Improving the performance of silicon photonic optical resonator-based sensors for biomedical applications
Notice bibliographique
Résumé
Silicon photonic biosensors show great potential for applications in medical diagnostics and healthcare services. Near-infrared transparency and high refractive index of silicon allow us to build compact and efficient circuits leveraging CMOS foundries, which provide low-cost mass production and enable the integration of the optoelectronic components on the same chip. Although silicon photonic biosensors have proven performances close to today's gold standard diagnostics, many applications still require higher multiplexing, as well as more sensitive, reliable and quantitative measurements. This dissertation is based on theoretical and experimental studies of silicon photonic sensing architectures in terms of sensor performance improvement and unit-cost reduction. Specifically, two novel sub-wavelength grating-based (SWG) waveguide configurations are presented to improve the sensitivity. Leveraging the advantage of SWG metamaterials, the substrate-overetch (SOE) and multi-box SWG devices present a largely extended modal size and surface contact area, which gives 10-time enhanced sensitivity compared to the conventional devices. In addition, by employing the Bragg grating as the sensing architecture, the multi-box SWG-based grating configuration achieves a lower detection limit compared to the microring resonator (MRR) counterpart and demonstrates the capability for monitoring small molecule interactions. Replacing the laser with a broadband source can provide a lower-cost solution for the optical system. Therefore, two cost-effective broadband light source-based sensing implementations are proposed and demonstrated with acceptable sensitivities. The first implementation uses cascaded MRRs for index monitoring, where the analyte variation is converted to the photocurrent change as the readout. The second implementation uses a phase-shifted Bragg grating-based symmetrical Mach-Zehnder interferometer, where the analyte variation maps the intensity change at the resonant wavelength. Furthermore, a system-level integration of active silicon photonic sensors using Fan-Out Wafer-Level-Packaging (FOWLP) is proposed in the dissertation, which can reduce the die size down to 1 mm² while simplifying the microfluidic and optical integration. Leveraging the CMOS foundries and the proposed FOWLP technique, the unit cost of each packaged sensing die can be reduced to several dollars.
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Comment cette classification a été obtenuedéplier
Prédiction machine sur la base complète
Imitation des enseignantsNi prévalence calibrée, ni vérité terrain. Validation humaine à venir. Le volet Gemma est une étiquette directe du modèle pour chaque travail de la base, lue sur la notice réduite au titre. Le volet Codex est un classifieur appris des 10 348 étiquettes directes de Codex et calibré sur les taux pondérés de l'échantillon; les champs sans appui suffisant ne portent aucun appel Codex. Le mode candidate est l'union des deux volets; le consensus est leur intersection. Ces sorties portent le statut machine_predicted_unvalidated et ne sont pas des étiquettes humaines.
Scores du classifieur distillé par catégorie (deux têtes)
| Catégorie | Codex | Gemma |
|---|---|---|
| Métarecherche | 0,001 | 0,001 |
| Méta-épidémiologie (sens strict) | 0,001 | 0,000 |
| Méta-épidémiologie (sens large) | 0,000 | 0,000 |
| Bibliométrie | 0,000 | 0,000 |
| Études des sciences et des technologies | 0,000 | 0,000 |
| Communication savante | 0,001 | 0,001 |
| Science ouverte | 0,001 | 0,000 |
| Intégrité de la recherche | 0,001 | 0,000 |
| Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger) | 0,001 | 0,001 |
Scores machine (provisoires)
Les deux têtes enseignantes du modèle étudiant, lues sur ce travail. Un score ordonne la base pour la relecture; il n'affirme jamais une catégorie, et le statut de validation accompagne chaque rangée tel quel.
Scores de référence d'un modèle non mature (critères de maturité non atteints, 7 itérations). Un score ordonne; il n'affirme jamais une catégorie.
score_only:v0-immature-baseline · tel quel depuis la passe de notation : score_only signifie que le nombre peut ordonner les travaux, et qu'aucune étiquette de catégorie n'en découleClassification
machine, non validéePrédiction automatique; un appel candidat d’une seule source (Gemma direct ou Codex distillé), pas un consensus.
Le détail, modèle par modèle et score par score, se trouve en fin de page sous « Comment cette classification a été obtenue ».