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Visible wavelength photonic integrated circuits for life science applications
2023 & 2024
Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2023
Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2024
Genehmigende Fakultät
Fak06
Hauptberichter/Gutachter
;
Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2023-11-13
Online
DOI: 10.18154/RWTH-2024-04762
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/985716/files/985716.pdf
Einrichtungen
Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 621.3
Kurzfassung
Die Reduzierung der Kosten und der Sperrigkeit sowie die Erhöhung der Robustheit von hochwertigen biomedizinischen Instrumenten sind entscheidend, um ihre Bereitstellung in Point-of-Care-Einrichtungen zu ermöglichen. Dadurch werden multizentrische klinische Studien sowie eine frühzeitige Diagnose und Behandlung ermöglicht. Die Integration komplexer optischer Systeme, die traditionell durch die Montage diskreter optischer Komponenten realisiert wurden, auf einem Chip bietet eine effektive Lösung für diese Herausforderungen. Insbesondere die Siliziumnitrid (SiN)-Photonik-Integrierte-Schaltungstechnologie ermöglicht die Manipulation von sichtbarem Licht, das häufig in fluoreszenzbasierten Sensoren verwendet wird. Dank ihrer Kompatibilität mit etablierten Herstellungsprozessen für komplementäre Metall-Oxid-Halbleiter (CMOS) können SiN-Photonik-Integrierte-Schaltungen in großen Stückzahlen und zu niedrigen Kosten hergestellt werden. Multi-Farb-Laserquellen (MLEs) sind ein zentrales Element von biomedizinischen Instrumenten, die von dieser Miniaturisierung profitieren. Diese Lichtquellen werden häufig in biomedizinischen Sensoranwendungen wie der fluoreszierenden Mikroskopie oder der polychromatischen Durchflusszytometrie eingesetzt. Sie multiplexen mehrere unabhängig zeitgesteuerte Anregungslaser und schalten sie typischerweise über mehrere Ausgangsfasern für die Auswahl der Beleuchtungsmodalität um. Das erste Ziel dieser Arbeit war die Implementierung von MLEs mit SiN-Photonik-Integrierte-Schaltungstechnologie. Neben der Miniaturisierung und Kostenreduzierung herkömmlicher MLEs ebnet dies auch den Weg für neue Sensorsysteme, bei denen die direkte Beleuchtung einer Probe oder eines Durchflusskanals durch eine Photonik-Integrierte-Schaltung die Verwendung komplexer Strahlen und strukturierter Beleuchtung ermöglicht. Ein zweites Ziel bestand darin, die Nutzung von photonikbasierten Beleuchtungen in neuen Sensorschemata zu untersuchen, insbesondere für eine effektivere Unterscheidung zwischen fluoreszierenden Signalen. Diese Arbeit wurde hauptsächlich im Rahmen des EU-Projekts Pix4Life in enger Zusammenarbeit mit unseren Industriepartnern Miltenyi Biotec und Toptica Photonics durchgeführt. Die erste Herausforderung, die in dieser Arbeit angegangen wurde, bestand in der Miniaturisierung eines konventionellen MLEs, das bei vier Wellenlängen, 405, 488, 561 und 640 nm, mit einer SiN-Photonik-Integrierte-Schaltung arbeitet. Die Hauptaufgabe bestand darin, die erforderlichen Geräte so zu entwerfen, dass sie über einen so breiten Wellenlängenbereich die erforderliche Leistung aufrechterhalten - integrierte photonische Geräte sind normalerweise für den Betrieb über viel schmalere Kommunikationsbänder ausgelegt, die höchstens einige zehn Nanometer umfassen. Dies stellte sich beispielsweise als besondere Herausforderung für verlustarme Faser-Chip-Schnittstellen oder Wellenlängen-Multiplexer heraus. Eine vollständige Bibliothek von Geräten und ein vollständiger Systemchip wurden experimentell implementiert. Letzterer wurde zusammen mit Diodenlasern und Steuerelektronik von unserem Industriepartner zu einem voll funktionsfähigen MLE zusammengebaut, wobei auch die Hilfsoptik von uns entworfen wurde. Die zweite Herausforderung bestand darin, einen Systemchip zusammen mit Hilfsstrahlablenkoptiken zur Erzeugung strukturierter Beleuchtungsmuster zu entwerfen. Diese bestanden aus Intensitätsgittern mit wellenlängenabhängiger Periodizität, die zusammen mit der gut kontrollierten Flussrate