KR102071525B1

KR102071525B1 - 광 바이오 센서 및 그 동작방법

Info

Publication number: KR102071525B1
Application number: KR1020130026807A
Authority: KR
Inventors: 서성동; 나경원; 박윤동; 임동모; 정주환; 홍석용
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2013-03-13
Filing date: 2013-03-13
Publication date: 2020-03-02
Also published as: KR20140112275A; US9366635B2; US20140268165A1

Abstract

광학적 현상에 기반하여 바이오 물질의 농도를 측정하는 광 바이오 센서 및 그 동작방법이 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 광 바이오 센서는, 위상 변조된 광 신호로부터 생성된 제1 및 제2 광 신호를 수신하고, 상기 제1 광 신호를 센싱 공진기를 포함하는 제1 광 경로를 통해 전송함에 의하여 센싱 신호를 출력하고, 상기 제2 광 신호를 기준 공진기를 포함하는 제2 광 경로를 통해 전송함에 의하여 기준 신호를 출력하는 바이오 센싱부와, 상기 센싱 신호 및 기준 신호를 수신하고, 신호 복조 동작을 통해 상기 센싱 신호 및 기준 신호 각각의 위상 성분을 검출하며, 검출된 위상 성분에 따라 상기 센싱 신호 및 기준 신호 사이의 위상 차를 검출하는 검출부 및 상기 검출된 위상 차에 기반하여 바이오 물질의 농도를 산출하는 신호 처리부를 구비하는 것을 특징으로 한다.

Description

광 바이오 센서 및 그 동작방법{Optical Bio Sensor and operating method thereof}

본 발명은 바이오 센서에 관한 것으로, 광학적 현상에 기반하여 바이오 물질의 농도를 측정하는 광 바이오 센서 및 그 동작방법에 관한 것이다.

바이오 센서는 액체 또는 기체 상태에 있는 유기물질이나 무기물질의 농도를 측정하는 소자이다. 바이오 센서에는 압전기반 바이오 센서, 광 바이오 센서, 전기화학 바이오 센서 등이 있다. 이중 광 바이오 센서는 생물학적 요소가 탐지대상 물질과 상호 작용해 바이오 물질의 농도를 광학적 현상으로 측정하는 장치로서, 공진 파장(Resonant wavelength)의 변화(shift)를 분석함에 의해 바이오 물질의 농도를 측정한다.

종래의 경우 OSA(Optical Spectrum Analyzer)를 이용하여 광 신호를 분석하여 공진 파장의 변화를 관찰하였으나, OSA의 경우 측정 장비를 비롯하여 광 패키징 등으로 구성되기 때문에 대체로 그 사이즈가 크다. 이에 따라 바이오 센서 내에 OSA가 집적되기 어려운 문제가 발생하며, 또한 바이오 센서를 소형화시키기 어려운 문제가 발생한다.

본 발명의 목적은 바이오 센서 내에 공진 파장의 변화를 분석하는 수단을 집적함과 함께 그 사이즈를 축소하여 휴대에 용이한 광 바이오 센서 및 그 동작방법을 제공하는 데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 일 실시예에 따른 광 바이오 센서는, 위상 변조된 광 신호로부터 생성된 제1 및 제2 광 신호를 수신하고, 상기 제1 광 신호를 센싱 공진기를 포함하는 제1 광 경로를 통해 전송함에 의하여 센싱 신호를 출력하고, 상기 제2 광 신호를 기준 공진기를 포함하는 제2 광 경로를 통해 전송함에 의하여 기준 신호를 출력하는 바이오 센싱부와, 상기 센싱 신호 및 기준 신호를 수신하고, 신호 복조 동작을 통해 상기 센싱 신호 및 기준 신호 각각의 위상 성분을 검출하며, 검출된 위상 성분에 따라 상기 센싱 신호 및 기준 신호 사이의 위상 차를 검출하는 검출부 및 상기 검출된 위상 차에 기반하여 바이오 물질의 농도를 산출하는 신호 처리부를 구비하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 제1 광 신호와 상기 제2 광 신호는 서로 동일한 위상을 갖는 것을 특징으로 한다.

또한 바람직하게는, 상기 바이오 물질이 상기 센싱 공진기에 결합됨에 따라 상기 센싱 공진기의 공진 파장이 변동되고, 상기 산출된 위상 차는 상기 센싱 공진기의 공진 파장의 변동 량에 대응하는 값을 갖는 것을 특징으로 한다.

또한 바람직하게는, 상기 광 바이오 센서는 상기 센싱 신호 및 기준 신호 각각에 대해 직교하는 위상을 갖는 변조 신호를 생성하여 상기 검출부로 제공하는 변조부를 더 구비하는 것을 특징으로 한다.

또한 바람직하게는, 상기 검출부는, 상기 변조부로부터 제1 변조 신호 및 제2 변조 신호를 수신하고, 상기 센싱 신호와 제1 변조 신호를 연산함에 의하여 상기 센싱 신호의 위상 성분을 검출하고, 상기 기준 신호와 제2 변조 신호를 연산함에 의하여 상기 기준 신호의 위상 성분을 검출하는 것을 특징으로 한다.

또한 바람직하게는, 상기 광 바이오 센서는 광 신호를 생성하는 광원 및 상기 광 신호를 수신하여 상기 광 신호의 위상을 변조함으로써 상기 위상 변조된 광 신호를 생성하는 간섭계를 더 구비하는 것을 특징으로 한다.

또한 바람직하게는, 상기 광 바이오 센서는 상기 검출된 위상 차에 대응하여 상기 바이오 물질의 농도에 관련된 정보를 저장하는 데이터베이스부를 더 구비하는 것을 특징으로 한다.

