KR100831384B1 - 포토닉 결정을 사용하는 대상 물질 센서 및 대상 물질의 검출 방법 - Google Patents

포토닉 결정을 사용하는 대상 물질 센서 및 대상 물질의 검출 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR100831384B1
KR100831384B1 KR1020067022090A KR20067022090A KR100831384B1 KR 100831384 B1 KR100831384 B1 KR 100831384B1 KR 1020067022090 A KR1020067022090 A KR 1020067022090A KR 20067022090 A KR20067022090 A KR 20067022090A KR 100831384 B1 KR100831384 B1 KR 100831384B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
electromagnetic wave
target material
sensor
waveguide
sensing resonator
Prior art date
Application number
KR1020067022090A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20070018059A (ko
Inventor
스스무 노다
다카시 아사노
히토미치 다카노
Original Assignee
고쿠리츠 다이가쿠 호진 교토 다이가쿠
마츠시다 덴코 가부시키가이샤
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 고쿠리츠 다이가쿠 호진 교토 다이가쿠, 마츠시다 덴코 가부시키가이샤 filed Critical 고쿠리츠 다이가쿠 호진 교토 다이가쿠
Priority to KR1020067022090A priority Critical patent/KR100831384B1/ko
Publication of KR20070018059A publication Critical patent/KR20070018059A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR100831384B1 publication Critical patent/KR100831384B1/ko

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/41—Refractivity; Phase-affecting properties, e.g. optical path length
    • G01N21/45—Refractivity; Phase-affecting properties, e.g. optical path length using interferometric methods; using Schlieren methods
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/75—Systems in which material is subjected to a chemical reaction, the progress or the result of the reaction being investigated
    • G01N21/77—Systems in which material is subjected to a chemical reaction, the progress or the result of the reaction being investigated by observing the effect on a chemical indicator
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/44—Processing the detected response signal, e.g. electronic circuits specially adapted therefor
    • G01N29/46—Processing the detected response signal, e.g. electronic circuits specially adapted therefor by spectral analysis, e.g. Fourier analysis or wavelet analysis
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/75—Systems in which material is subjected to a chemical reaction, the progress or the result of the reaction being investigated
    • G01N21/77—Systems in which material is subjected to a chemical reaction, the progress or the result of the reaction being investigated by observing the effect on a chemical indicator
    • G01N2021/7769—Measurement method of reaction-produced change in sensor
    • G01N2021/7789—Cavity or resonator

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Mathematical Physics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)

Abstract

검출 대상 물질에 대한 감도가 높고 또한 소형화가 가능한, 포토닉 결정을 사용하는 대상 물질 센서 및 대상 물질의 검출 방법을 제공한다.
본 발명의 센서는 전자파를 공급하는 전자파 발생원, 포토닉 센서 소자, 및 검출기로 구성된다. 포토닉 센서 소자는 포토닉 결정 구조를 가지고, 전자파를 도입하는 센서 도파로와 이 센서 도파로에 전자적인 결합하여 도입된 전자파를 특정 파장으로 공진시키는 감지 공진기를 구비한다. 상기 감지 공진기는 대상 물질을 포함하는 분위기 중에 노출됨으로써 감지 공진기로부터 방출되는 전자파의 특성을 변화시킨다. 상기 검출기는 상기 감지 공진기로부터 방출되는 전자파를 수신하여 전자파의 강도 변화를 인식하여, 상기 대상 물질의 특성을 나타내는 신호를 출력한다.
전자파 발생원, 포토닉 센서 소자, 검출기, 센서 도파로, 감지 공진기