in Durchflusszytometern zur Trennung von fluoreszierenden Signalen nach Anregungswellenlänge dienten. Nach der vollständigen Montage zu einem MLE durch Toptica Photonics und der Erfassung von Durchflusszytometriedaten durch Miltenyi Biotec haben wir auch mit der Analyse der gesammelten Daten und der Bewertung des resultierenden Systems beschäftigt.Reducing the cost and bulkiness and increasing the robustness of high-end biomedical instrumentation is essential to facilitate its deployment at point-of-care facilities, enabling multi-centric clinical trials as well as an early diagnosis and onset of treatment. Integration of complex optical systems, traditionally implemented by the assembly of discrete optical components, on a chip effectively addresses these challenges. Silicon nitride (SiN) photonic integrated circuit (PIC) technology in particular provides a means for the manipulation of visible-wavelength light commonly used in fluorescence-based sensing. Thanks to their compatibility with established complementary metal oxide semiconductor (CMOS) fabrication, SiN PICs can be produced in high volume and at a low unit cost. Multi-color laser engines (MLEs) are a core element of biomedical instrumentation that benefit from such miniaturization. These light sources are commonly used in biomedical sensing applications such as fluorescent microscopy or polychromatic flow cytometry. They multiplex several independently time gated excitation lasers and typically switch them over multiple output fibers for the selection of the illumination modality. The first goal of this thesis has been the implementation of MLEs with SiN PIC technology. Beyond miniaturization and cost reduction of traditional MLEs, this is also paving the way for new sensing systems in which direct illumination of a sample or flow channel by a PIC facilitates the use of complex beams and structured illumination. Consequently, a second goal has been to explore the utilization of PIC-based illumination in new sensing schemes, in particular for a more effective discrimination between fluorescent signals. This thesis has been primarily performed in the framework of the EU Pix4Life project in close collaboration with our industry partners Miltenyi Biotec and Toptica Photonics. The first challenge tackled in this work has been the miniaturization of a conventional MLE operating at four wavelengths, 405, 488, 561, and 640 nm, with a SiN PIC. The primary challenge there has been to design the required devices in such a way that they maintain the required performance over such a wide wavelength range – integrated photonic devices are usually targeted to operate over much narrower communications bands spanning at most a few tens of nanometer. This proved for example to be particularly challenging for low-loss fiber-to-chip interfaces or wavelength multiplexers. A complete library of devices and a complete system chip have been experimentally implemented. The latter has been assembled together with diode lasers and control electronics into a fully functional MLE by our industry partner, with auxiliary optics also designed in this work. The second challenge addressed in the current thesis has been to co-design a system chip with auxiliary beam forming optics for the generation of structured illumination patterns. These have consisted in intensity gratings with a wavelength dependent periodicity, which, together with the well-controlled flow rate in flow cytometers, has served to the separation of fluorescent signals by excitation wavelength. After the complete assembly of the system into an MLE by Toptica Photonics and the collection of flow cytometry data by Miltenyi Biotec, we also worked on the analytics for the analysis of the collected data and the benchmarking of the resulting system.
OpenAccess: 
PDF
(additional files)
Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis
Format
online
Sprache
English
Externe Identnummern
HBZ: HT030740402
Interne Identnummern
RWTH-2024-04762
Datensatz-ID: 985716
Beteiligte Länder
Germany
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