한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 광 바이오 센서의 동작방법은, 위상 변조된 광 신호로부터 생성된 제1 및 제2 광 신호를 수신하는 단계와, 상기 제1 광 신호를 센싱 공진기를 포함하는 제1 광 경로를 통해 전송함에 의하여 센싱 신호를 출력하는 단계와, 상기 제2 광 신호를 기준 공진기를 포함하는 제2 광 경로를 통해 전송함에 의하여 기준 신호를 출력하는 단계와, 상기 센싱 신호 및 기준 신호에 대한 신호 복조 동작을 통해 상기 센싱 신호 및 기준 신호 각각의 위상 성분을 검출하는 단계와, 상기 검출된 위상 성분에 따라 상기 센싱 신호 및 기준 신호 사이의 위상 차를 검출하는 단계 및 상기 검출된 위상 차에 기반하여 바이오 물질의 농도를 산출하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 광 바이오 센서 및 그 동작방법은, 위상 변조된 광 신호를 이용하고, 공진 파장의 변화를 분석함에 있어서 광 신호의 복조 동작을 기반으로 함으로써, 공진 파장의 변화를 분석하는 수단이 광 바이오 센서 내에 용이하게 집적될 수 있을 뿐 아니라, 휴대에 용이한 광 바이오 센서를 제공할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광 바이오 센서를 나타내는 블록도이다.
도 2는 도 1의 광 바이오 센서의 일 구현예를 나타내는 블록도이다.
도 3은 도 1의 검출부 및 신호 처리부의 일 구현예를 나타내는 블록도이다.
도 4는 도 2의 바이오 센싱부의 일 구현예를 나타내는 도면이다.
도 5a 및 5b는 도 4의 바이오 센싱부에 포함되는 광 도파로의 예들을 나타낸다.
도 6a 및 6b는 도 4의 A-A' 선에 따른 단면도이다.
도 7a,b,c는 도 4의 바이오 센싱부에서 표적 물질과 프로브 물질의 결합 전후의 상태 및 센싱 신호의 파장 특성을 나타내는 도면이다.
도 8a,b는 공진기 및 광 도파로의 다양한 구현 예를 나타내는 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 광 바이오 센서의 동작방법을 나타내는 플로우차트이다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 광 바이오 센서를 나타내는 블록도이다.
도 11은 도 10의 광 바이오 센서의 일 구현 예를 나타내는 블록도이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 센싱 시스템을 나타내는 블록도이다.

본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 첨부 도면 및 도면에 기재된 내용을 참조하여야 한다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광 바이오 센서(100)를 나타내는 블록도이다.

도 1을 참조하면, 광 바이오 센서(100)는 바이오 센싱부(bio sensing unit)(130)를 포함할 수 있다. 광 바이오 센서(100)는 광 신호를 처리하여 바이오 물질의 농도를 판독하기 위한 처리 수단을 더 포함할 수 있으며, 예컨대 광 바이오 센서(100)는 검출부(140) 및 신호 처리부(150)를 더 포함할 수 있다. 또한, 광 바이오 센서(100)는 광원(110) 및 커플러(120)를 더 포함할 수도 있다. 광 바이오 센서(100)는 바이오 물질들의 상호 작용, 구체적으로, 표적(target) 물질(예를 들어, 표적 DNA 또는 항원)과 프로브(probe) 물질(예를 들어, 프로브 DNA 또는 항체)의 결합에 따른 광학적 현상을 기초로 하여 바이오 물질의 존재 유무 또는 농도를 측정할 수 있다.

광원(110)은 입력 광 신호(Lin)를 생성하고, 생성된 입력 광 신호(Lin)는 커플러(120)를 통해 바이오 센싱부(130)로 제공될 수 있다. 입력 광 신호(Lin)는 일반 광 신호를 위상 변조하여 생성된 신호로서, 입력 광 신호(Lin)는 커플러(120)를 거쳐 제1 광 신호(L1) 및 제2 광 신호(L2)로 분리되어 바이오 센싱부(130)로 제공될 수 있다. 바이오 센싱부(130) 내의 공진기(미도시)를 통과하기 전 까지, 상기 제1 광 신호(L1)와 제2 광 신호(L2)는 서로 동일한 위상을 가질 수 있다. 도 1에서는 광원(110)이 광 바이오 센서(100) 내에 구비되고, 광원(110)이 위상 변조된 입력 광 신호(Lin)를 생성하는 것으로 도시되었으나, 본 발명의 실시예는 이에 국한될 필요는 없다. 예컨대, 광 바이오 센서(100)가 광원(110)을 구비함이 없이, 위상 변조된 광 신호를 외부로부터 수신하여도 무방하다.

바이오 센싱부(130)는 두 개 이상의 광 경로를 통해 광 신호를 전달할 수 있다. 예컨대, 바이오 센싱부(130)는 제1 광 신호(L1)가 전달되는 제1 광 경로와 제2 광 신호(L2)가 전달되는 제2 광 경로를 포함할 수 있으며, 제1 및 제2 광 경로들 각각은 공진기(예컨대, 링 공진기)를 포함할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따라, 바이오 센싱부(130)의 제1 광 경로는 센싱 공진기를 포함할 수 있으며, 제2 광 경로는 기준 공진기를 포함할 수 있다.

바이오 센싱부(130)는, 바이오 물질의 센싱에 따라 변화되는 파장을 가지는 센싱 신호(Ldata)와 기준 파장을 가지는 기준 신호(Lref)를 생성할 수 있다. 일예로서, 제1 광 신호(L1)가 센싱 공진기를 통과함에 따라 센싱 신호(Ldata)가 생성될 수 있으며, 제2 광 신호(L2)가 기준 공진기를 통과함에 따라 기준 신호(Lref)가 생성될 수 있다. 센싱 신호(Ldata)는 제1 광 신호(L1)의 파장 성분에서, 바이오 물질의 농도에 따라 변화되는 공진 파장이 추출된 광 신호이거나 공진 파장이 소실된 광 신호일 수 있다.

센싱 신호(Ldata)와 기준 신호(Lref)는 각각 서로 다른 공진 파장을 갖는 공진기를 통과함에 따라 서로 다른 위상을 갖는다. 센싱 신호(Ldata)와 기준 신호(Lref)는 검출부(140)로 제공되며, 검출부(140)는 복조 동작을 통해 센싱 신호(Ldata)와 기준 신호(Lref) 각각의 위상 성분을 검출하고, 또한 센싱 신호(Ldata)와 기준 신호(Lref) 사이의 위상 차를 검출한다. 검출 결과 신호(Sres)는 신호 처리부(150)로 제공되며, 신호 처리부(150)는 검출 결과 신호(Sres)를 분석하여 센싱 공진기의 공진 파장의 변화량을 산출하며, 또한 산출된 공진 파장의 변화량에 따른 바이오 물질의 농도 센싱 신호(Scon)를 출력한다. 농도 센싱 신호(Scon)에 따른 바이오 물질의 농도 측정 값이 표시부(160)에 표시된다.

