Une nouvelle technique d'injection de fin de tir utilise un guide d'ondes (W) qui est directement connecté au bord du microdisque. Un phénomène connu sous le nom d'inversion du temps laser crée un laser qui absorbe la lumière au lieu de l'émettre, permettant à la lumière d'entrer efficacement dans le microdisque, qui utilisent l'effet optique de la galerie de chuchotements pour confiner et améliorer la lumière qui pénètre dans le disque Crédit :Qinghai Song, Institut de technologie de Harbin en Chine
Il existe un besoin continu de capteurs pratiques à base de puces qui peuvent être utilisés au point de service pour détecter le cancer et d'autres maladies. Une manière innovante d'injecter de la lumière dans de minuscules microdisques de silicium pourrait aider à répondre à ce besoin en réduisant les coûts et en améliorant les performances des biocapteurs à puce. L'avancée pourrait éventuellement conduire à un capteur optique portable et à faible coût pour le diagnostic du cancer à un stade précoce.
Les microdisques sont un type de résonateur à micro-échelle qui utilise l'effet optique de galerie de chuchotement pour confiner et améliorer la lumière qui pénètre dans le disque. Tout comme les murs incurvés d'une galerie de chuchotements transportent des ondes sonores pour permettre aux chuchotements d'être clairement entendus à travers une pièce, la surface intérieure incurvée d'un microdisque transporte des ondes lumineuses à travers le disque, rehausser la lumière. Cela permet au microdisque d'amplifier un signal lumineux provenant d'une cellule, protéine ou virus d'intérêt, permettant une détection plus sensible des changements subtils associés à des maladies telles que le lupus, la fibromyalgie et certains problèmes cardiaques.
"Bien qu'il existe des micro-résonateurs en mode galerie chuchotant qui peuvent déjà être utilisés pour résoudre des molécules uniques, leur application est limitée par des problèmes de répétabilité des appareils, stabilité et gamme de longueur d'onde, " a déclaré le chef de l'équipe de recherche Qinghai Song de l'Institut de technologie de Harbin, Chine. "Notre nouvelle conception permet d'excellentes performances de l'appareil qui fonctionne avec une variété de longueurs d'onde à faible coût, une plus grande stabilité et une meilleure répétabilité de l'appareil."
Dans Optique , Le journal de l'Optical Society pour la recherche à fort impact, les chercheurs détaillent leur nouvelle configuration d'injection en fin de tir, qui offre un simple, moyen rentable et efficace d'obtenir de la lumière dans le résonateur à microdisque. Ils montrent également que des dispositifs utilisant des microdisques et l'injection en bout de feu peuvent être utilisés pour détecter les changements de température et la présence de nanoparticules.
L'objectif ultime des chercheurs est d'utiliser leur nouvelle technique d'injection de fin de tir pour créer un capteur portable et peu coûteux capable de détecter les changements dans les cellules qui sont des indicateurs précoces du cancer. Cependant, ils soulignent que la nouvelle configuration de couplage de lumière pourrait également être utile pour les circuits photoniques intégrés pour les applications de communication et une variété de capteurs tels que ceux utilisés dans la sécurité intérieure ou la surveillance de l'environnement.
Cette image de microscopie électronique à balayage montre la vue de dessus d'un dispositif qui comprend un microdisque d'un rayon de 5 microns connecté à un guide d'ondes. Pour mesurer l'injection de fin de feu, ils ont incorporé un séparateur en Y qui a permis à la lumière passant à travers le séparateur d'être injectée dans le microdisque puis d'être transmise hors du microdisque le long du même guide d'ondes. Les chercheurs ont découvert que la lumière pouvait être couplée dans le microdisque avec une efficacité pouvant atteindre 57 %. Crédit :Qinghai Song, Institut de technologie de Harbin en Chine
Utilisation de l'inversion du temps
La plupart des microdisques sont conçus de manière à ce que la lumière soit indirectement injectée dans le microdisque à l'aide d'un phénomène optique connu sous le nom de couplage de lumière évanescente. Cependant, cette méthode nécessite un alignement très précis entre le guide d'onde et le microdisque, ce qui augmente les coûts de fabrication et rend les dispositifs sensibles à des problèmes de stabilité.
La technique d'injection de fin de tir des chercheurs utilise un guide d'ondes qui est directement connecté au bord du microdisque. Bien que la lumière exactement perpendiculaire au côté du disque rebondisse sur l'interface, l'utilisation d'une lumière à un angle légèrement inférieur à la perpendiculaire induit un phénomène contre-intuitif connu sous le nom d'inversion du temps laser. Cela crée un laser qui absorbe la lumière au lieu de l'émettre, permettant à la lumière d'entrer efficacement dans le microdisque.
"Parce que cette configuration ne nécessite aucune pièce inférieure à 500 nanomètres, il peut être fabriqué avec des techniques peu coûteuses, " dit Song.
Pour tester leur conception, les chercheurs ont fabriqué un dispositif comprenant un microdisque d'un rayon de 5 microns connecté à un guide d'ondes. Pour mesurer l'injection de fin de feu, ils ont incorporé un séparateur en Y qui a permis à la lumière passant à travers le séparateur d'être injectée dans le microdisque puis d'être transmise hors du microdisque le long du même guide d'ondes. L'enregistrement du spectre provenant de la jonction Y a montré que la lumière pouvait être couplée dans le microdisque avec une efficacité pouvant atteindre 57 %.
Les chercheurs ont créé des dispositifs à puce, comme celui montré ici, qui intègrent un microdisque et leur nouvelle technique de couplage par injection en fin de tir. La nouvelle technique d'apport de lumière pourrait réduire les coûts et améliorer les performances des biocapteurs à puce. Crédit :Qinghai Song, Institut de technologie de Harbin en Chine
Ils ont également montré que l'appareil présentait un facteur Q élevé, une mesure de la façon dont le microdisque confine et amplifie la lumière. En outre, le dispositif a maintenu de bons paramètres de performance même avec des écarts de fabrication tels que l'augmentation de la largeur du guide d'ondes de 400 nanomètres à 700 nanomètres.
« Nous montrons que les performances de la technique d'injection en bout de feu sont comparables à celles des microdisques classiques mais avec une robustesse améliorée et un coût réduit, " dit Song. " Dans l'ensemble, nos découvertes montrent que les microdisques sont maintenant prêts pour des applications commerciales."
Les chercheurs ont également démontré que des capteurs incorporant des microdisques et une injection de fin de tir pouvaient détecter la présence de plusieurs grandes nanoparticules ainsi que de nanoparticules uniques aussi petites que 30 nanomètres. Ils s'intéressent à l'utilisation de vésicules dérivées de cellules d'environ 40 à 100 nanomètres pour détecter le cancer, ce qui devrait être possible sur la base de ces résultats.
Les chercheurs travaillent maintenant sur d'autres parties de l'appareil qui seraient nécessaires pour utiliser la technique d'injection en bout de feu afin de créer un capteur portable et peu coûteux capable de détecter les premiers indicateurs de cancer.