Description

포토닉 결정을 사용하는 대상 물질 센서 및 대상 물질의 검출 방법{TARGET SUBSTANCE SENSOR AND METHOD THEREOF USING A PHOTONIC CRYSTAL}
본 발명은, 포토닉 결정을 사용하는 대상 물질의 센서 및 그 대상 물질의 검출 방법에 관한 것이다.
R.Wehrspohn에 의한 종래 기술의 공보 "Photonic Crystals", ISBN3-527-40432-5, p. 238-246에는 포토닉 결정을 사용한 센서가 개시되어 있다. 상기 센서는 벌크형의 3차원 포토닉 결정을 센서 소자로서 사용하고, 센서 소자의 두께 방향의 일면으로부터 검출 대상 가스를 도입하는 동시에 검출 대상 가스의 흡수 파장과 일치하는 파장의 광을 입사시켜, 센서 소자 외에 면으로부터 출사되는 광을 포토디텍터와 같은 검출기로 검출하고, 검출한 광의 강도에 따라 농도를 계산하도록 구성되어 있다.
일반적으로, 포토닉 결정 내에서 전파하는 전자파의 군속도(group velocity)를 Vg, 전파 정수(propagation constant)를 β, 주파수를 ω로 하면, 군속도 Vg는 Vg=(dβ/dω)-1로 정의된다. 따라서, 군속도 Vg는, 전파 정수 β의 변화에 대한 주 파수 ω의 변화 비율이 작아지는 만큼 작아지고, 주파수 ω와 전파 정수 β와의 관계가 정재파 조건(도파 모드의 끝 조건)으로 되면 영(zero)이 된다.
상기 공보에 개시된 센서에서는, 3차원 포토닉 결정을 전파하는 광의 군속도 Vg를 진공 중의 광속의 30% 정도의 값으로 설계함으로써 광로 길이를 길게 한 것이며, 그러므로 3차원 포토닉 결정의 두께(즉, 광의 입사 방향에 따른 방향의 치수)를 수 센티미터로 할 필요가 있다. 이 결과, 의도한 군속도를 얻기 위한 주파수 ω와 전파 정수 β와의 조건을 만족하는 100 nm 오더(order)의 굴절률 주기 구조를 3차원 포토닉 결정의 전체에 걸쳐 균일하게 제작할 필요가 있다. 그렇지만, 굴절률 주기 구조가 왜곡될 때, 그 부분에서는 군속도 Vg가 설계치로부터 벗어나게 되고 정확한 농도 측정이 불가능하게 된다. 그러므로 3차원 포토닉 결정은 매우 정밀한 제조 기술로 제조될 필요가 있다.
또한, 3차원 포토닉 결정의 두께 치수가 비교적 크기 때문에 전파 모드(propagation mode)가 멀티 모드(multi-mode)로 되어, 군속도가 느린 모드와 빠른 모드가 혼재하여, 군속도가 일정한 경우에 비해 감도가 저하될 우려가 있다. 또한, 3차원 포토닉 결정에의 입사광 대하여도 다양한 모드에의 결합 효율을 일정하게 하지 않으면 감도가 흩어지게 되기 때문에, 광원과 3차원 포토닉 결정과의 상대적인 위치 관계에 대하여 높은 위치 정밀도가 요구된다.
또한, 군속도 Vg의 느린 광에 의한 공간적인 전계 강도 분포는 일반적인 공간 광의 전계 강도 분포인 가우스 분포와는 크게 상이하므로, 3차원 포토닉 결정에서의 광의 입사면에서 광의 결합 손실이 생겨 감도의 저하가 생길 경우가 있어 전 계 강도 분포를 변환시키기 위한 복잡한 커플링 구조가 필요하다.
본 발명은 상기 문제점을 감안하여 이루어진 것이며, 본 발명의 목적은, 검출 대상 물질에 대한 감도가 높이고, 또한 소형화가 가능한, 포토닉 결정을 사용하는 대상 물질 센서 및 대상 물질의 검출 방법을 제공하는 것이다.
본 발명에 관한 센서는, 전자파를 공급하는 전자파 발생원, 포토닉 센서 소자, 검출기로 구성된다. 포토닉 센서 소자는 포토닉 결정 구조를 가지고, 전자파를 도입하는 센서 도파로와 이 센서 도파로에 전자기적으로 결합하여 상기 도입된 전자파를 특정 파장으로 공진시키는 감지 공진기를 구비한다. 상기 감지 공진기가 대상 물질을 포함하는 분위기 중에 노출됨으로써 감지 공진기로부터 방출되는 전자파의 특성을 변화시킨다. 상기 검출기는 상기 감지 공진기로부터 방출되는 전자파를 받아 전자파의 강도 변화를 인식하고, 상기 강도 변화로부터 대상 물질의 특성을 결정하고, 상기 특성을 나타내는 신호를 출력한다. 이와 같이 구성되는 센서에서는, 포토닉 결정 내에 형성한 공진기에서 생기는 특정 파장의 전자파의 공진을 이용하여, 공진기로부터 방출되는 전자파의 강도에 따라 대상 물질의 특성을 검출할 수 있다. 이 결과, 포토닉 센서 소자는, 센서 도파로와 감지 공진기가 배치되는 2차원 구조의 포토닉 결정을 이용할 수 있어 박형화가 가능하다. 더하여, 정밀한 포토닉 결정 구조가 요구되는 부분이, 종래의 3차원 구조의 포토닉 결정을 이용한 센서 소자에 비해 적게 되어, 제조 비용의 저감으로 연결된다.
바람직하게는, 상기 검출기는 전자파의 특성 변화로부터 대상 물질의 농도를 결정하여, 이 농도를 나타내는 신호를 출력하도록 구성된다.
대상 물질의 농도의 검출에 있어서, 대상 물질이 특정 파장의 전자파를 흡수하는 현상을 이용하는 경우와, 대상 물질의 존재에 의해 공진기로부터 출력되는 전자파의 파장이 시프트하는 현상을 이용하는 경우에 따라, 상이한 방식이 사용된다.
대상 물질이 특정 파장의 전자파를 흡수하는 현상을 이용하는 구성에서는, 포토닉 결정 구조 내에 있어서, 기준 도파로와 기준 공진기가 추가된 포토닉 센서 소자를 사용한다. 이 기준 도파로는 전자파 발생원으로부터 상기 전자파를 도입한다. 기준 공진기는 이 기준 도파로에 전자기적으로 결합함으로써, 상기 도입된 전자파를 상기 특정 파장으로 공진시킨다. 상기 검출기는, 감지 공진기로부터의 상기 특정 파장의 전자파의 강도를 나타내는 검출 신호를 출력하는 출력 강도계와 기준 공진기로부터 방출되는 전자파의 강도를 나타내는 기준 신호를 출력하는 기준 강도계와 상기 검출 신호를 기준 신호와 비교하여, 상기 특정 파장의 전자파의 감쇠량을 구하고, 이 감쇠량으로부터 대상 물질의 농도를 산출하는 농도계로 구성된다. 따라서, 감지 공진기로 공진하는 전자파의 파장이, 대상 물질이 흡수하는 전자파의 파장과 일치하도록 설정함으로써, 대상 물질이 나타내는 전자파의 흡수 특성을 이용하여, 대상물 농도를 특정 파장의 전자파의 감쇠량에 대응시키는 것으로, 농도 검출을 양호한 정밀도로 행할 수 있다.
이 경우, 포토닉 센서 소자는 2차원 어레이로 배열된 포토닉 결정 구조를 가지고, 센서 도파로 및 기준 도파로는 각각 2차원 포토닉 결정 구조 내에서 연장되어 양단에 입력 포트와 출력 포트를 형성하는 것이 바람직하다. 각 입력 포트는 전자파 발생원으로부터의 전자파를 수신하도록 배치되고, 각 출력 포트는 상기 출력 강도계 및 기준 강도계에 각각 결합한다. 상기 출력 강도계 및 상기 기준 강도계는 각각의 대응하는 감지 공진기와 기준 공진기로부터 방출되는 전자파를 출력한다.
상기 센서 도파로 및 기준 도파로 내에 감지 공진기 및 기준 공진기가 배치된다. 또한, 각 도파로 내에 복수의 공진기를 직렬로 배치함으로써, 출력 전자파의 출력 효율인 드롭 효율(drop efficiency)을 높여, 검출 감도를 높이는 것이 바람직하다.
또한, 포토닉 센서 소자는 감지 출력 도파로와 기준 출력 도파로를 구비하도록 형성해도 된다. 감지 출력 도파로 및 기준 출력 도파로는 각각 대응하는 센서 도파로와 기준 도파로와 평행하게 연장되어, 감지 공진기와 기준 공진기에 각각 전자기적으로 결합된다. 이들 감지 출력 도파로와 기준 출력 도파로는 각각 그 길이 방향의 일단에 출력 포트를 형성하고, 이 출력 포트가 각각 상기 출력 강도계와 기준 강도계에 결합되는 것으로 된다.
또한, 출력 강도계와 기준 강도계 각각은 포토닉 센서 소자의 평면으로부터 이격되어 배치되어, 감지 공진기 및 기준 공진기에 각각 결합되어 거기로부터 방출되는 전자파를 수신하도록 해도 된다.
또한, 감지 공진기와 기준 공진기에의 전자파의 입력 경로를 공통화할 수도 있다. 이 경우, 서로 상이한 제1 포토닉 결정 구조와 제2 결정 구조가 가로로 정렬된 포토닉 센서 소자가 사용된다. 도파로는 제1 포토닉 결정 구조로부터 제2 포토닉 결정 구조에 걸쳐 연장하는 입력 도파로와 제1 포토닉 결정 구조 내에서 연장하는 제1 출력 도파로와 제2 포토닉 결정 구조 내에서 연장하는 제2 출력 도파로로 구성된다. 감지 공진기가 제1 포토닉 결정 구조 내에 형성되고, 제2 포토닉 결정 구조 내에 기준 공진기가 형성된다. 기준 공진기는 감지 공진기에 고유한 특정 파장(λ1)과 다른 파장(λ2)으로 전자파를 공진시키도록 설계된다. 이 구성에 의하면, 감지 공진기로 공진하는 전자파의 제1 파장(λ1)을 대상 물질이 흡수하는 전자파의 파장으로 함으로써, 기준 공진기로 공진하는 제2 파장(λ2)의 전자파는 대상 물질의 영향을 받지 않고, 기준 공진기를 대상 물질이 포함되는 분위기로부터 차폐할 필요를 없다.
본 발명의 다른 바람직한 형태에서는, 대상 물질과의 접촉에 의해 공진부 주위의 굴절률이 변화하는 현상을 이용하여, 대상 물질의 농도를 측정하기 위한 구조가 실현된다. 공진부 주위의 굴절률이 변화하면, 공진부에서 공진하는 전자파의 파장이 시프트 한다. 이 경우, 굴절률의 변화, 즉, 공진 파장의 시프트량은 대상 물질에 의해 고유하게 정해지는 것이므로, 대상 물질에 따라 시프트 한 파장의 전자파 강도를 검출함으로써, 대상 물질의 농도가 구해진다. 이것을 실현하기 위해, 전자파 발생원으로부터 상이한 파장을 포함하는 전자파가 센서 도파로에 공급되고, 대상 물질의 종류에 대응한 특정 파장의 전자파가 감지 공진기로 공진을 일으킨다. 이 경우, 검출기는 감지 공진기로부터 출력되는 특정 파장의 전자파(대상 물질이 존재함으로써 변화된 파장의 전자파)를 선택하여, 선택된 특정 파장의 전자파 강도를 분석함으로써, 대상 물질의 농도를 측정할 수 있다. 이 방식은, 특정 파장에서의 전자파의 흡수가 인식되지 않는 대상 물질의 검출에 유효하고, 기준 공진기 및 이것에 관련되는 요소가 불필요해지는 것으로, 더욱 소형화된 센서를 실현할 수 있다.
특정 파장의 전자파를 선택하기 위해서는 분광 기능이 필요하지만, 이 분광 기능을 필요로 하지 않는 방식을 실현하는 구성도 가능하다. 이 경우, 전자파 발생원으로서는, 가변 파장의 전자파를 발생시키는 것을 사용하고, 시간에 따라 파장이 변화하는 전자파를 포토닉 센서 소자에 도입한다. 파장의 스위프 범위는, 대상 물질이 나타내는 굴절률에 의해 정해지는 특정 파장을 포함하도록 설정되고, 그 특정 파장의 전자파가 전자파 발생원으로부터 도입된 시점에서의, 공진기로부터의 전자파 강도를 검출기로 구함으로써, 대상 물질의 농도를 측정할 수 있다.