일 실시예에서, 바이오 센싱부(130)와 검출부(140)는 동일한 기판 상에 형성되거나 패키징될 수 있다. 또는 다른 실시예에서, 바이오 센싱부(130), 검출부(140) 및 신호 처리부(150)는 동일한 기판 상에 형성되거나 패키징될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 광원(110), 커플러(120), 바이오 센싱부(130), 검출부(140) 및 신호 처리부(150)는 동일한 기판 상에 형성되거나 패키징될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 분광계와 같은 별도의 장비를 이용하지 않고 센싱 신호(Ldata)와 기준 신호(Lref) 사이의 위상 차를 검출함에 의하여 바이오 물질의 농도를 측정할 수 있으므로, 광 바이오 센서(100) 내에 검출부(140) 및 신호 처리부(150) 등을 집적화할 수 있다. 이에 따라, 광 바이오 센서(100)를 소형화할 수 있으므로, 광 바이오 센서(100)를 휴대용 스마트 기기 등과 연동시킬 수 있다.

도 2는 도 1의 광 바이오 센서의 일 구현예를 나타내는 블록도이다. 도 2에서는 설명의 편의상 바이오 센싱부(130), 검출부(140) 및 신호 처리부(150) 만이 도시된다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 위상 변조된 입력 광 신호(Lin)는 커플러(120)를 통해 제1 광 신호(L1) 및 제2 광 신호(L2)로 분리되고, 제1 광 신호(L1)는 센싱 공진기(131)를 포함하는 제1 광 경로를 통과하며, 제2 광 신호(L2)는 기준 공진기(132)를 포함하는 제2 광 경로를 통과한다. 도 2에서는, 센싱 공진기(131) 및 기준 공진기(132)가 모두 링 공진기(Ring Resonator)로 구현되는 예가 도시되나, 다른 형태의 공진기가 적용되어도 무방하다. 링 공진기를 통과하기 전 까지 제1 광 신호(L1)와 제2 광 신호(L2)는 서로 동일한 위상을 갖는다. 제1 및 제2 광 경로 각각에는 광 신호를 전달하는 하나 이상의 버퍼가 더 구비될 수 있다.

링 공진기를 통과함에 따라, 제1 광 신호(L1) 및 제2 광 신호(L2) 각각이 경험하는 광 경로는 실질적으로 유효 굴절률(effective index)의 변화량만큼 차이가 발생하게 된다. 이에 따라, 센싱 공진기(131) 및 기준 공진기(132)를 각각 거친 센싱 신호(Ldata)와 기준 신호(Lref)는 상기 유효 굴절률의 변화량에 대응하는 위상 변화가 발생하게 되며, 센싱 신호(Ldata)와 기준 신호(Lref) 사이의 위상 차(Δα)를 검출함에 의하여 바이오 물질에 따른 센싱 공진기(131)의 공진 파장의 변화량이 산출될 수 있다.

검출부(140)는 센싱 신호(Ldata)와 기준 신호(Lref)를 수신하고, 각각의 신호에 대해 위상을 추출하기 위한 복조 동작을 수행함과 함께, 복조 결과에 따라 추출된 위상을 분석하여 센싱 신호(Ldata)와 기준 신호(Lref) 사이의 위상 차를 검출한다. 검출부(140)는 소정의 주파수를 갖는 클록 신호(clock)를 더 수신할 수 있으며, 센싱 신호(Ldata)와 기준 신호(Lref) 사이의 위상 차이에 해당하는 클록 수를 카운팅함에 의하여 위상 차가 반영된 신호를 출력할 수 있다. 신호 처리부(150)는 상기 검출 결과에 기반하여 센싱 공진기(131)의 공진 파장의 변화량을 산출하고, 또한 그 산출 결과에 따라 바이오 물질의 농도를 산출할 수 있다.

도 3은 도 1의 검출부 및 신호 처리부의 일 구현예를 나타내는 블록도이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 검출부(140)는 복조부(141), 위상 차 산출부(142) 및 직교 신호 생성부(143)를 포함할 수 있다. 또한, 신호 처리부(150)는 데이터베이스(151) 및 신호 처리 회로부(152)를 포함할 수 있다.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 위상 변조된 입력 광 신호(Lin)를 I로 가정할 때, 입력 광 신호(I)는 다음의 수학식 1에 따른 신호 특성을 가질 수 있다. 상기 수학식 1에서와 같이, 입력 광 신호(I)는 소정의 진폭을 가짐과 함께 그 신호의 변화가 cos 함수를 따를 수 있으며, 파장(λ) 변화에 따라 그 위상이 달라질 수 있다. 커플러를 통해 생성되는 제1 광 신호(L1) 및 제2 광 신호(L2) 또한 아래의 cos 함수를 따를 수 있다.

제1 광 신호(L1) 및 제2 광 신호(L2)가 각각 서로 다른 공진 파장을 갖는 링 공진기를 통과함에 따라, 센싱 신호(Ldata)와 기준 신호(Lref)의 파장이 다르게 되며, 이에 따라 위상 성분에 차이가 발생하게 된다. 센싱 신호(Ldata)와 기준 신호(Lref) 각각의 위상 성분(또는, 파장 성분)을 검출함에 의하여 센싱 신호(Ldata)와 기준 신호(Lref)의 위상 차가 검출될 수 있다. 상기 위상 변조된 광 신호를 이용하여 신호를 처리함에 따라, 상기 광 신호에 대한 복조 동작이 수행될 필요가 있다.

복조부(141)는 센싱 신호(Ldata)와 기준 신호(Lref)를 수신하고, 각각의 신호의 파장 변화에 대해 선형적인 출력을 발생하기 위한 복조 동작을 수행한다. 복조 동작은 타임 도메인에서의 직교 신호 처리(Quadrature signal processing) 동작에 기반하여 수행될 수 있으며, 이에 따라 상기 복조 동작을 통하여 센싱 신호(Ldata)와 기준 신호(Lref) 각각의 위상 성분이 추출될 수 있다.

일 실시예로서, 복조 동작으로서 아크 탄젠트(arctangent) 복조 동작이 수행될 수 있다. 이를 위하여, 직교 신호를 이용한 신호 처리가 수행될 수 있으며, 센싱 신호(Ldata)와 기준 신호(Lref)가 각각 cos 함수를 따르는 경우, 직교 신호 생성부(143)는 sin 함수를 따르는 신호를 생성할 수 있다. 복조부(141)는 sin 함수를 따르는 신호를 각각 cos 함수를 따르는 센싱 신호(Ldata)와 기준 신호(Lref)로 나눌 수 있으며, 상기 나눔 연산에 의해 발생된 신호 각각에 대하여 아크 탄젠트 복조 동작을 수행할 수 있다. 이에 따라, 센싱 신호(Ldata)와 기준 신호(Lref) 각각의 위상 성분이 추출된다.

