetros globalesp. 69
- Definición de la geometríap. 69
- Definición de los materialesp. 70
- Definición del malladop. 71
- Definición del Tipo de Estudio a Realizarp. 71
- Análisis Modal y Curvas de Dispersiónp. 72
- Curvas de Dispersión del Guía de Onda Stripp. 74
- Análisis de guías de onda poliméricas con monocapas de grafenop. 78
- Cálculo del Índice de Refracción Efectivo sin Monocapas de Grafenop. 79
- Caracterización de las propiedades electroópticas del Grafenop. 81
- Grafenop. 57
- Análisis de Sensibilidad Respecto al Nivel de Fermi del Grafenop. 89
- Cálculo de la Sensibilidad y Límite de Detección del MZIp. 92
- conclusionesp. 94
- Referenciasp. 96
- Adaptado de (Spackova et al., 2016)p. 27
- Tabla 2. Estructuras interferométricas para aplicaciones de biosensadop. 28
- Tabla 3. Estudios recientes sobre biosensores basados en anillos resonantesp. 29
- Tabla 5. Parámetros de simulación del guía de onda Stripp. 74
- Tabla 6. Dimensiones de guías de onda Strip para operación monomodo y bimodalp. 76
- Figura 1. Metodología de la Tesisp. 22
- Adaptado de (Selvaraja & Sethi, 2018)p. 36
- de (Okamoto, 2006)p. 37
- Figura 4. Propagación de rayos y frente de fase en una guía de onda (Okamoto, 2006)p. 38
- Primer Orden 𝑇𝐸1 (Okamoto, 2006)p. 39
- Figura 6. Guía de onda tipo Slab. Adaptado de (Okamoto, 2006)p. 40
- Figura 7. Perfil de índice de refracción escalonado. Adaptado de (Okamoto, 2006)p. 43
- Adaptado de (Lifante, 2003)p. 48
- Figura 9. Diagrama esquemático de un biosensor (González Guerrero, 2012)p. 49
- Figura 10. Diagrama esquemático de un biosensor óptico (Long et al., 2013)p. 50
- interna. b. Campo evanescente en guía de onda óptica. (Elaboración Propia)p. 51
- de fase. Adaptado de (Gavela et al., 2016)p. 52
- Cristales fotónicos. (Elaboración Propia)p. 54
- Figura 14. Elemento Triangularp. 60
- Propia)p. 63
- Acha et al., 2021)p. 66
- Figura 17. Etapas del Método FEM: a) Geometría. b) Mallado. c) Análisis de Propagaciónp. 70
- Figura 19. Curvas de dispersión de guías Strip con núcleo de: a) SU-8. b) Siliciop. 75
- Figura 20. Guía de Onda Strip de Referenciap. 76
- Figura 21. Algoritmo general para el análisis de guías de onda con monocapas de grafenop. 78
- Figura 22. Algoritmo del método de índice efectivop. 80
- Figura 23. Algoritmo de caracterización de las propiedades del grafenop. 81
- Parte Imaginariap. 82
- Figura 25. Guía de onda Strip con doble monocapa de grafenop. 83
- Figura 26. Algoritmo para el cálculo del índice efectivo mediante el método de perturbaciónp. 84
- Figura 27. Guía de onda Rib para validación del algoritmo del método de perturbaciónp. 85
- Figura 28. Aplicación del Método de índice efectivo a una guía de onda Ribp. 86
- Imaginariap. 86
- en 2Dp. 88
- Strip polimérica con grafeno y λ = 633 nm. a) Parte Real. b) Parte Imaginariap. 90
- refracción del recubrimiento entre 1.33 y 1.34p. 90
- refracción del recubrimiento entre 1.33 y 1.39p. 91
- sensora de 1,5 y 2 cm y nivel de Fermi de 2 eVp. 92