또한, 감지 공진기에서의 공진 파장의 시프트를 이용하는 방식은, 복수 종류의 대상 물질의 검출을 행하기 위해 유용하다. 즉, 센서 도파로와 감지 공진기와 검출기로 구성되는 하나의 검출 유닛을 다수 배치하고, 각 검출 유닛 중의 감지 공진기로 공진하는 전자파의 특정 파장을 서로 상이한 것으로 하는 것, 즉, 대상 물질에 따라 상이하게 함으로써, 상이한 대상 물질의 농도를 대응하는 전자파 강도로부터 구할 수 있다.
감지 공진기에서의 대상 물질에 따른 파장 시프트를 적극적으로 일으키게 하는 또는 강화하기 위한 하나의 수단으로서, 대상물과 반응해서 감지 공진기 주위의 굴절률에 현저한 변화를 부여하고 마찬가지로 현저한 파장 시프트를 가져오는 감응체를 감지 공진기에 부착시키는 것이 바람직하다.
이와 같은 감응체를 사용하는 경우, 포토닉 센서 소자 내에 설치된 2개의 감지 공진기의 한쪽에 이 감응체를 부착시키는 것이 가능하다. 이 경우는, 감응체를 설치하고 있지 않은 감지 공진기와 감응체를 설치한 감지 공진기로부터 방사되는 합성 전자파의 강도를 참조함으로써, 감응체로 반응을 일으키는 대상 물질의 농도가 구해진다.
감지 공진기에서의 공진 파장의 시프트를 이용하는 방식에서는, 복수의 감지 공진기를 2차원 배열로 함으로써, 센서를 용이하게 구축할 수 있다. 이 경우, 복수의 대상 검출기가 복수의 감지 공진기에 합치시키는 형태로 2차원 배열됨으로써, 각 대상 검출기로 각각 상이한 농도가 결정되고, 2차원 평면에서의 대상 물질의 농도 분포를 구할 수 있다.
또한, 대상 물질의 농도와는 별도로, 어느 범위에 이르는 영역 내에 분산하는 상이한 대상 물질의 종류의 검출할 수도 있다. 이 경우, 복수의 감지 공진기가 2차원 배열로 배치되고, 이것에 대응시켜 복수의 검출기가 2차원 배열로 배치된다. 복수의 감지 공진기는 각각 상이한 특정 파장의 전자파로 공진하도록 설정됨으로써, 복수의 검출기가 감지 공진기로부터 방출되는 특정 파장의 전자파의 강도에 따라, 상이한 대상 물질의 존재를 특정할 수 있고, 2차원 면 내에서의 상이한 대상 물질의 분포를 구할 수 있다.
또한, 본 발명에서는, 감지 공진기 이외의 부분에 감응체를 배치함으로써 생기는 전자파 강도의 변화에 따라 대상 물질의 농도를 결정하는 유용한 구조를 개시한다. 예를 들면, 센서 도파로 내에 감응체를 배치, 대상물과의 반응에 의해 센서 도파로에서의 굴절률이 변화하여, 센서 도파로와 감지 공진기 사이의 실효 도파로 길이가 변화되고, 그 결과, 검출기에 출력되는 전자파 강도에 변화를 가져온다. 검출기는 이 전자파 강도의 변화에 따라 대상 물질의 농도를 구할 수 있다.
또, 포토닉 센서 소자에 배치한 2개의 감지 공진기 사이의 에너지 결합 부위에 감응체를 배치하면, 마찬가지로 하여, 대상 물질과의 반응에 의해, 에너지 결합 부위의 실효 도파로 길이가 변화되므로, 이 변화에 따라 생기는 전자파 강도를 분석함으로써 대상 물질의 농도를 구할 수 있다.
또한, 본 발명에서는, 위와 같은 감응체를 특수한 포토닉 결정 구조와 조합함으로써, 고감도의 농도 검출을 행하기 위한 포토닉 센서 소자의 구성을 제안한다. 포토닉 센서 소자는, 제1 포토닉 결정 구조와 제2 포토닉 결정 구조를 가지고, 상기 제1 및 제2 포토닉 결정 구조는 서로 상이하고, 2차원 배열 내에서 나란히 배치된다. 센서 도파로는 입력 도파로와 출력 도파로로 구성되며, 상기 입력 도파로와 출력 도파로는 서로 평행하게 연장함과 동시에, 각각이 제1 포토닉 결정 구조의 전체 길이에 걸쳐 연장되어 제2 포토닉 결정 구조 내에 도달한다. 감지 공진기는 제1 포토닉 결정 구조 내에서 입력 도파로와 출력 도파로 사이에 배치되어 양자에 전자기적으로 결합한다. 입력 도파로의 길이 방향의 일단으로, 제2 포토닉 결정 구조와 떨어진 곳에 전자파 발생원으로부터의 전자파를 수신하는 입력 포트가 형성된다. 출력 도파로의 길이 방향의 일단으로 제2 결정 구조와 떨어진 곳에는, 감지 공진기에서 특정 파장으로 공진하는 전자파를 방출하는 출력 포트가 형성된다. 입력 도파로에는, 제1 포토닉 결정 구조와 제2 포토닉 결정 구조 사이의 계면에서, 특정 파장의 전자파를 감지 공진기 측에 반사하는 입력 반사기가 형성된다. 또, 출력 도파로에도, 제1 결정 구조와 제2 결정 구조 사이의 계면에서, 특정 파장의 전자파를 출력 포트 측에 반사하는 출력 반사기가 형성된다. 이와 같은 구성의 입력 도파로와 출력 도파로의 각각에, 제1 포토닉 결정 구조와 제2 포토닉 결정 구조를 가로질러 연결하는 부분에서, 상기 감응체가 형성된다. 이 감응체는 대상 물질과 반응함으로써 반사 효율을 변화시키고, 그 결과 상기 대상 검출기에서의 전자파의 강도를 변화시키는 것이며, 검출기는 대상 물질의 농도를 이 강도의 함수로서 계산한다. 이와 같이, 입력 도파로나 출력 도파로를 상이한 포토닉 결정 구조에 걸치도록 설계해서 그 계면에 있어서 전자파의 반사기를 형성하고, 상이한 포토닉 결정 구조에 걸치는 부분에 있어서 입력 도파로나 출력 도파로에, 대상 물질의 존재에 감응해서 전자파의 특성을 변화시키는 감응체를 설치하고 있으므로, 대상 물질의 존재에 의해 반사기에서의 굴절률 변화가 강조되어, 감지 공진기 측으로 진행하는 전자파의 위상 변화를 발생시킬 수가 있고, 그 결과, 감지 공진기로 공진하여 방출되는 특정 파장의 전자파의 드롭 효율을 높일 수 있고, 고감도로 대상 물질의 농도를 측정할 수 있다.
또, 본 발명의 센서에 있어서는, 환경 상태를 나타내는 환경 파라미터를 모니터하는 제어기를 설치하는 것이 바람직하다. 이 제어기는 환경 파라미터에 따라 감지 공진기의 광학 특성을 보정하여 특정 파장으로 전자파를 공진시키는 것으로서, 온도 등의 외란 요인을 보정하여, 정확한 측정을 가능하게 한다. 일례로서는, 포토닉 센서 소자에 히터가 설치되어 제어기에 의한 제어로 감지 공진기의 온도를 관리하여 포토닉 센서 소자의 광학 특성을 보정함으로써, 감지 공진기의 특성을 일정하게 유지할 수 있다.
또한, 본 발명의 센서에는 감지 공진기 상에 보충된 대상 물질 또는 불순물을 없애는 리프레쉬 수단을 설치하는 것도 바람직하다. 이 수단으로서는, 열에 의해 대상 물질 또는 불순물을 공진기로부터 방출시키는 히터를 사용할 수 있다.
또한, 전술한 히터는 도파로를 도파하는 전자파의 파장 또는 강도를 변조하는 변조 수단으로서 이용할 수 있다. 즉, 히터로의 일정한 주기로 흐르게 하는 것으로, 공진기로부터 방출되는 전자파의 강도, 또는 파장을 주기적으로 변조시켜, 검출기로 검출한 전자파 중, 변조된 전자파만을 검출기로 선택함으로써, 공진기 이외로부터 검출기에 도달하는, 노이즈의 전자파로서 식별하고, 측정 정밀도를 향상시킬 수 있다.
본 발명은 또한 포토닉 결정을 이용한 대상 물질의 농도 검출 방법을 제공한다. 이 방법에서는, 전자파를 도입하는 센서 도파로와 이것에 전자 결합하여 특정 파장의 전자파를 공진시키는 감지 공진기를 구비한 포토닉 센서 소자를 사용하고, 감지 공진기를 대상 물질을 포함하는 분위기 중에 노출시키고, 특정 파장을 포함하는 전자파를 상기 센서 도파로에 도입함으로써, 감지 공진기에서 공진하는 전자파의 강도를 검출하고, 이 강도를 분석해서 대상 물질의 농도를 계산하는 것이 가능하다.
도 1은 본 발명에 관한 센서의 제1 실시예를 나타내는 개략도이다.
도 2는 상기 기능 블록도이다.
도 3은 상기 농도 검출을 설명하는 그래프 도면이다.
도 4는 위에서 사용하는 포토닉 센서 소자 외에 예를 나타내는 사시도이다.
도 5는 위에서 사용하는 포토닉 센서 소자 외에 예를 나타내는 사시도이다.
도 6은 위에서 사용하는 포토닉 센서 소자 외에 예를 나타내는 사시도이다.
도 7은 위에서 사용하는 포토닉 센서 소자 외에 예를 나타내는 사시도이다.
도 8은 위에서 사용하는 포토닉 센서 소자 외에 예를 나타내는 사시도이다.
도 9는 본 발명에 관한 센서의 제2 실시예를 나타내는 개략도이다.
도 10은 본 발명에 관한 센서의 제3 실시예를 나타내는 개략도이다.
도 11은 상기 기능 블록도이다.
도 12는 위에서의 농도 검출을 설명하는 그래프 도면이다.
도 13은 위에서 사용하는 포토닉 센서 소자를 나타내는 사시도이다.
도 14는 도 13 중에 나타낸 감지 공진기를 포함하는 부분의 일부 확대 상면도이다.
도 15는 도 13 중에 나타낸 감지 공진기를 포함하는 부분의 일부 확대 단면도이다.
도 16은 위에서 사용하는 포토닉 센서 소자 외에 예를 나타내는 사시도이다.
도 17은 위에서 사용하는 포토닉 센서 소자 외에 예를 나타내는 사시도이다.
도 18은 위에서 사용하는 포토닉 센서 소자 외에 예를 나타내는 사시도이다.
도 19는 위에서 사용하는 포토닉 센서 소자 외에 예를 나타내는 사시도이다.
도 20은 위에서 사용하는 포토닉 센서 소자 외에 예를 나타내는 사시도이다.
도 21은 본 발명에 관한 센서의 제4 실시예를 나타내는 개략도이다.
도 22는 상기 기능 블록도이다.
도 23은 본 발명에 관한 센서의 제5 실시예를 나타내는 개략도이다.
도 24는 위에서 사용하는 포토닉 센서 소자 외에 예를 나타내는 사시도이다.
도 25는 위에서 사용하는 포토닉 센서 소자 외에 예를 나타내는 사시도이다.
도 26은 본 발명에 관한 센서의 제6 실시예를 나타내는 개략도이다.
발명을 실시하기 위한 최선의 형태
본 발명에 관한 센서는 2차원 어레이로 배열된 포토닉 결정 구조를 가지는 포토닉 센서 소자(20)를 사용한다. 포토닉 결정 구조란, 매트릭스 및 상기 매트릭스와는 상이한 굴절률을 가지는 물질을 상기 매트릭스 내에 배열한 것으로, 입사한 전자파의 방향이나 전파 속도를 임의로 변경하는 광학 특성을 구비한다. 본 발명에서는, 일례로서, 굴절률이 3.4인 실리콘 반도체(두께=250나노미터)를 매트릭스로서 사용하고, 이 매트릭스 중에 미세한 원형 구멍(φ=240나노미터)을 420나노미터의 피치로 2차원 상에 배열한 포토닉 결정을 사용하고 있다. 이 결과, 미세공(minute pores)에 존재하는 굴절률이 1인 공기가 기판(굴절률 3.4)에 주기적으로 분산되어 포토닉 결정의 특성이 부여된다. 이 실리콘 반도체는 산화 실리콘층인 SOI 기판(굴절률 1.5)의 위에 얹혀진다. 즉, 포토닉 결정은 SOI 기판을 사용하고, 표면의 실리콘 반도체층을 에칭하여, 다수의 미소한 원형 구멍을 형성함으로써, 실 리콘 반도체층 내에 포토닉 결정 구조를 실현하고 있다.
이 포토닉 센서 소자(20)에는, 입력되는 전자파의 도파로(22) 및, 도파로에 도입된 전자파 중의 특정한 파장의 것을 공진시키는 공진기(24)가 형성된다. 이들 도파로 및 공진기는, 포토닉 결정 구조 중의 주기 구조에 결함을 부여하는, 즉, 구멍이 존재하지 않는 부분을 설치함으로써 형성된다.