위상 차 산출부(142)는 각각 추출된 센싱 신호(Ldata)와 기준 신호(Lref)의 위상 성분으로부터 센싱 신호(Ldata)와 기준 신호(Lref) 사이의 위상 차를 산출한다. 예컨대, 위상 차 산출부(142)는 소정의 주파수를 갖는 클록 신호(clock)를 수신할 수 있으며, 센싱 신호(Ldata)와 기준 신호(Lref)의 위상 차이에 해당하는 구간 동안 클록 신호의 클록 수를 카운팅함에 의하여 상기 위상 차이의 정보를 나타내는 검출 결과 신호(Sres)를 발생할 수 있다.

신호 처리 회로부(152)는 검출부(140)로부터의 검출 결과 신호(Sres)에 응답하여 바이오 물질의 농도를 판단하고 그에 따른 농도 센싱 신호(Scon)를 출력한다. 신호 처리부(150)는 신호 처리 회로부(152)와 함께 데이터베이스(151)를 포함할 수 있다. 데이터베이스(151)에는 다양한 바이오 물질들에 대한 데이터가 저장될 수 있으며, 위상 차이 값에 따른 바이오 물질들의 농도에 관련된 데이터가 저장될 수 있다. 일예로서, 센싱 신호(Ldata)와 기준 신호(Lref)의 위상 차이 값에 따른 바이오 물질들의 농도에 관련된 정보가 데이터베이스화하여 저장될 수 있다. 검출 결과 신호(Sres)에 대응하는 농도 정보가 데이터베이스(151)로부터 출력되며, 상기 농도 정보로부터 바이오 물질의 센싱 결과를 나타내는 농도 센싱 신호(Scon)가 생성될 수 있다.

도 4는 도 2의 바이오 센싱부의 일 구현예를 나타내는 도면이다. 도 4에서는 바이오 센싱부의 제 1 광 경로에 포함되는 센싱 공진기(131) 및 이에 대응하는 도파로들의 구현 예가 도시되었으나, 이와 동일 또는 유사하게 제2 광 경로의 기준 공진기(132) 및 도파로들이 구현되어도 무방하다.

도 4를 참조하면, 바이오 센싱부(130)의 제1 광 경로는 제1 광 도파로(PWG1), 링 공진기(RR0) 및 제2 광 도파로(PWG2)를 포함할 수 있다. 링 공진기(RR0)는 전술한 센싱 공진기(131)에 대응할 수 있다. 제1 광 도파로(PWG1), 링 공진기(RR0) 및 제2 광 도파로(PWG2)의 상부에는 유로(FLCH)가 위치할 수 있다. 링 공진기(RR0)의 상부에는 링 공진기(RR0)를 유로(FLCH)에 노출시킬 수 있는 개구부(OP)가 위치할 수 있다. 이때, 제1 및 제2 광 도파로들(PWG1, PWG2)은 직선 광 도파로일 수 있고, 링 공진기(RR0)는 원형 또는 레이스 트랙 형태의 광 도파로일 수 있다.

링 공진기(RR0)는 제1 광 도파로(PWG1)와 제1 간극(d1)을 두고 위치할 수 있으며, 링 공진기(RR0)는 제2 광 도파로(PWG2)와 제2 간극(d2)을 두고 위치할 수 있다. 일 실시예에서, 링 공진기(RR0)는 제1 광 도파로(PWG1)와 수평으로 제1 간극(d1)을 두고 위치하고, 제2 광 도파로(PWG2)와 수평으로 제2 간극(d2)을 두고 위치할 수 있다. 다른 실시예에서, 링 공진기(RR0)는 제1 광 도파로(PWG1)와 수직으로 제1 간극(d1)을 두고 위치하고, 제2 광 도파로(PWG)와 수직으로 제2 간극(d2)을 두고 위치할 수도 있다.

도 4에는 도시되지 않았으나, 제2 광 신호(L2)가 전달되는 제2 광 경로에 기준 공진기(132)로서 링 공진기가 배치되고, 상기 링 공진기와 소정의 간극을 두고 제1 및 제2 광 도파로가 배치될 수 있다.

도 5a 및 5b는 도 4의 바이오 센싱부(130)에 포함되는 광 도파로의 예들을 나타낸다.

도 5a를 참조하면, 광 도파로(PWG')는 광 신호가 전파되는 코어(CORE) 및 코어(CORE)를 둘러싸고 있는 클래딩(CLD)을 포함할 수 있다. 코어(CORE)의 굴절률(n1)은 클래딩(CLD)의 굴절률(n2)보다 높다. 따라서, 광 신호가 임계값 이상의 각도(θt)로 코어(CORE)에 입사되면, 전반사(total reflection)에 의해 광 신호는 외부로 방사되지 않고 구속된 상태로 코어(CORE)를 따라 진행될 수 있다.

도 5b를 참조하면, 광 도파로(PWG")는 반도체 기판(SUB) 상에 형성되는 실리콘 도파로로 구현될 수 있다. 반도체 기판(SUB) 상에 하부 클래딩층(LCLD)이 형성되고, 하부 클래딩층(LCLD)의 상부에 코어층(CORE)이 형성되고, 코어층(CORE)을 둘러싸는 상부 클래딩층(UCLD)이 형성될 수 있다. 그러나, 이는 본 발명의 일 실시예에 불과하며, 광 도파로(PWG")의 구성, 다시 말해, 각 층이 형성되는 순서 및 각 층의 형상은 다양하게 변경될 수 있다.

코어층(CORE)은 실리콘(Si) 또는 실리콘 기반의 화합물(예를 들어, 실리콘 나이트라이드(SiN))을 포함할 수 있고, 하부 클래딩층(LCLD) 및 상부 클래딩층(UCLD)은 옥사이드(Oxide, Ox)를 포함할 수 있다. 실리콘(Si)의 굴절률은 대략 3.5이고, 옥사이드(Ox)의 굴절률은 대략 1.4이므로, 코어층(CORE)의 굴절률이 클래딩층들(LCLD, UCLD)의 굴절률보다 높다. 따라서, 광 신호가 임계값 이상의 각도로 코어층(CORE)에 입사되면, 코어층(CORE)과 클래딩층들(LCLD, UCLD)의 경계에서 전반사가 일어나 광 신호는 코어층(CORE)을 따라 전파될 수 있다.

다시 도 4를 참조하면, 전반사에 의해 제1 광 도파로(PWG1)를 진행하는 제1 광 신호(L1)의 파장에서 링 공진기(RR0)의 공진 조건에 부합하는 파장, 다시 말해, 공진 파장(λr)이 링 공진기(RR0)로 전이된다. 이어서, 공진 파장(λr)은 링 공진기(RR0)를 통해 전파되다가 제2 광 도파로(PWG2)로 전이되어 센싱 신호(Ldata)로서 출력된다.

