Desenvolvimento de um detetor ótico multicanal para circuitos integrados fotónicos planares

Abstract

A tecnologia de fotónica integrada em silício, que tem vindo a ser explorada para diversos tipos de finalidades incluindo as aplicações médicas, apresenta-se como uma solução aliciante para a conceção de sistemas de diagnóstico portáteis. Nos últimos anos têm sido demonstrados sensores bioquímicos de elevada sensibilidade com base nesta tecnologia, sendo frequente a utilização de agregados de estruturas interferométricas para uma leitura otimizada ou para a análise de várias patologias. As melhorias que têm sido alcançadas no fabrico de guias de onda em silício amorfo, assim como a sua maior acessibilidade face ao silício cristalino, motivaram a escolha deste material no projeto PhotoAKI que pretende a conceção de um dispositivo de diagnóstico para insuficiência renal aguda de baixo custo, baseado num agregado de interferómetros plasmónicos. O foco deste trabalho é o desenvolvimento de um módulo de aquisição de sinal com a versatilidade necessária para a sua adaptação a estruturas fotónicas com múltiplos guias de onda, como o dispositivo deste projeto. O sistema foi baseado num sensor de imagem linear com funcionamento no espetro infravermelho, podendo os canais de deteção ser configurados de forma flexível, mapeando e combinando, se necessário, os píxeis do sensor de imagem. A gestão do módulo, que inclui um circuito de acondicionamento programável com ajuste de ganho e de nível, um conversor analógico-digital e um controlador para uma fonte emissora, é feita por um microcontrolador da família STM32. A comunicação com um computador é feita através de uma ligação USB utilizando o padrão SCPI, tendo sido desenvolvida uma aplicação para configurar o sistema e fazer a leitura e armazenamento dos dados.

Silicon integrated photonics technology, which has been developed for various applications including medical, stands up as an attractive solution for the conception of portable diagnosis systems. In the past few years, biochemical sensors of high sensitivity have been demonstrated based on this technology, often employing arrays of interferometric structures for either advanced read-out strategies or the analysis of multiple pathologies from the same sample. Developments on the production of amorphous silicon waveguides, as well as it’s accessibility, motivated the choice of this material for the conception of a low-cost diagnosis device for acute kidney insufficiency, under the PhotoAKI project, based on an array of plasmonic interferometers. The present work focuses on the development of a signal acquisition module able to adapt to different photonic structures with multiple output waveguides, aiming to be used on this project. This system was based on an infrared linear image sensor, allowing a flexible mapping of the pixels into an arbitrary number of detection channels. The module, which includes a signal conditioning circuit with gain and level adjustment, a high-speed analog-to-digital converter and a light source controller, is managed by an STM32 family microcontroller. It communicates with a computer through USB using the SCPI standard. A graphical application has been developed to configure the device and acquire and represent data.