전자파로서 주파수대가 C대역(1530nm-1565mm) 또는 L대역((1565nm-1625nm) 등의 광통신 파장대의 것을 사용하는 경우, 2차원 포토닉 결정(1)에서의 원형 구멍의 배열 주기 (a)를 0.42μm으로 하고(즉, 2차원 포토닉 결정의 굴절률 주기 구조의 주기 또는 2차원 삼각 격자의 격자 점들 사이의 격자 거리), 원형 구멍의 반경을 0.29a, 센서 소자의 두께를 0.6a로 설정한다. 이로써, 포토닉 결정의 두께 방향으로 직교하는 2차원 면 내의 모든 방향으로부터 입사하는 상기 주파수대의 전자파(광)를 전파하지 않는 파장대인 포토닉 밴드 갭을 형성한다. 도파로(22) 및 공진기(24)는 적당한 수의 원형 구멍을 생략함으로써 형성하는 전자파의 전파를 가능하게 한다. 그리고 원형 구멍의 배열 방향의 주기 (a)나 원형 구멍의 반경의 각 수치는 특히 한정하는 것이 아니고, 주기 (a)는 상기 주파수대의 전자파의 파장 정도(예를 들면, 전자파의 파장의 2분의 1정도)의 주기로 된다.
본 발명은 이와 같은 포토닉 결정 내에서의 공진기에서의 전자파의 공진 현상을 이용하여, 대상 물질의 농도 검출을 행하는 것이며, 측정 대상 물질의 종류에 따라, 상이한 메커니즘으로 농도 검출을 행한다. 대상 물질은, 크게 나누어, 이하의 2개로 분류할 수 있다.
1) 특정한 파장의 전자파를 흡수하는 성질이 현저한 것.
2) 분위기의 굴절률을 변화시키는 성질이 현저한 것.
본 발명에서는, 측정 대상 물질에 따라 위의 2개의 성질을 이용하는 것이며, 먼저 1)의 성질을 이용한 농도 검출을 실현한 제1 실시예에 대하여 설명한다.
<제1 실시예>
본 실시예에서는, 대상 물질이 흡수하는 특정 파장의 전자파를 공진기로 공진시켜, 그 출력의 감쇠율로부터 대상 물질의 농도를 측정한다. 대상 물질로서는, 특정한 파장의 전자파를 흡수하는 성질이 현저한 것, 예를 들면, 탄산 가스나 질소 가스 등의 가스가 적용된다.
도 1 및 도 2는 본 실시예에 관한 센서를 나타내고, 포토닉 센서 소자(20)에는, 특정 파장을 포함하는 전자파, 예를 들면, 2μm 내지 13μm의 파장을 포함하는 적외선을 안내하는 센서 도파로(22)와 기준 도파로(32) 뿐만 아니라 이들 도파로와 전자 결합되는 감지 공진기(24)와 기준 공진기(34)가 형성된다. 각 공진기는 상기 특정 파장(대상 물질에서 흡수됨)의 전자파를 공진시키도록 설계된다. 감지 공진기(24)나 센서 도파로(22)는, 대상 물질을 포함하는 분위기에 노출하여, 대상 물질의 존재에 의해 흡수된 전자파의 강도를 측정한다. 한편, 기준 도파로(32)나 기준 공진기(34)는, 실드(36)에 의해 대상 물질을 포함하는 분위기로부터 차폐되어, 전자파의 기준 강도를 구하고, 2개의 강도의 차이로부터 전자파의 감쇠율을 구하고, 이 감쇠율로부터 대상 물질의 농도를 결정한다.
이 기능을 달성하기 위해, 본 실시예에 관한 센서에는, 포토닉 센서 소 자(20)에 공급하기 위한 전자파 발생원(10), 전자파를 센서 도파로(22)와 기준 도파로(32)에 분기시키는 분배기(11), 감지 공진기(24)로부터 방출되는 전자파의 강도를 검출하는 출력 강도계(41), 기준 공진기(34)로부터 방출되는 전자파의 강도를 검출하는 기준 강도계(51), 양 강도계에서 구해지는 전자파 강도의 차이로부터 전자파의 감쇠율을 구하여 대상 물질의 농도를 결정하는 농도계(42)가 구비된다. 이들 출력 강도계(41), 기준 강도계(51), 농도계(42)는 검출기(40)로 총칭되어 단일의 마이크로 프로세서 내에 실현된다. 검출기(40)는 농도계(42)에서 구한 농도를 나타내는 농도 신호를 디스플레이(60)에 출력하여, 대상 물질의 농도 표시를 행한다.
센서 도파로(22) 및 기준 도파로(32)는, 포토닉 센서 소자(10)의 길이 방향의 전체 길이에 따라 일직선으로 연장하고, 길이 방향의 일단을 입력 포트(21, 31)로 하고, 타단을 각각 출력 포트(23, 33)로 하고 있다. 입력 포트(21, 31)에는 각각 입사기(feeder)(12)가 결합되어, 전자파 발생원으로부터의 전자파를 각 도파로에 도입한다. 출력 포트(23, 33)는 각각, 출력 강도계(41)와 기준 강도계(51)에 결합되어, 감지 공진기(24)와 기준 공진기(34)로부터 방출되는 특정 파장의 전자파를 이들 강도계에 출력한다. 감지 공진기(24) 및 기준 공진기(34)는, 각 도파로 내의 길이 방향의 중앙에 형성되고, 공진기로 공진하는 전자파를 출력 포트(23, 33)로 전파한다. 출력 강도계(41)는 공진기(24)에서 공진하는 전자파의 강도를 나타내는 검출 신호를 출력하는 반면, 기준 강도계(51)는 공진기(34)에서 공진하는 전자파의 강도를 나타내는 기준 신호를 출력한다. 농도계(42)는 출력 강도계(41) 로부터의 검출 신호와 기준 검출기로부터의 기준 신호의 차이로부터, 대상 물질의 존재에 의해 생기는 전자파 강도의 감쇠율을 구한다. 이 감쇠율은, 다음의 식(1)에 의해 표현된다.
Figure 112006076911486-pct00001
여기서, Iref는 기준 강도계(51)의 출력, Iout는 출력 강도계(41)로부터의 출력이다.
이같이 하여 구한 감쇠율(L)과 대상 물질의 흡수 계수 사이에는, 도 3에 나타낸 바와 같은 관계가 인정된다. 흡수 계수는 분위기 중에서의 대상 물질의 농도에 대응하는 것이며, 검출기(40)에는 감쇠율과 농도와의 관계를 나타내는 식이 준비되어 있으므로, 감쇠율로부터 대상 물질의 농도가 농도계(42)에서 결정된다. 그리고 전자파의 출력 강도는, 이하의 식(2)에 의해 결정된다.
Figure 112006076911486-pct00002
Qin은 공진기와 도파로 사이의 광의 결합 강도에 의해 정해지는 Q값이고, Qatar 공진기 내부에서 흡수에 의해 없어지는 에너지 양에 의해 정해지는 Q값이다. 더욱 상세하게 설명하면, 공진기와 도파로 사이의 Q값을 Qin, 공진기에서의 흡수에 의한 Q치를 Qa로 하고, 공진기와 자유 공간과의 사이의 Q치를 Qy로 하고, Qy≫Qin으로 하고 있다. 그리고 Qin은, 공진기와 도파로와의 계에 있어서 공진기로부터 도파로로 새는 에너지의 양에 관한 값(즉, 공진기와 도파로와의 계에 있어서 공진기에 어느 정도의 에너지를 축적할 수 있는지를 나타내는 값)으로서, 공진기에 축적되는 에너지를 W, 공진기로부터 도파로 측에 단위 시간에 없어지는 에너지를 dW/dt라고 하면, Qin=ω0 x W/(dW/dt)로 정의된다. 또, Qa는, 공진기 내부에서 흡수에 의해 없어지는 에너지의 양에 관한 값으로서, 공진기에 축적되는 에너지를 W, 공진기에서의 흡수에 의해 단위 시간에 없어지는 에너지를 ―dW/dt라고 하면, Qa=(ω0×nm)α x c)로 정의되고, 여기서 을 nm은 공진기(24)의 유효 굴절률이고, α는 공진기의 흡수 계수이며, c는 진공 중의 광속이다.
그런데 전자파의 출력 강도는, 드롭 효율(D)로서 알려져 있고, 다음 식에 의해 표현되는 바와 같이, 입력 포트에 입력되는 전자파 강도 S+ 1와 출력 포트로부터 출력되는 전자파 강도 S+2의 비에 의해 표현된다.
Figure 112006076911486-pct00003
그리고 도 2에 나타낸 방식에서는, 전자파 발생원(10)으로부터 출력되는 전자파의 강도를 모니터하여, 피드백 제어에 의해 이 출력 강도를 일정하게 하는 제어기(70)를 설치하여 외란에 의한 변동을 보정함으로써 항상 안정된 측정을 수행하도록 하고 있다.
포토닉 센서 소자는, 도 1에 나타낸 구성 외에, 도 4 내지 도 9에 나타낸 것을 사용하는 것이 가능하다. 이들 도에서는, 간략화를 위해서, 센서 도파로(22), 감지 공진기(24)에 관한 구조만을 설명하고 있지만, 기준 도파로나 기준 공진기에 대해서도 동일한 구성을 적용할 수 있다.
도 4에 나타낸 포토닉 센서 소자(20)에서는, 센서 도파로(22) 중에 복수의 감지 공진기(24)를 형성하여, 센서 도파로의 길이 방향의 양단을 각각 전자파의 입력 포트(21)와 출력 포트(23)로 하고 있다. 각 감지 공진기(24)는 동일한 특정 파장의 전자파가 공진하도록 설계되어 대상 물질과의 접촉 기회를 증대시키는 것으로, 대상 물질의 검출 감도를 높이도록 하고 있다.
도 5에 나타낸 포토닉 센서 소자(20)에서는, 히터(80)를 일체로 형성하고 있 고, 히터(80)에 의한 온도 제어에 의해 포토닉 센서 소자의 광학 특성을 일정하게 유지함으로써, 정확한 대상 물질의 농도 측정을 행할 수 있다. 이 온도 제어는, 온도센서를 사용하고, 도 2에 나타낸 제어기에 의해 행해진다. 히터(80)는 이 목적 이외에, 감지 공진기에 부착한 대상물이나 불순물을 열에 의해 소산시키는데 사용할 수 있다. 적당한 타이밍으로 히터에 의한 가열을 행함으로써, 센서 소자를 리프레쉬 할 수 있다. 또, 히터로서는 펠티에 소자(Peltier element)를 이용한 것이 바람직하다.
또한, 전술한 히터는 도파로를 도파하는 전자파의 파장 또는 강도를 변조하는 변조 수단으로서 이용할 수 있다. 즉, 히터의 일정한 주기로 흐르게 하는 것으로, 공진기로부터 방출되는 전자파의 강도, 또는 파장을 주기적으로 변조시켜, 검출기로 검출한 전자파 중, 변조된 전자파만을 분석기로 선택함으로써, 공진기 이외로부터 검출기에 도달하는, 노이즈의 전자파와 식별하고, 측정 정밀도를 향상시킬 수 있다. 그리고 변조 수단은 히터에 한정되지 않고, 예를 들면, 전자파 발생원으로부터 출력되는 전자파의 파장 변조나 강도 변조를 행하는 것이면 되고, 예를 들면, 전자파 발생원의 출력을 주기적으로 차단하기 위한 초퍼 회전판과 해당 초퍼 회전판의 구동 모터로 변조 수단을 구성하여, 구동 모터를 상기 제어 회로에서 제어하도록 해도 된다.
도 6에 나타낸 포토닉 센서 소자(20)에서는, 센서 도파로가 2개의 서로 평행으로 연장하는 입력 도파로(22A)와 출력 도파로(22A)로 구성된다. 감지 공진기(24)는, 입력 도파로(22A)와 출력 도파로(22B) 사이의 중간에 형성되고, 입력 도 파로(22A)의 일단에 있는 입력 포트(21)로부터 입력된 전자파로부터 특정 파장의 전자파를 판독하여 여기서 공진시킨다. 이 전자파는 출력 도파로(22B)에 전파해서 그 길이 방향의 일단에 형성된 출력 포트(23)로부터 검출기로 출력된다.