그러므로, 바이오 센싱부(130)에서 생성된 센싱 신호(Ldata)는 제1 광 신호(L1)에서 공진 파장(λr)이 추출된 광 신호일 수 있다. 이때, 공진 파장(λr)은 바이오 센싱부(130)에 의해 감지되는 바이오 물질의 농도에 따라 변화될 수 있다. 따라서, 센싱 신호(Ldata)의 파장 성분은 바이오 물질의 농도에 따라 변화될 수 있다.

보다 상세하게는, 링 공진기(RR0)의 상부에는 외부 물질, 예를 들어, 감지하고자 하는 바이오 물질과의 접촉을 위한 개구부(OP)가 형성된다. 반도체 기판 상에 반도체 소자나 회로 등이 형성된 후에는, 반도체 소자나 회로 등을 외부 물질로부터 보호하기 위한 패시베이션층이 형성될 수 있는데, 링 공진기(RR0)의 상부에 패시베이션 물질을 도포하지 않음으로써 개구부(OP)를 형성할 수 있다. 바이오 물질을 포함하는 유체 또는 기체는, 광 바이오센서(100)의 외부에 위치하고 개구부(OP)와 맞닿아 있는, 유로(Fluidic Channel, FLCH)를 통해 유입되어, 개구부(OP)를 통해 링 공진기(RR0)와 접촉될 수 있다.

도 6a 및 6b는 도 4의 A-A' 선에 따른 단면도들로서, 도 6a는 표적 물질이 DNA인 경우를 나타내고, 도 6b는 표적 물질이 항체인 경우를 나타낸다.

도 6a를 참조하면, 제1 광 도파로(PWG1)의 코어층(CORE1), 제2 광 도파로(PWG2)의 코어층(CORE2) 및 링 공진기(RR0)의 코어층(CORE0)은 동일한 레이어에 형성되어 수평하게 위치할 수 있다. 이때, 링 공진기(RR0)는 제1 및 제2 광 도파로들(PWG1, PWG2)과 수평 방향으로 소정의 간극을 두고 위치할 수 있다. 제1 및 제2 광 도파로들(PWG1, PWG2)의 상부에는 패시베이션층(PSV)이 형성되고, 링 공진기(RR0)의 상부에는 패시베이션층(PSV)이 형성되지 않고 개구부(OP)가 형성될 수 있다.

도 6b를 참조하면, 제1 및 제2 광 도파로들(PWG1, PWG2)의 코어층들(CORE1, CORE2)은 하부 레이어(예를 들어, 하부 클래딩층(LCLD)의 내부)에 형성되고, 링 공진기(RR0)의 코어층(CORE0)은 상부 레이어(예를 들어, 하부 클래딩층(LCLD)의 상부))에 형성될 수 있다. 이와 같이, 제1 및 제2 광 도파로들(PWG1, PWG2)의 코어층들(CORE1, CORE2) 및 링 공진기(RR0)의 코어층(CORE0)은 서로 다른 레이어들 상에 형성되어 수직으로 위치할 수 있다. 이때, 링 공진기(RR0)는 제1 및 제2 광 도파로들(PWG1, PWG2)과 수직 방향으로 소정의 간극을 두고 위치할 수 있다.

도 6a 및 6b를 참조하면, 링 공진기(RR0)의 코어층(CORE0)의 표면에는 측정하고자 하는 바이오 물질, 다시 말해, 표적 물질에 따른 수용체가 고정되어 있다. 수용체는 생물학적 또는 물리화학적 방법으로 링 공진기(RR0)의 코어층(CORE0)의 표면에 고정될 수 있다. 도 6a의 예에서, 표적 물질은 DNA(TDNA)이고, 이에 따른 수용체는 프로브 DNA(PDNA)이다. 한편, 도 6b의 예에서, 표적 물질은 항체(Ag)이고, 이에 따른 수용체는 항원(Ab)이다.

수용체(Ab, PDAN)에 표적 물질, 즉, 바이오 물질(Ag, TDNA)이 결합되면, 링 공진기(RR0)의 코어(CORE0)의 유효 굴절률이 변화되고, 링 공진기(RR0)의 공진 파장(λr)은 코어(CORE0)의 유효 굴절률에 따라 변화될 수 있다. 공진 파장(λr)은 수학식 2와 같이 나타낼 수 있다.

여기서, neff는 유효 굴절률이고, R은 링 공진기(RR0)의 반경을 나타내며, m은 정수이다. 수학식 2를 참조하면, 공진 파장(λr)은 유효 굴절률(neff)에 비례한다. 그러므로, 유효 굴절률(neff)이 증가하거나 감소하면, 이에 따라 링 공진기(RR0)의 공진 파장(λr)도 증가하거나 감소한다.

예를 들어, 수용체(Ag, PDNA)와 바이오 물질(Ab, TDNA)이 결합하기 전 링 공진기의 유효 굴절률이 n0이고 공진 파장(λr)이 λ0 일 경우, 수용체와 바이오 물질이 결합되면, 링 공진기의 유효 굴절률은 n1, n2, n3, ...로 증가하고 , 공진 파장(λr)은 λ0, λ2, λ3, ...으로 변화될 수 있다. 수용체(Ag, PDNA)와 바이오 물질(Ag, TDNA)의 결합 정도는 바이오 물질의(Ab, TDNA)의 농도에 따라 달라지므로 결국, 공진 파장(λr)은 바이오 물질의 농도에 따라 달라질 수 있다.

반면에, 제2 광 신호(L2)가 전달되는 광 경로 상에 배치되는 링 공진기(미도시)에는 바이오 물질이 결합되지 않으며, 이에 따라 바이오 물질의 농도와는 관계 없이 상기 제2 광 신호(L2)에 대응하는 링 공진기의 공진 파장에는 변화가 발생하지 않는다. 바이오 물질이 결합된 센싱 링 공진기의 공진 파장(λr)과, 바이오 물질에 무관한 기준 링 공진기의 공진 파장 사이의 차이값으로부터 바이오 물질의 농도를 분석하는 것이 가능하다.

도 7a는 도 4의 바이오 센싱부(130)에서 표적 물질과 프로브 물질의 결합 전의 상태를 나타내고, 도 7b는 도 4의 바이오 센싱부(130)에서 표적 물질과 프로브 물질이 결합 후의 상태를 나타내며, 도 7c는 도 7a 및 7b에서의 센싱 신호(Ldata)의 파장 특성을 나타낸다.

도 7a를 참조하면, 제1 광 도파로(PWG1)에 일정 대역폭의 파장(Δλ)을 가지는 제1 광 신호(L1)가 입사되면, 제1 광 신호(L1)는 제1 광 도파로(PWG1)를 따라서 진행한다. 이때 제1 광 도파로(PWG1)와 링 공진기(RR0)와의 간극(d1)을 통하여 상기 일정 대역폭의 파장(Δλ) 중 공진 파장(λr0)이 링 공진기(RR0)로 전이된다. 그리고, 링 공진기(RR0)와 제2 광 도파로(PWG2)와의 간극(d2)을 통하여 공진 파장(λr0)이 다시 제2 광 도파로(PWG2)로 전이되어 센싱 신호(Ldata)로서 출력된다. 이때, 프로브 DNA(PDNA)와 표적 DNA(TDNA)의 결합이 없는 경우의 링 공진기(RR0)의 공진 파장(λr)은 λr0이다. 상기 표적 DNA(TDNA)의 결합이 없는 경우의 공진 파장(λr)이 λr0 인 것으로 가정할 때, 전술한 기준 공진기의 경우 공진 파장은 이와 동일한 값으로서 λr0의 값을 가질 수 있다.

도 7b를 참조하면, 프로브 DNA(PDNA)와 표적 DNA(TDNA)가 결합하면, 링 공진기(RR0)의 굴절률이 변경되고, 이에 따라, 공진 파장은 λr0에서 λr0'으로 변경된다. 이때, 표적 DNA(TDNA)의 농도에 따라 링 공진기(RR0)의 굴절율이 변경되고, 이에 따라, 공진 파장도 변경될 수 있다. 도 7c를 참조하면, 프로브 DNA(PDNA)와 표적 DNA(TDNA)의 결합에 의해 공진 파장이 λr0에서 λr0'으로 변경됨에 따라, 센싱 신호(Ldata)는 Lλr0에서 Lλr0'로 변경되는 것을 알 수 있다.

도 8a,b는 공진기 및 광 도파로의 다양한 구현 예를 나타내는 도면이다. 도 8a,b에서도 제1 광 신호(L1)가 전송되는 제1 광 경로에 구비되는 공진기 및 광 도파로가 도시되었으나, 제2 광 신호(L2)가 전송되는 제2 광 경로(미도시)에도 도 8a,b에 도시된 것과 동일 또는 유사한 공진기 및 광 도파로가 배치될 수 있다.

도 8a를 참조하면, 바이오 센서부(210)는 제1 광 경로에 배치되는 공진기 및 광 도파로와 제2 광 경로(미도시)에 배치되는 공진기 및 광 도파로를 포함할 수 있으며, 도 8a에서는 제1 광 경로에 배치되는 공진기 및 광 도파로가 도시된다. 바이오 센서부(210)는 제1 광신호(L1)를 수신하여 바이오 물질의 농도에 따라 파장이 변하는 센싱 신호(Ldata)를 생성한다. 바이오 센서부(210)는 제1 광 도파로(PWG1), 공동 공진기(CVRES) 및 제2 광 도파로(PWG2)를 포함할 수 있다.

제1 광 도파로(PWG1)는 제1 광 신호(L1)를 수신한다. 공동 공진기(CVRES)는 제1 광 신호(L1)의 파장 중 공진 파장만 센싱 신호(Ldata)로서 제2 광 도파로(PWG2)로 출력한다.

공동 공진기(CVRES)는 두 개의 브레그 반사부(Distributed Bragg Reflector, DBR)(DBR1, DBR2) 및 공동(CAV)을 포함할 수 있다. 브레그 반사부(DBR1, DBR2)는 제1 광 신호(L1)의 여러 파장 중 특정 파장을 반사한다. 이에 따라, 두개의 브레그 반사부(DBR1, DBR2) 및 공동(CAV)이 결합하여 공진기로 동작한다. 그리고 공진 조건에 부합하는 공진 파장만이 센싱 신호(Ldata)로 생성되어 출력된다.

공동(CAV)의 상부에는 개구부가 형성되어 있다. 공동(CAV)의 상부에 측정하고자 하는 바이오 물질에 대응되는 수용체가 부착되고, 상기 수용체가 바이오 물질과 결합되면, 결합 정도에 따라, 다시 말해 바이오 물질의 농도에 따라 공동 공진기(CVRES)의 유효 굴절률이 변화될 수 있다. 따라서, 바이오 물질의 농도에 따라 공진 파장이 변화되어, 센싱 신호(Ldata)의 파장 성분이 변화하게 된다.

한편, 도 8b는 공진기 및 광 도파로의 다른 구현예로서, 도 8b에 도시된 바와 같이 바이오 센서부(220)는 제1 광 도파로(PWG1) 및 링 공진기(RR)를 포함한다. 제1 광 도파로(PWG1)와 링 공진기(RR)는 일정한 간극을 두고 위치한다. 링 공진기(RR)의 코어 표면에 농도를 측정하고자 하는 바이오 물질에 대응되는 수용체가 부착되고, 수용체와 바이오 물질이 결합하면, 결합 정도에 따라 링 공진기의 공진 파장이 변화된다.

제1 광 도파로(PWG1)로 입사된 제1 광 신호(L1)는 제1 광 도파로(PWG1)를 따라 진행한다. 이때, 제1 광 신호(L1)의 파장 중 링 공진기(RR)의 공진 조건에 부합하는 파장, 다시 말해 공진 파장이 링 공진기(RR)로 전이된다. 따라서, 제1 광 신호(L1)의 파장 중 공진 파장이 소실된 센싱 신호(Ldata)가 생성되어 제1 광 도파로(PWG1)을 통하여 출력될 수 있다. 이때, 링 공진기의 공진 파장은 바이오 물질의 농도에 따라 변화한다. 따라서 센싱 신호(Ldata)의 파장도 바이오 물질의 농도에 따라 변화한다.

도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 광 바이오 센서의 동작방법을 나타내는 플로우차트이다.

도 9에 도시된 바와 같이, 외부로부터의 위상 변조된 광 신호가 광 바이오 센서로 수신되거나, 또는 광 바이오 센서 내부에 간섭계 등의 수단이 구비됨에 따라 위상 변조된 광 신호가 광 바이오 센서 내부에서 생성될 수 있다(S11). 또한, 광 바이오 센서는 센싱 공진기를 포함하는 제1 광 경로와 기준 공진기를 포함하는 제2 광 경로를 포함하고, 위상 변조된 광 신호는 제1 광 경로와 제2 광 경로를 통해 전송된다. 위상 변조된 광 신호는 커플러 등을 통해 제1 광 신호와 제2 광 신호로 분리될 수 있으며, 이에 따라 제1 광 신호는 센싱 공진기를 통과하게 되고 제2 광 신호는 기준 공진기를 통과하게 된다(S12).