도 7에 나타낸 포토닉 센서 소자(20)에서는, 센서 도파로(22)의 길이 방향 양단으로 입력 포트(21)와 출력 포트(23)를 형성하고, 센서 도파로(22)로부터 포토닉 센서 소자(20)의 폭방향을 따라 이격된 부분, 즉, 센서 도파로의 길이 방향과 직교하는 방향으로 이격된 부분에 감지 공진기(24)를 형성하고, 감지 공진기(24)로부터 방출되는 전자파가 출력 포트(23)를 통해 검출기에 출력된다.
도 8에 나타낸 포토닉 센서 소자(20)에서는, 감지 공진기(24)로부터 포토닉 센서 소자(20)의 두께 방향으로 전자파를 방출시키도록 설계하고, 감지 공진기(24)의 위쪽으로 배치된 검출기와 전자기적으로 결합하도록 하고 있다.
상기 실시예에 있어서는, 센서 도파로(22)와 감지 공진기(24)와 검출기(40)로 구성되는 하나의 검출 유닛으로 한 종류의 대상 물질의 농도 측정을 행하고 있다. 그러므로 상이한 대상 물질에 대응시켜 복수의 검출 유닛을 설치하면, 상이한 대상 물질의 농도 측정을 행할 수 있다. 이 경우, 하나의 포토닉 센서 소자 내에, 상이한 파장의 전자파를 공진시키는 복수의 감지 공진기와 이것에 대응하는 복수의 센서 도파로가 형성된다.
<제2 실시예>
도 9는 본 발명의 제2 실시예를 나타낸다. 본 실시예에서는, 감지 공진기(24)와 기준 공진기(34)에 단일의 입력 포트(21)를 통하여 전자파 발생원(10)으 로부터의 전자파를 공급하도록 설계된 포토닉 센서 소자(20)의 구성을 나타낸다. 이 포토닉 센서 소자(20)에서는, 서로 상이한 결정 구조로 되어 있는 제1 포토닉 결정 구조 PC1와 제2 포토닉 결정 구조 PC2가 형성된다. 즉, 2개의 결정 구조에서는, 굴절률을 변화시키는 미소의 원형 구멍이 서로 상이한 주기로 2차원 배열됨으로써, 상이한 파장의 전자파를 선택적으로 전파시키는 구조로 된다. 센서 도파로는, 2개의 결정 구조 PC1, PC2에 걸쳐 연장하는 한 개의 입력 도파로(22A)와 각 결정 구조에 고유의 2개의 출력 도파로(22B1, 22B2)로 구성되며, 각 결정 구조 PC1, PC2내에, 각각 입력 도파로(22A)와 출력 도파로(22B1, 22B2)에 전자기적으로 결합하는 감지 공진기(24)와 기준 공진기(34)가 형성된다. 각 포토닉 결정 구조 PC1, PC2는, 서로 상이한 파장의 전자파가 각 공진기(24, 34)로 공진하도록 설계된다. 즉, 제1 포토닉 결정 구조 PC1에서는 대상 물질이 흡수하는 제1 파장(λ1)의 전자파로 공진하고, 제2 포토닉 결정 구조 PC2에서는 그 이외의 제2 파장(λ2)으로 공진하도록 설계되어, 도 1 및 도 2에서 나타낸 구성의 것과 마찬가지의 검출기(40)를 사용하고, 제1 파장(λ1)의 전자파의 강도를 출력 강도계(41)로 검출하고, 제2 파장(λ2)의 전자파의 강도를 기준 강도계(51)로 검출한다. 농도계(42)는, 제2 파장(λ2)의 전자파 강도와 제1 파장(λ1)의 전자파 강도를 비교하여, 제1 파장(λ1)의 전자파 강도의 감쇠율을 구하고, 이것에 따라서 제1 실시예와 마찬가지로 하여, 대상 물질의 농도를 계산한다.
본 실시예에 있어서는, 감지 공진기(24)로 공진하는 전자파의 제1 파장(λ1)을 대상 물질이 흡수하는 전자파의 파장으로 하고 있어, 기준 공진기(34)로 공진하 는 전자파의 제2 파장(λ2)을 제1 파장과 다르도록 설정하고 있으므로, 기준 공진기(34)로 공진하는 전자파는 대상 물질의 영향을 받지 않는다. 따라서, 기준 공진기(34)를 대상 물질이 포함되는 분위기로부터 차폐할 필요가 없다.
<제3 실시예>
도 10 및 도 11에 나타낸 실시예는, 분위기의 굴절률을 변화시키는 성질이 현저한 대상 물질의 측정을 위해 실현되는 방식을 개시한다. 이 경우의 대상 물질로서는, 예를 들면, 수증기, 알코올 등이 있어, 대상 물질의 존재에 의해 감지 공진기의 주위의 굴절률이 변화함으로써 감지 공진기로 공진하는 파장이 시프트하는 현상을 이용하여, 대상 물질의 농도 측정을 행한다. 도 12는, 대상 물질이 나타내는 굴절률과 그에 따라 정해지는 공진기 내에서 생기는 전자파의 파장과의 관계를 나타낸다. 따라서, 대상 물질에 의해 정해지는 특정 파장으로 공진하도록 감지 공진기를 설계함으로써, 대상 물질의 농도를 감지 공진기(24)로부터 방출되는 출력 강도의 변화로서 파악할 수 있다.
이 목적을 위해, 본 실시예에서는, 특정 파장을 포함하는 광대역의 전자파를, 센서 도파로(22)에 도입하고, 감지 공진기(24)로부터 출력되는 전자파로부터, 대상 물질에 고유의 특정 파장의 전자파의 강도를 선택적으로 인출하여, 이 강도에 따라 대상 물질의 농도가 계산된다. 도면에 나타낸 실시예의 포토닉 센서 소자(20)에서는, 센서 도파로가 2개의 평행으로 연장하는 입력 도파로(22A)와 출력 도파로(22B)로 구성되며, 양 도파로 사이에 감지 공진기(24)가 형성된다. 이 감지 공진기(24)는 대상 물질을 포함하는 분위기에 노출되고, 목적으로 하는 대상 물질 에 접촉하면, 입력 도파로(22A)의 길이 방향의 일단에 입력 포트(21)로 도입된 전자파 중, 대상 물질에 고유의 파장의 전자파가 공진기(24)로 공진하여, 공진하는 전자파가 출력 도파로(22B)의 길이방향의 일단의 출력 포트(23)를 통하여, 검출기(40)로 출력된다.
이 검출기(40)는 분광 분석 기능을 가지고, 대상 물질에 의해 정해지는 특정 파장의 전자파를 분광에 의해 선택하여, 그 전자파 강도를 구하고, 대상 물질의 농도를 이 전자파 강도에 비례하는 것으로서 결정하여, 대상 물질의 농도를 나타내는 농도 신호를 출력한다. 디스플레이(60)는 이 농도 신호를 수신하여 농도를 표시한다.
전자파 발생원(10)은, 대상이 되는 물질에 의해 정해지는 파장을 포함하는 광대역의 전자파, 예를 들면, 2μm 내지 13μm의 파장을 포함하는 적외선을 공급한다.
도 13 내지 도 20은 전술한 제3 실시예에 사용하는 포토닉 센서 소자(20)에 대한 수많은 변형 양태를 나타낸다.
도 13 내지 도 15의 변경 양태에서는, 감지 공진기(24)의 상에, 대상 물질에 흡착 또는 반응해서 감지 공진기(24) 내에서 공진하는 전자파의 파장을 변화시키는 감응체(80)를 배치하고 있다. 감응체(80)는, 대상 물질에 따른 파장 시프트를 적극적으로 일으키게 하는 또는 강화하기 위한 것이며, 대상 물질의 존재에 의해 공진기(24) 주위의 굴절률을 크게 변동시키는 재료로 구성된다. 예를 들면, 대상 물 질을 물로 한 습도 센서를 실현하는 경우는, SiO2나 폴리머와 같은 물을 흡착하는 재료가 사용되고, 대상 물질을 생태 물질로 한 바이오센서를 실현하는 경우는, 카르복실레이트와 같은 리셉터(receptor)가 재료로서 사용된다. 도 14 중의 M은 감응체(80)로 흡착된 대상 물질의 분자를 모식적으로 나타낸다.
도 16 내지 도 18의 변경 양태에서는, 포토닉 센서 소자(20) 내에, 2개의 공진기(24A 및 24B)를 형성하고, 한쪽의 공진기(24A)에만 위의 감응체(80)를 설치하고 있다. 대상 물질이 존재하면, 한쪽의 공진기(24A)로 공진하는 전자파의 파장이 다른 쪽의 공진기(24B)로 공진하는 전자파의 파장과 어긋나게 되어, 양 공진기 사이의 전자 결합력이 약해지고, 그 결과, 검출기(40)에 출력되는 전자파의 강도가 변화한다. 검출기(40)는 이 전자파 강도의 변화를 인식하여, 그 변화 정도에 따른 대상 물질의 농도를 결정한다. 검출기(40)에서는, 감응체를 설치한 공진기로 공진하는 전자파의 출력 강도의 변화에 따라 농도 결정을 행하고 있지만, 이것과 바꾸어 감응체를 설치하고 있지 않은 공진기로 공진하는 전자파의 출력 강도를 대상으로 해도 된다.
도 16의 변경 양태에서는, 2개의 입력 도파로(22A)와 출력 도파로(22B)의 사이에, 2개의 공진기(24A, 24B)를 포토닉 센서 소자(20)의 폭방향으로 배열하여 배치한 예를 나타낸다. 도 17의 변경 양태는 한 개의 도파로(22)의 외측에 도파로(22)의 길이 방향을 따라 2개의 공진기(24A 및 24B)를 배치한 예를 나타낸다. 도 18의 변경 양태에서는, 1개의 도파로(22)의 중앙에, 2개의 공진기(24A 및 24B) 를 배열하여 배치한 예를 나타낸다.
도 19의 변경 양태에서는, 포토닉 센서 소자(20) 내에, 도파로(22)와 공진기(24)와의 조를 복수 형성하고, 각 조에 따라, 전자파 발생원(10)과 검출기(40)를 설치하고 있다. 각 공진기(24)는 서로 상이한 파장의 전자파를 공진시키도록 설계되어, 복수 종류의 대상 물질의 농도 측정을 한다. 이 경우, 적어도 하나의 공진기(24)에 전술한 감응체를 설치하는 것이 가능하다.
도 20의 변경 양태에서는, 포토닉 센서 소자(20) 내에 복수의 서로 평행한 도파로(22)를 한쪽 방향을 따라 형성하고, 복수의 공진기(24)를 2차원 면 내에서 종횡으로 배열해서 면 센서를 형성하고 있다. 각 도파로(22)는 단일의 전자파 발생원(10)으로부터의 전자파가 공급되고, 각 공진기(24)에는 각각 검출기(40)가 결합된다. 검출기(40)도 마찬가지로 2차원 면 내에서 배열되어 프레임(90)에서 지지된다. 각 검출기(40)는 공진기(24)가 배열된 평면과 직교하는 방향으로 이격되어 배치되어, 각 공진기(24)로부터 방출되는 전자파가 검출기(40)에 출력된다. 각 공진기(24)는 인접하는 도파로(22)와 전자기적으로 결합하여, 서로 상이한 파장의 전자파를 공진시키도록 설계되어 면 내에서의 굴절률의 변화, 즉, 면 내에서의 대상 물질의 변화를 인식할 수 있다. 즉, 상이한 공진기(24)로부터 출력되는 전자파 강도가 상이한 대상 물질에 대한 농도를 나타내게 되고, 예를 들면, 대상 물질이 일으키는 반응의 진행 정도를 검출할 수 있다. 그러므로 농도의 검출 이외에도, 면 내에서의 상이한 대상 물질의 분포를 얻을 수 있다. 그리고 복수의 공진기(24)가 동일한 파장의 전자파를 공진시키도록 설계되면, 특정하는 대상 물질의 면 내에서 의 농도 분포를 얻을 수 있다. 또, 본 변경 양태에서는, 공진기에 감응체를 설치할 수도 있다.
<제4 실시예>