센싱 공진기는 바이오 물질의 결합 정도에 따라 그 공진 파장이 변동하게 되는 반면에, 기준 공진기는 바이오 물질에 무관하게 동일한 공진 파장을 갖는다. 바람직하게는, 바이오 물질이 결합되지 않은 경우의 센싱 공진기의 공진 파장은 기준 공진기의 공진 파장과 동일한 값을 가질 수 있다. 제1 광 신호가 센싱 공진기를 통과함에 의해 센싱 신호가 생성되고, 또한 제2 광 신호가 기준 공진기를 통과함에 의해 기준 신호가 생성된다(S13). 상기 공진기들을 통과하기 전의 제1 광 신호와 제2 광 신호는 실질적으로 그 위상이 동일하지만, 각각 공진기를 통과한 후의 센싱 신호와 기준 신호는 그 위상이 상이하다. 센싱 신호와 기준 신호의 위상 차이는 센싱 공진기에 결합된 바이오 물질의 농도에 관련된 값을 갖는다.

바이오 물질의 농도 측정을 위하여, 센싱 신호와 기준 신호에 대해 복조 동작에 기반한 위상 검출 동작이 수행된다(S14). 복조 동작은 타임 도메인에서의 직교 신호 처리 과정을 통해 수행될 수 있으며, 예컨대 cos 함수 특성을 갖는 센싱 신호와 기준 신호 각각에 대해 sine 함수 특성을 갖는 직교 신호를 이용한 연산 처리를 수행한 후 아크 탄젠트 등의 처리를 거쳐 센싱 신호와 기준 신호의 위상 성분이 검출될 수 있다. 센싱 신호와 기준 신호의 위상 성분이 검출됨에 따라 위상 차가 검출될 수 있으며(S15), 검출된 위상 차를 기반으로 하여 센싱 공진기의 공진 파장 변화량을 산출함과 함께 바이오 물질의 농도가 산출될 수 있다(S16).

도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 광 바이오 센서를 나타내는 블록도이다. 도 10에 도시된 광 바이오 센서에서 상기 도 1에 도시된 구성과 동일한 구성 요소는 그 동작 또한 동일 또는 유사하므로 이에 대한 자세한 설명은 생략한다.

도 10에 도시된 바와 같이, 광 바이오 센서(300)는 광원(310), 간섭계(320), 커플러(330), 바이오 센싱부(340), 검출부(350) 및 신호 처리부(360)를 포함할 수 있다.

광원(310)은 다양한 종류의 광원이 이용될 수 있으며, 예컨대 광대역(Broadband) 광원이 이용될 수 있다. 또한, 광원(310)으로부터의 광 신호(Lin)로부터 위상 변조된 광 신호를 생성하기 위하여 간섭계(320)가 구비될 수 있으며, 예컨대 상기 간섭계(320)는 마흐 젠더 간섭계(Mach-Zehnder Interferometer)가 이용될 수 있다.

간섭계(320)로부터의 위상 변조된 광 신호(Lmod)는 커플러를 통해 제1 광 신호(L1) 및 제2 광 신호(L2)로 분리되고, 제1 광 신호(L1)는 바이오 센싱부(340) 내의 센싱 공진기를 포함하는 제1 광 경로를 통해 전송되며, 제2 광 신호(L2)는 바이오 센싱부(340) 내의 기준 공진기를 포함하는 제2 광 경로를 통해 전송된다. 제1 광 신호(L1)가 센싱 공진기를 통과함에 의해 센싱 신호(Ldata)가 생성되고, 제2 광 신호(L2)가 기준 공진기를 통과함에 의해 기준 신호(Lref)가 생성된다.

센싱 신호(Ldata)와 기준 신호(Lref) 사이의 위상 차이가 검출부(350)의 신호 복조 동작을 통해 검출되고, 검출 결과 신호(Sres)가 신호 처리부(360)로 제공된다. 신호 처리부(360)는 검출 결과 신호(Sres)를 분석하여 센싱 공진기의 공진 파장의 변화량을 산출하며, 또한 산출된 공진 파장의 변화량에 따른 바이오 물질의 농도 센싱 신호(Scon)를 출력한다.

도 11은 도 10의 광 바이오 센서의 일 구현 예를 나타내는 블록도이다. 바이오 센싱부(340)는 센싱 공진기 및 기준 공진기를 포함하며, 도 11에서는 상기 공진기들이 링 공진기로 구현되는 예가 도시된다. 검출부(350)의 신호 복조 동작을 위하여 하나 이상의 위상 변조기들(371, 372)이 광 바이오 센서(300)에 더 구비될 수 있다. 예컨대, 제1 광 신호(L1)가 센싱 공진기를 통과함에 의해 생성된 센싱 신호(Ldata)가 cos 함수 특성을 갖는 경우, 직교 신호 처리를 위하여 상기 센싱 신호(Ldata)의 위상을 90도 변조한 변조 신호(Ldata(sine))가 생성되어 검출부(350)로 더 제공된다. 이와 유사하게, 제2 광 신호(L2)가 기준 공진기를 통과함에 의해 생성된 기준 신호(Lref)가 cos 함수 특성을 갖는 경우, 기준 신호(Lref)의 위상을 90도 변조한 변조 신호(Lref(sine))가 생성되어 검출부(350)로 더 제공된다.

도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 센싱 시스템을 나타내는 블록도이다.

도 12를 참조하면, 바이오 센싱 시스템(400)은 바이오 센서 칩(410), 유로(Fluidic Channel)(420) 및 판독부(430)를 포함할 수 있다. 또한, 판독부(430)는 전술한 센싱 신호(Ldata) 및 기준 신호(Lref)를 처리하여 바이오 물질의 농도를 측정하는 하나 이상의 구성을 포함할 수 있으며, 예컨대 판독부(430)는 신호 복조 처리를 통해 위상 성분을 추출하기 위한 복조부(431)와 함께, 추출된 위상 성분으로부터 센싱 신호와 기준 신호 사이의 위상 차를 검출하기 위한 위상차 검출부(432)를 포함할 수 있다.