도 21 및 도 22는 본 발명의 제4 실시예를 나타낸다. 이 실시예는 기본적으로 제3 실시예와 동일하지만, 전자파 발생원(10)으로서 가변 파장의 전자파를 공급하는 것을 사용하고, 파장 스위프(sweep)를 행하여 시간에 따라 파장이 변화하는 전자파를 포토닉 센서 소자(20)에 도입한다. 파장의 스위프 범위는, 대상 물질이 나타내는 굴절률에 의해 정해지는 특정 파장을 포함하도록 설정되고, 그 특정 파장의 전자파가 전자파 발생원(10)으로부터 도입된 시점에서의, 공진기(24)로부터의 전자파 강도를 검출기(40)에서 구함으로써, 대상 물질의 농도를 측정할 수 있다. 그러므로 본 실시예에서는, 스위프 제어기(sweep controller)(46)가 설치되어, 전자파 발생원(10)으로부터의 파장을 시간에 따라 변화시키는 동시에, 검출기(40)에서의 전자파 출력의 판독 타이밍을 파장의 변화에 동기시키고 있다. 농도 측정에 있어서는, 대상 물질에 대응하는 특정 파장과는 다른 파장의 전자파의 출력 강도를 기준 강도로서 기억하여 두고, 대상 물질에 대응하는 특정 파장의 전자파의 출력 강도를 이 기준 강도와 비교함으로써 대상 물질의 농도가 계산에 따라 구해진다. 이 구성에 따르면, 파장의 스위프 범위 내에서의 여러 가지 파장에 있어서, 각각 개별적으로 전자파 강도를 분석할 수 있기 때문에, 상이한 종류의 대상 물질에 대한 농도를 구하는 것이 가능해진다. 이 실시예에 있어서 사용되는 포토닉 센서 소자(20)의 구성은, 도 21에 나타낸 구성 외에, 도 5 내지 도 8, 도 13 내지 도 18에 나타낸 구성의 것이 적용할 수 있다.
또한, 전술한 바와 같은 공진기로부터 방출되는 전자파 강도를 주기적으로 변조시키거나 또는 전자파 발생원으로부터 공진기에 공급되는 전자파 강도를 주기적으로 변조함으로써 측정 정밀도를 높이는 구성을 본 실시예에 적용하는 것이 가능하다.
<제5 실시예>
도 23은 본 발명의 제5 실시예를 나타낸다. 이 실시예에서는, 포토닉 센서 소자(20) 내에서의 공진기(24)를 통과하는 전자파 경로 내에 전술한 감응체(80)를 배치하고 있다. 감응체(80)가 대상 물질을 흡착하거나 이것과 반응하면, 전자파 경로(에너지 결합로)에서의 전자 결합 효율, 즉, 실효 도파로 길이가 변화하는 것에 기인하여, 검출기(40)에서 검출되는 전자파의 강도가 변화되므로, 이 전자파 강도의 변화에 따라 대상 물질의 농도가 측정된다. 이 실시예에 있어서는, 양단을 입력 포트(21)와 출력 포트(23)로 하는 도파로(22)의 중앙부에 감응체(80)를 형성하고, 도파로(22)의 중앙에 대응하여 형성한 공진기(24)와의 전자 결합 강도를, 대상 물질의 존재에 의해 변화시키는 구성으로 하고 있다.
도 24는 제5 실시예의 변경 양태를 나타내고, 포토닉 센서 소자(20) 내에 있어서 도파로(22)와 평행하게 배치한 2개의 공진기(24) 사이에 감응체(80)를 형성하여, 2개의 공진기 사이의 전자 결합 효율의 변화에 의해 대상 물질의 농도를 검출하고 있다.
도 25는 제5 실시예의 변경 양태를 나타내고, 포토닉 센서 소자(20) 내에 있 어서, 2개의 평행한 입력 도파로(22A)와 출력 도파로(22B) 사이에 배치한 2개의 공진기(24)의 사이에 감응체(80)를 형성하여, 2개의 공진기 사이의 전자 결합 효율의 변화에 의해 대상 물질의 농도를 검출하고 있다.
<제6 실시예>
도 26은, 본 발명의 제6 실시예를 나타낸다. 이 실시예에서 사용하는 포토닉 센서 소자(20)에서는, 서로 상이한 결정 구조가 된 제1 포토닉 결정 구조 PC1와 제2 포토닉 결정 구조 PC2가 연속하여 형성된다. 이들 2개의 결정 구조에서는, 굴절률을 변화시키는 미소의 원형 구멍이 서로 상이한 주기로 2차원 배열됨으로써, 상이한 파장의 전자파를 선택적으로 전파시키는 구조로 된다. 입사 도파로(22A) 및 출력 도파로(22B)는 각각 제1 포토닉 결정 구조 PC1와 제2 포토닉 결정 구조 PC2를 가로질러 연결되어 형성되고, 제1 결정 구조 PC1의 일단에 있어서 입력 도파로(22A)에 전자파의 입력 포트(21)가 형성되고, 출력 도파로(22B)에 전자파의 출력 포트(23)가 형성된다. 공진기(24)는 제1 포토닉 결정 구조 PC1내에서 입력 도파로(22A)와 출력 도파로(22B) 사이에 배치되고, 양자와 전자기적으로 결합되어 있다. 이 공진기(24)는 특정 파장의 전자파가 공진 가능하도록 설계된다.
입력 도파로(22A)에서의, 제1 포토닉 결정 구조 PC1와 제2 포토닉 결정 구조 PC2 사이의 계면에서는, 공진기로 공진하는 특정 파장의 전자파만을 반사하고, 나머지의 파장 성분은 통과시키는 입력 반사기(25A)가 형성된다. 마찬가지로, 출력 도파로(22B)에서의, 제1 포토닉 결정 구조 PC1와 제2 포토닉 결정 구조 PC2 사이의 계면에서는, 공진기(24)로 공진하는 특정 파장의 전자파만을 반사하고, 나머지의 파장 성분은 통과시키는 출력 반사기(25B)가 형성된다. 이와 같은 반사기는, 제1 포토닉 결정 구조 PC1와 제2 포토닉 결정 구조 PC2로의 주기 구조가 상이한 것에 따라서 형성되고, 공진기(24)로 공진이 허용된 특정 파장의 전자파가 입력 도파로(22A)로부터 공진기(24)로 전파하는 효율, 및 공진기(24)로 공진을 일으키는 특정 파장의 전자파가 출력 도파로(22B)를 거쳐 검출기(40)로 출력되는 효율을 향상시킨다.
입력 도파로(22A) 및 출력 도파로(22B)에는, 위에서 설명한 감응체(80)가 제1 포토닉 결정 구조 PC1와 제2 포토닉 결정 구조 PC2에 걸치는 부분에 형성되고, 대상 물질과 반응했을 때에, 양 결정 구조의 계면의 성능을 변화시킴으로써, 입력 반사기(25A) 및 출력 반사기(25B)에서의 기능을 변화시켜, 공진기(24)로 공진하는 특정 파장의 전자파의 반사 기능이 대폭 저하된다. 따라서, 감응체(80)가 대상 물질의 존재를 인정하면, 출력 도파로(22B)로부터 출력되는 특정 파장의 전자파 강도가 저하되는 것으로 되어, 그 전자파 강도의 변화로부터 대상 물질의 농도를 계산할 수 있다. 즉, 검출기(40)에 입력되는 전자파 강도로부터는 드롭 효율(D)이 구해지고, 이 드롭 효율로부터 농도가 구해진다. 드롭 효율(D)이란, 상기 식(3)에 의해 표현되는, 입력 전자파 강도 S+ 1와 출력 전자 단물결 강도 S-2와의 비이다.
드롭 효율 (D) 역시 다음 식에 의해 표현된다.
Figure 112006076911486-pct00004
Figure 112006076911486-pct00005
Figure 112006076911486-pct00006
Figure 112006076911486-pct00007
Figure 112006076911486-pct00008
Figure 112006076911486-pct00009
상기 식 중에서,
d1는 입력 도파로(22A)의 길이 방향에 따른 공진부(24)와 입력 반사기(25A) 사이의 거리이고,
d2는 출력 도파로(22A)의 길이 방향에 따른 공진부(24)와 출력 반사기(25b) 사이의 거리이고,
β1는 입력 도파로(22A)의 전파 정수이고,
β2는 출력 도파로(22B)의 전파 정수이고,
Δ1은 입력 반사기(25A)에 의해 반사되는 전자파의 반사 위상 변화이고,
Δ2는 출력 반사기(25B)에 의해 반사되는 전자파의 반사 위상 변화이고,
θ1은 입력 반사기(25A)에 의해 반사되어 공진기(24) 근방까지 돌아오는 전자파의 위상 변화량이고,
θ2는 출력 반사기(25B)에 의해 반사되어 공진기(24) 근방까지 돌아오는 전자파의 위상 변화량이고,
ω0은 공진기(24)에서의 공진 주파수이고,
Qinb는 공진기(24)와 입력 도파로(22A) 사이의 Q값이고,
Qinr는 공진기(24)와 출력 도파로(22B) 사이의 Q값이고,
W는 공진기(24)에 축적되는 에너지이고,
dW/dt는 공진기(24)로부터 입력 도파로(22A)로의 단위 시간에 없어지는 에너지, 공진기(24)로부터 출력 도파로(22B)로의 단위 시간에 없어지는 에너지이다.
본 실시예에서의 포토닉 센서 소자(20)는, SiO2의 기판상에 적층된 실리콘 반도체층에 다수의 미소한 원형 구멍을 형성하여 포토닉 결정 구조를 실현하고, 공진기(24)는 원형 구멍을 없게 한 결함, 즉, 원형 구멍이 실리콘으로 충전됨으로써 형성된 도너형 결함인 것으로 제조되며, 자유 공간에의 방사 손실이 적어져 높은 Q를 얻을 수 있어 Qinb /(1+cosθ1)≪QV 로 된다. 그러므로 상기 식(4) 중에서 "1/Q"의 항은 무시하는 것이 가능하다. 그러므로 Qinb/(1+cosθ1)=Qinr/(1+cosθ2) 및 θ1, θ2≠2Nπ(N=0, 1, ....)의 관계를 만족시키도록, 파라미터 d1, d2, β1, β2, Δ1, Δ2, θ1, θ2, Qinb, Qinr, QV를 설정함으로써, 검출 대상 물질의 부재 시의 드롭 효율을 약 1(즉, 100%)로 부여하는 것이 가능해져, 대상 물질의 존재 시의 드롭 효과와 크게 차이가 나므로, 고감도의 농도 측정이 가능해진다.
그리고 상기 각 실시예에 있어서는, 포토닉 센서 소자로서 실리콘 반도체의 포토닉 결정을 사용하였으나, 본 발명은 반드시 이에 한정되지 않고, 예를 들면, GaAs, InP와 같은 각종 재료의 포토닉 결정을 적용할 수 있다.
또, 전자파 발생원으로부터 포토닉 센서 소자에 공급하는 전자파의 파장은 검출 대상 물질에 따라 적당히 설정하면 되고, 사용하는 전자파로서는, C대역 (1530nm 내지 1565nm) 또는 L대역(1565nm 내지 1625nm) 등의 광통신 파장대의 것 이, 대상 물질에 따라 적당히 사용할 수 있다. 또한, 전자파 발생원(10)으로서는, 예를 들면, 광통신 파장대의 전자파를 발생하는 광원으로서, 발광 다이오드, 반도체 레이저, 할로겐 램프, ASE(Amplified Spontaneous Emission) 광원, SC(supercontinuum) 광원 등을 사용할 수 있다. 근적외선파장대(near infrared wavelength band)의 전자파를 발생하는 경우는, 실리콘 기판을 사용하여 마이크로 머시닝 기술에 의해 가공해서 형성된 직사각형 프레임형의 지지 기판의 1표면 상의 2점 사이에 선형의 발열체를 걸쳐 놓은 이른바 마이크로 브리지 구조의 적외선 방사 소자와 같은 흑체 방사의 광원 등을 사용할 수 있다.
전술한 실시예에 있어서는, 미리 설정한 대상 물질의 농도를 검출하기 위한 구성을 개시하였지만, 본 발명은 반드시 이것만으로 한정되는 것이 아니고, 포토닉센서 소자로부터 출력되는 전자파 강도의 변화를 분석하여, 대상 물질의 종류의 특정이나 대상 물질의 특성을 검출하도록 적용할 수 있는 것이다.
또, 본 실시예에서는, 가스 센서, 습도 센서, 바이오 센서로서 이용한 예를 개시하였지만, 본 발명은 이것만으로 한정되는 것이 아니고, 이온 센서 등 그 외의 물질을 검출하는 센서로서 사용할 수 있다.
본 출원은, 2004년 3월 24일에 출원된 일본 특허 출원 2004-87666호를 우선권 주장하는 것이며, 상기 일본 출원에 개시되는 모든 내용을 병합하는 것이다.

Claims (25)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 대상 물질의 특성을 검출하는 센서에 있어서,
    전자파(electromagnetic wave)를 공급하는 전자파 발생원;
    포토닉 결정 구조(photonic crystalline structure)를 가지는 포토닉 센서 소자로서, 상기 전자파를 도입하는 센서 도파로와, 상기 센서 도파로에 전자기적으로 결합되어 상기 전자파를 특정 파장으로 공진시키는 감지 공진기를 구비하되, 상기 감지 공진기는 상기 대상 물질을 포함하는 분위기 중에 노출됨으로써 상기 감지 공진기로부터 방출되는 상기 전자파의 특성을 변화시키는, 포토닉 센서 소자; 및
    상기 감지 공진기로부터 방출되는 전자파를 수신하여, 상기 전자파의 강도 변화를 인식하고, 상기 대상 물질의 특성을 나타내는 신호를 출력하는 검출기
    를 포함하고,
    상기 검출기는, 상기 전자파의 특성 변화에 기초하여 상기 대상 물질의 농도를 결정하고 상기 대상 물질의 농도를 나타내는 신호를 출력하고,
    상기 포토닉 센서 소자는 제1 포토닉 결정 구조와 제2 포토닉 결정 구조를 가지고, 상기 제1 및 제2 포토닉 결정 구조는 서로 상이한 구조이고, 2차원 배열 내에서 나란히(side-by-side relation) 배치되고,
    상기 센서 도파로는,
    상기 제1 및 제2 포토닉 결정 구조에 걸쳐 연장된 입력 도파로;
    상기 제1 포토닉 결정 구조의 범위 내에서 연장된 제1 출력 도파로; 및
    상기 제2 포토닉 결정 구조의 범위 내에서 연장된 제2 출력 도파로
    를 구비하며,
    상기 감지 공진기는 제1 포토닉 결정 구조 내에 형성되고,
    상기 제2 포토닉 결정 구조는 상기 감지 공진기에 고유한 특정 파장과는 다른 파장으로 전자파를 공진시키는 기준 공진기를 포함하고,
    상기 검출기는,
    상기 감지 공진기로부터 방출되는 상기 특정 파장의 전자파의 강도를 나타내는 검출 신호를 제공하는 출력 강도계;
    상기 기준 공진기로부터 방출되는 전자파의 강도를 제공하는 기준 강도계; 및
    상기 검출 신호를 상기 기준 신호와 비교하여, 상기 감지 공진기에서의 상기 특정 파장의 전자파의 감쇠량을 구함으로써, 상기 감쇠량의 함수로 상기 대상 물질의 농도를 계산하는 농도계
    를 포함하는,
    센서.
  10. 삭제
  11. 대상 물질의 특성을 검출하는 센서에 있어서,
    전자파(electromagnetic wave)를 공급하는 전자파 발생원;
    포토닉 결정 구조(photonic crystalline structure)를 가지는 포토닉 센서 소자로서, 상기 전자파를 도입하는 센서 도파로와, 상기 센서 도파로에 전자기적으로 결합되어 상기 전자파를 특정 파장으로 공진시키는 감지 공진기를 구비하되, 상기 감지 공진기는 상기 대상 물질을 포함하는 분위기 중에 노출됨으로써 상기 감지 공진기로부터 방출되는 상기 전자파의 특성을 변화시키는, 포토닉 센서 소자; 및
    상기 감지 공진기로부터 방출되는 전자파를 수신하여, 상기 전자파의 강도 변화를 인식하고, 상기 대상 물질의 특성을 나타내는 신호를 출력하는 검출기
    를 포함하고,
    상기 검출기는, 상기 전자파의 특성 변화에 기초하여 상기 대상 물질의 농도를 결정하고 상기 대상 물질의 농도를 나타내는 신호를 출력하고,
    상기 전자파 발생원은 전자파를 스위프(sweep) 해서 시간에 따라 파장을 변화시킴으로써, 상기 감지 공진기가 상기 대상 물질에 의해 정해지는 상기 특정 파장으로 상기 전자파가 공진하도록 하고,
    상기 검출기는, 상기 감지 공진기로부터 방출되는 상기 특정 파장에서의 전자파의 강도를 인출하고, 상기 전자파의 강도에 기초하여 상기 대상 물질의 농도를 계산하는,
    센서.
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 제11항에 있어서,
    상기 포토닉 센서 소자는 2개의 감지 공진기를 구비하고,
    상기 2개의 감지 공진기 중 한쪽의 감지 공진기에는, 상기 대상 물질과 반응해서 상기 감지 공진기 내에서 공진하는 전자파의 파장을 변화시키는 감응체가 설치되고,
    상기 2개의 감지 공진기는 서로 전자기적으로 결합하여 상기 검출기에 출력되는 합성 전자파를 제공하는 것을 특징으로 하는,
    센서.
  15. 대상 물질의 특성을 검출하는 센서에 있어서,
    전자파(electromagnetic wave)를 공급하는 전자파 발생원;
    포토닉 결정 구조(photonic crystalline structure)를 가지는 포토닉 센서 소자로서, 상기 전자파를 도입하는 센서 도파로와, 상기 센서 도파로에 전자기적으로 결합되어 상기 전자파를 특정 파장으로 공진시키는 감지 공진기를 구비하되, 상기 감지 공진기는 상기 대상 물질을 포함하는 분위기 중에 노출됨으로써 상기 감지 공진기로부터 방출되는 상기 전자파의 특성을 변화시키는, 포토닉 센서 소자; 및
    상기 감지 공진기로부터 방출되는 전자파를 수신하여, 상기 전자파의 강도 변화를 인식하고, 상기 대상 물질의 특성을 나타내는 신호를 출력하는 검출기
    를 포함하고,
    상기 검출기는, 상기 전자파의 특성 변화에 기초하여 상기 대상 물질의 농도를 결정하고 상기 대상 물질의 농도를 나타내는 신호를 출력하고,
    상기 전자파 발생원은 상이한 파장을 포함하는 전자파를 공급함으로써, 상기 감지 공진기는 상기 대상 물질에 의해 정해지는 상기 특정 파장으로 상기 전자파가 공진하도록 하고,
    상기 검출기는, 상기 감지 공진기로부터 방출되는 상기 특정 파장의 전자파를 선택하고, 상기 선택된 전자파의 강도에 기초하여 상기 대상 물질의 농도를 계산하며,
    상기 포토닉 센서 소자는 2개의 감지 공진기를 구비하고,
    상기 2개의 감지 공진기 중 한쪽의 감지 공진기에는, 상기 대상 물질과 반응해서 상기 감지 공진기 내에서 공진하는 전자파의 파장을 변화시키는 감응체가 설치되고,
    상기 2개의 감지 공진기는 서로 전자기적으로 결합하여 상기 검출기에 출력되는 합성 전자파를 제공하는,
    센서.
  16. 대상 물질의 특성을 검출하는 센서에 있어서,
    전자파(electromagnetic wave)를 공급하는 전자파 발생원;
    포토닉 결정 구조(photonic crystalline structure)를 가지는 포토닉 센서 소자로서, 상기 전자파를 도입하는 센서 도파로와, 상기 센서 도파로에 전자기적으로 결합되어 상기 전자파를 특정 파장으로 공진시키는 감지 공진기를 구비하되, 상기 감지 공진기는 상기 대상 물질을 포함하는 분위기 중에 노출됨으로써 상기 감지 공진기로부터 방출되는 상기 전자파의 특성을 변화시키는, 포토닉 센서 소자; 및
    상기 감지 공진기로부터 방출되는 전자파를 수신하여, 상기 전자파의 강도 변화를 인식하고, 상기 대상 물질의 특성을 나타내는 신호를 출력하는 검출기
    를 포함하고,
    상기 전자파 발생원은 상이한 파장의 전자파를 공급함으로써, 상기 감지 공진기는 상기 특정 파장으로 상기 전자파가 공진하도록 하고,
    상기 검출기가 2차원 배열로 복수개 배치되고, 각각이 상기 감지 공진기에 결합되어 상기 특정 파장의 전자파의 강도를 구하며,
    복수의 상기 감지 공진기는 각각 상이한 특정 파장의 전자파를 공진시키도록 구성되고,
    복수의 상기 검출기는, 상기 감지 공진기로부터 각각 방출되는 상기 전자파의 강도에 기초하여, 서로 다른 종류의 대상 물질의 존재를 검출함으로써, 상기 서로 다른 종류의 대상 물질의 2차원 분포를 제공하는,
    센서.
  17. 대상 물질의 특성을 검출하는 센서에 있어서,
    전자파(electromagnetic wave)를 공급하는 전자파 발생원;
    포토닉 결정 구조(photonic crystalline structure)를 가지는 포토닉 센서 소자로서, 상기 전자파를 도입하는 센서 도파로와, 상기 센서 도파로에 전자기적으로 결합되어 상기 전자파를 특정 파장으로 공진시키는 감지 공진기를 구비하되, 상기 감지 공진기는 상기 대상 물질을 포함하는 분위기 중에 노출됨으로써 상기 감지 공진기로부터 방출되는 상기 전자파의 특성을 변화시키는, 포토닉 센서 소자; 및
    상기 감지 공진기로부터 방출되는 전자파를 수신하여, 상기 전자파의 강도 변화를 인식하고, 상기 대상 물질의 특성을 나타내는 신호를 출력하는 검출기
    를 포함하고,
    상기 검출기는, 상기 전자파의 특성 변화에 기초하여 상기 대상 물질의 농도를 결정하고 상기 대상 물질의 농도를 나타내는 신호를 출력하고,
    상기 감지 공진기는 상기 특정 파장의 전자파를 공진시키고,
    상기 감지 공진기에 전자기적으로 결합된 부분에서 상기 센서 도파로 내에 감응체가 설치되고,
    상기 감응체는 상기 대상 물질과 반응해서 상기 센서 도파로와 상기 감지 공진기 사이의 실효 도파로 길이를 변화시킴으로써, 상기 대상 검출기에서 수신된 전자파의 강도를 변화시키며,
    상기 검출기는 상기 전자파의 강도 변화에 기초하여 상기 대상 물질의 농도를 계산하는,
    센서.
  18. 대상 물질의 특성을 검출하는 센서에 있어서,
    전자파(electromagnetic wave)를 공급하는 전자파 발생원;
    포토닉 결정 구조(photonic crystalline structure)를 가지는 포토닉 센서 소자로서, 상기 전자파를 도입하는 센서 도파로와, 상기 센서 도파로에 전자기적으로 결합되어 상기 전자파를 특정 파장으로 공진시키는 감지 공진기를 구비하되, 상기 감지 공진기는 상기 대상 물질을 포함하는 분위기 중에 노출됨으로써 상기 감지 공진기로부터 방출되는 상기 전자파의 특성을 변화시키는, 포토닉 센서 소자; 및
    상기 감지 공진기로부터 방출되는 전자파를 수신하여, 상기 전자파의 강도 변화를 인식하고, 상기 대상 물질의 특성을 나타내는 신호를 출력하는 검출기
    를 포함하고,
    상기 검출기는, 상기 전자파의 특성 변화에 기초하여 상기 대상 물질의 농도를 결정하고 상기 대상 물질의 농도를 나타내는 신호를 출력하고,
    상기 감지 공진기가 상기 포토닉 센서 소자 내에 2개가 형성되어 서로 전자기적으로 결합되는 동시에, 상기 특정 파장의 전자파를 공진시키도록 구성되며,
    상기 2개의 감지 공진기 사이의 에너지 결합로에 감응체가 설치되고, 상기 감응체는, 상기 대상 물질과 반응해서 상기 에너지 결합로의 실효 도파로 길이를 변화시킴으로써, 상기 감지 공진기로부터 방출되는 전자파의 강도를 변화시키며,
    상기 검출기는 전자파의 강도 변화에 기초하여 상기 대상 물질의 농도를 계산하는,
    센서.
  19. 대상 물질의 특성을 검출하는 센서에 있어서,
    전자파(electromagnetic wave)를 공급하는 전자파 발생원;
    포토닉 결정 구조(photonic crystalline structure)를 가지는 포토닉 센서 소자로서, 상기 전자파를 도입하는 센서 도파로와, 상기 센서 도파로에 전자기적으로 결합되어 상기 전자파를 특정 파장으로 공진시키는 감지 공진기를 구비하되, 상기 감지 공진기는 상기 대상 물질을 포함하는 분위기 중에 노출됨으로써 상기 감지 공진기로부터 방출되는 상기 전자파의 특성을 변화시키는, 포토닉 센서 소자; 및
    상기 감지 공진기로부터 방출되는 전자파를 수신하여, 상기 전자파의 강도 변화를 인식하고, 상기 대상 물질의 특성을 나타내는 신호를 출력하는 검출기
    를 포함하고,
    상기 포토닉 센서 소자는 제1 포토닉 결정 구조와 제2 포토닉 결정 구조를 가지고, 상기 제1 및 제2 포토닉 결정 구조는 서로 상이하고, 2차원 배열 내에서 나란히 배치되며,
    상기 센서 도파로는 입력 도파로와 출력 도파로로 구성되며, 상기 입력 도파로와 상기 출력 도파로는 서로 평행하게 연장되는 동시에, 각각이 상기 제1 포토닉 결정 구조의 전체 길이에 걸쳐 연장되어 상기 제2 포토닉 결정 구조 내에 도달하며,
    상기 감지 공진기는 상기 제1 포토닉 결정 구조 내에서 상기 입력 도파로와 상기 출력 도파로 사이에 배치되고,
    상기 입력 도파로는, 상기 제2 포토닉 결정 구조와 떨어져 있는, 그 길이 방향의 일단에서, 상기 전자파 발생원으로부터의 전자파를 수신하는 입력 포트를 형성하고,
    상기 출력 도파로는, 상기 제2 결정 구조와 떨어져 있는 그 길이 방향의 일단에서, 상기 감지 공진기에서 공진하는 상기 특정 파장의 전자파를 방출하는 출력 포트를 형성하고,
    상기 입력 도파로에, 상기 제1 포토닉 결정 구조와 상기 제2 포토닉 결정 구조 사이의 계면에서, 상기 특정 파장의 전자파를 출력 포트 측으로 반사하는 입력 반사기가 형성되고,
    상기 출력 도파로에, 상기 제1 포토닉 결정 구조와 상기 제2 포토닉 결정 구조 사이의 계면에서, 상기 특정 파장의 전자파를 입력 포트 측으로 반사하는 출력 반사기가 형성되고,
    상기 입력 도파로와 상기 출력 도파로의 각각에, 상기 제1 포토닉 결정 구조와 상기 제2 포토닉 결정 구조를 가로질러 연결하는 부분에 감응체가 형성되고, 상기 감응체는 상기 대상 물질과 반응하여 상기 입력 반사기 및 상기 출력 반사기에서의 반사 효율을 변화시킴으로써 상기 검출기에서 수신되는 전자파의 강도를 변화시키며,
    상기 검출기는 상기 전자파의 강도 변화에 기초하여 상기 대상 물질의 농도를 계산하는,
    센서.
  20. 대상 물질의 특성을 검출하는 센서에 있어서,
    전자파(electromagnetic wave)를 공급하는 전자파 발생원;
    포토닉 결정 구조(photonic crystalline structure)를 가지는 포토닉 센서 소자로서, 상기 전자파를 도입하는 센서 도파로와, 상기 센서 도파로에 전자기적으로 결합되어 상기 전자파를 특정 파장으로 공진시키는 감지 공진기를 구비하되, 상기 감지 공진기는 상기 대상 물질을 포함하는 분위기 중에 노출됨으로써 상기 감지 공진기로부터 방출되는 상기 전자파의 특성을 변화시키는, 포토닉 센서 소자;
    상기 감지 공진기로부터 방출되는 전자파를 수신하여, 상기 전자파의 강도 변화를 인식하고, 상기 대상 물질의 특성을 나타내는 신호를 출력하는 검출기; 및
    환경 상태를 나타내는 환경 파라미터를 모니터하는 제어기
    를 포함하고,
    상기 제어기는 상기 환경 파라미터에 기초하여 상기 감지 공진기의 광학 특성을 보정하여 상기 특정 파장으로 전자파를 공진시키는,
    센서.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 포토닉 센서 소자에 히터가 구비되고 상기 히터는 상기 제어기에 의해 작동하여 상기 감지 공진기의 광학 특성을 보정하는, 센서.
  22. 대상 물질의 특성을 검출하는 센서에 있어서,
    전자파(electromagnetic wave)를 공급하는 전자파 발생원;
    포토닉 결정 구조(photonic crystalline structure)를 가지는 포토닉 센서 소자로서, 상기 전자파를 도입하는 센서 도파로와, 상기 센서 도파로에 전자기적으로 결합되어 상기 전자파를 특정 파장으로 공진시키는 감지 공진기를 구비하되, 상기 감지 공진기는 상기 대상 물질을 포함하는 분위기 중에 노출됨으로써 상기 감지 공진기로부터 방출되는 상기 전자파의 특성을 변화시키는, 포토닉 센서 소자;
    상기 감지 공진기로부터 방출되는 전자파를 수신하여, 상기 전자파의 강도 변화를 인식하고, 상기 대상 물질의 특성을 나타내는 신호를 출력하는 검출기; 및
    상기 감지 공진기 상에 보충된 상기 대상 물질 또는 불순물을 없애는 리프레쉬 수단
    을 포함하는,
    센서.
  23. 제22항에 있어서,
    상기 리프레쉬 수단은, 상기 포토닉 센서 소자 측에 구비된 히터이며, 열에 의해 상기 대상 물질 또는 불순물을 상기 감지 공진기의 표면으로부터 소산시키는, 센서.
  24. 삭제
  25. 삭제
KR1020067022090A 2004-03-24 2005-03-23 포토닉 결정을 사용하는 대상 물질 센서 및 대상 물질의 검출 방법 KR100831384B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020067022090A KR100831384B1 (ko) 2004-03-24 2005-03-23 포토닉 결정을 사용하는 대상 물질 센서 및 대상 물질의 검출 방법