바이오 센서 칩(410)은 광학적 특성을 이용하여 바이오 물질의 농도를 센싱하여 전기적 신호로 출력한다. 본 실시예에서, 바이오 센서 칩(410)은 도 1의 광 바이오 센서일 수 있다. 바이오 센서 칩(410) 자체에서 광 신호를 생성하는 경우 별도의 광원을 필요로 하지 않으며, 또한 별도의 분광계를 이용한 분석 동작 없이 신호 복조 동작을 통한 센싱 신호와 기준 신호 사이의 위상 차에 근거하여 바이오 물질의 농도를 센싱할 수 있으므로, 바이오 센싱 시스템(400)의 소형화, 저전력화, 휴대화에 적합하다.

유로(420)는 바이오 물질이 유입되어 흐를 수 있는 통로이다. 유로(420)는 바이오 센서 칩(410)의 상부, 특히 바이오 센싱부의 개구부가 위치하는 곳에 정렬될 수 있다. 유로(420)를 통하여 바이오 물질을 포함하는 유체 혹은 기체가 유입되면 개구부를 통하여 상기 바이오 물질이 바이오 센서 칩(410)과 접촉될 수 있다. 유로(420)는 미세유로(Micro Fluidic Channel)일 수 있으며, 마이크로 플루이딕 칩(Micro Fluidic Chip)에 형성된 유로일 수도 있다. 또한, 도 12에서 유로(420)는 직선 형태로 도시되었지만 유로(420)의 형태는 다양할 수 있다.

판독부(430)는 바이오 센서 칩(410) 내부의 전기적 신호를 기초로 바이오 물질의 농도를 측정한다. 판독부(430)는 연결단자 및 연결선을 통해 바이오 센서 칩(410)에서 출력된 전기적 신호를 수신할 수 있다. 또는 판독부(430)는 상기 바이오 센서 칩(410) 내에 집적될 수 있다.

본 발명은 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

Claims

위상 변조된 광 신호로부터 생성된 제1 및 제2 광 신호를 수신하고, 상기 제1 광 신호를 센싱 공진기를 포함하는 제1 광 경로를 통해 전송함에 의하여 센싱 신호를 출력하고, 상기 제2 광 신호를 기준 공진기를 포함하는 제2 광 경로를 통해 전송함에 의하여 기준 신호를 출력하는 바이오 센싱부;
상기 센싱 신호 및 기준 신호를 수신하고, 신호 복조 동작을 통해 상기 센싱 신호 및 기준 신호 각각의 위상 성분을 검출하며, 검출된 위상 성분에 따라 상기 센싱 신호 및 기준 신호 사이의 위상 차를 검출하는 검출부;
상기 센싱 신호 및 기준 신호 각각에 대해 직교하는 위상을 갖는 변조 신호를 생성하여 상기 검출부로 제공하는 직교 신호 생성부; 및
상기 검출된 위상 차에 기반하여 바이오 물질의 농도를 산출하는 신호 처리부를 구비하고,
상기 검출부는,
상기 변조 신호를 상기 센싱 신호 및 상기 기준 신호와 각각 직교 신호 처리에 기반하는 신호 처리를 수행함으로써 상기 센싱 신호 및 상기 기준 신호 각각의 위상 성분을 검출하는 복조부; 및
상기 검출된 위상 성분을 이용하여 상기 센싱 신호와 상기 기준 신호 사이의 위상 차를 검출하는 위상 차 산출부를 포함하는 것을 특징으로 하는 광 바이오 센서.
제1항에 있어서,
상기 제1 광 신호와 상기 제2 광 신호는 서로 동일한 위상을 갖는 것을 특징으로 하는 광 바이오 센서.
제1항에 있어서,
상기 바이오 물질이 상기 센싱 공진기에 결합됨에 따라 상기 센싱 공진기의 공진 파장이 변동되고,
상기 산출된 위상 차는 상기 센싱 공진기의 공진 파장의 변동 량에 대응하는 값을 갖는 것을 특징으로 하는 광 바이오 센서.
삭제
제1항에 있어서, 상기 검출부는,
상기 직교 신호 생성부로부터 제1 변조 신호 및 제2 변조 신호를 상기 변조 신호로서 수신하고,
상기 센싱 신호와 제1 변조 신호를 연산함에 의하여 상기 센싱 신호의 위상 성분을 검출하고, 상기 기준 신호와 제2 변조 신호를 연산함에 의하여 상기 기준 신호의 위상 성분을 검출하는 것을 특징으로 하는 광 바이오 센서.
제1항에 있어서,
광 신호를 생성하는 광원; 및
상기 광 신호를 수신하여 상기 광 신호의 위상을 변조함으로써 상기 위상 변조된 광 신호를 생성하는 간섭계를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 광 바이오 센서.
제1항에 있어서,
상기 검출된 위상 차에 대응하여 상기 바이오 물질의 농도에 관련된 정보를 저장하는 데이터베이스부를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 광 바이오 센서.
위상 변조된 광 신호로부터 생성된 제1 및 제2 광 신호를 수신하는 단계;
상기 제1 광 신호를 센싱 공진기를 포함하는 제1 광 경로를 통해 전송함에 의하여 센싱 신호를 출력하는 단계;
상기 제2 광 신호를 기준 공진기를 포함하는 제2 광 경로를 통해 전송함에 의하여 기준 신호를 출력하는 단계;
상기 센싱 신호 및 기준 신호에 대한 신호 복조 동작을 통해 상기 센싱 신호 및 기준 신호 각각의 위상 성분을 검출하는 단계;
상기 검출된 위상 성분에 따라 상기 센싱 신호 및 기준 신호 사이의 위상 차를 검출하는 단계; 및
상기 검출된 위상 차에 기반하여 바이오 물질의 농도를 산출하는 단계를 구비하고,
상기 위상 성분을 검출하는 단계는, 상기 센싱 신호 및 기준 신호 각각에 대해 직교하는 위상을 갖는 변조 신호를 생성하는 단계와, 상기 변조 신호를 상기 센싱 신호 및 상기 기준 신호와 각각 직교 신호 처리에 기반하는 신호 처리를 수행함으로써 상기 센싱 신호 및 상기 기준 신호 각각의 위상 성분을 검출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 광 바이오 센서의 동작방법.
제8항에 있어서,
상기 제1 광 신호와 상기 제2 광 신호는 서로 동일한 위상을 갖는 것을 특징으로 하는 광 바이오 센서의 동작방법.
제8항에 있어서,
상기 바이오 물질이 상기 센싱 공진기에 결합됨에 따라 상기 센싱 공진기의 공진 파장이 변동되고,
상기 산출된 위상 차는 상기 센싱 공진기의 공진 파장의 변동 량에 의존하는 값을 갖는 것을 특징으로 하는 광 바이오 센서의 동작방법.