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JPJP-P-2004-00087666 2004-03-24
KR1020067022090A KR100831384B1 (ko) 2004-03-24 2005-03-23 포토닉 결정을 사용하는 대상 물질 센서 및 대상 물질의 검출 방법

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20070018059A KR20070018059A (ko) 2007-02-13
KR100831384B1 true KR100831384B1 (ko) 2008-05-21

Family

ID=41638553

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020067022090A KR100831384B1 (ko) 2004-03-24 2005-03-23 포토닉 결정을 사용하는 대상 물질 센서 및 대상 물질의 검출 방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR100831384B1 (ko)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101663873B1 (ko) * 2014-10-07 2016-10-07 영남대학교 산학협력단 균열 검출 시스템 및 그것을 이용한 균열 검출 방법
KR101707632B1 (ko) * 2015-08-24 2017-02-20 영남대학교 산학협력단 투과계수를 이용한 균열 검출 시스템 및 그것을 이용한 균열 검출 방법
KR102636589B1 (ko) * 2021-09-10 2024-02-13 이화여자대학교 산학협력단 광결정 기반 색변화 센서의 감지능 검사 장치 및 방법

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2002050514A1 (de) * 2000-12-18 2002-06-27 Fraunhofer Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Vorrichtung und verfahren zur analyse der qualitativen und/oder quantitativen zusammensetzung von fluiden

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2002050514A1 (de) * 2000-12-18 2002-06-27 Fraunhofer Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Vorrichtung und verfahren zur analyse der qualitativen und/oder quantitativen zusammensetzung von fluiden

Also Published As

Publication number Publication date
KR20070018059A (ko) 2007-02-13

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CA2560765C (en) Target substance sensor and method thereof using a photonic crystal
US8111402B2 (en) Optical sensing based on overlapping optical modes in optical resonator sensors and interferometric sensors
US7061619B2 (en) Chemical substance measuring apparatus using optical waveguides
US9046494B2 (en) Optical sensing system and a method of determining a change in an effective refractive index of a resonator of an optical sensing system
JPH0921698A (ja) 光学的センサー
US8508744B2 (en) Surface plasmon resonance sensing method and sensing system
CA3025935A1 (en) Photothermal interferometry apparatus and method
WO2006137902A2 (en) Thermal selectivity multivariate optical computing
JP2002505425A (ja) 導波路構造
CN102262051A (zh) 光学传感装置和使用该光学传感装置检测样本的方法
US6661938B2 (en) Optical micro-cavity sensors
JP2009104135A (ja) 作用物質の存在を検出する装置及び方法
KR100831384B1 (ko) 포토닉 결정을 사용하는 대상 물질 센서 및 대상 물질의 검출 방법
US7952772B2 (en) Photonic crystal fiber sensor
JP2005321244A (ja) 光学的測定装置
JP5311852B2 (ja) センシング装置
JP5188858B2 (ja) 光分析装置
US7106429B2 (en) Apparatus and method for detecting change of dielectric constant
US20110026870A1 (en) Photonic crystal fiber sensor
JP3844688B2 (ja) 全反射減衰を利用したセンサー
Ja Integrated optical microring for high-resolution refractive index and pressure sensing applications
Ruege et al. Demonstration of a multimode waveguide-cavity biosensor based on fringe visibility detection

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20120423

Year of fee payment: 5

LAPS Lapse due to unpaid annual fee