KR102227979B1 - 초소형 분광기 및 이를 적용한 장치 - Google Patents

초소형 분광기 및 이를 적용한 장치 Download PDF

Info

Publication number
KR102227979B1
KR102227979B1 KR1020140111630A KR20140111630A KR102227979B1 KR 102227979 B1 KR102227979 B1 KR 102227979B1 KR 1020140111630 A KR1020140111630 A KR 1020140111630A KR 20140111630 A KR20140111630 A KR 20140111630A KR 102227979 B1 KR102227979 B1 KR 102227979B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
spectrometer
light
microscopic
arrays
waveguide
Prior art date
Application number
KR1020140111630A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20160024608A (ko
Inventor
김동호
Original Assignee
삼성전자주식회사
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 삼성전자주식회사 filed Critical 삼성전자주식회사
Priority to KR1020140111630A priority Critical patent/KR102227979B1/ko
Priority to US14/684,624 priority patent/US9631976B2/en
Publication of KR20160024608A publication Critical patent/KR20160024608A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102227979B1 publication Critical patent/KR102227979B1/ko

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/02—Details
    • G01J3/0205—Optical elements not provided otherwise, e.g. optical manifolds, diffusers, windows
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/145—Measuring characteristics of blood in vivo, e.g. gas concentration, pH value; Measuring characteristics of body fluids or tissues, e.g. interstitial fluid, cerebral tissue
    • A61B5/14532—Measuring characteristics of blood in vivo, e.g. gas concentration, pH value; Measuring characteristics of body fluids or tissues, e.g. interstitial fluid, cerebral tissue for measuring glucose, e.g. by tissue impedance measurement
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/145—Measuring characteristics of blood in vivo, e.g. gas concentration, pH value; Measuring characteristics of body fluids or tissues, e.g. interstitial fluid, cerebral tissue
    • A61B5/1455—Measuring characteristics of blood in vivo, e.g. gas concentration, pH value; Measuring characteristics of body fluids or tissues, e.g. interstitial fluid, cerebral tissue using optical sensors, e.g. spectral photometrical oximeters
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/02—Details
    • G01J3/0256—Compact construction
    • G01J3/0259—Monolithic
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/28—Investigating the spectrum
    • G01J3/44—Raman spectrometry; Scattering spectrometry ; Fluorescence spectrometry
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B2562/00—Details of sensors; Constructional details of sensor housings or probes; Accessories for sensors
    • A61B2562/02—Details of sensors specially adapted for in-vivo measurements
    • A61B2562/028—Microscale sensors, e.g. electromechanical sensors [MEMS]

Abstract

초소형 분광기 및 이를 적용한 장치가 개시된다. 개시된 초소형 분광기는, 입력된 광을 표면 플라즈몬 모드로 전송하며, 전송 파장 대역이 서로 다르도록 마련된 복수의 도파로 어레이를 가지는 밴드패스 필터부와, 복수의 도파로 어레이 일단에 광을 커플링시키는 입력 커플러와, 복수의 도파로 어레이 타단에서 출력되는 광을 각각 검출하도록 마련된 복수의 광검출기 어레이를 포함한다.

Description

초소형 분광기 및 이를 적용한 장치{Miniature spectrometer and apparatus employing the same}
분광기 및 이를 적용한 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 초소형 분광기 및 이를 적용한 장치에 관한 것이다.
비칩습 혈당 측정을 위한 방법으로 현재 가장 가능성 있게 논의되는 방법은 광학을 이용한 방법이다. 광학 이용 비침습 혈당 측정 방법에서 가장 가능성 있는 방법은 두 가지가 있는데, 하나는 근적외선(NIR) 이용 흡수 스펙트럼 분석법이고, 다른 하나는 레이저 이용 라만(Raman) 분석법이다. 근적외선 이용 흡수 스펙트럼 분석법은 피부에 광대역(broadband) 근적외선 조사 후, 피부 밖으로 확산 반사(diffused reflection)를 통해 다시 방출되는 빛을 분석하여 피부내 혈당 분자가 흡수한 광량을 계산하여 혈당을 예측하는 방법이다. 라만 분석법은 피부에 레이저 조사 후 피부로부터 방출된 광의 파장 분석을 통해 라만 쉬프트(Raman shift)를 얻어내어 혈당을 분석하는 방법이다. 이 두 가지 방법은 모두 광의 스펙트럼을 분석하기 위해 부피를 가지는 그레이팅(bulky grating)이 필수적이다.
이와 같이 분광을 위한 분광기는 그레이팅이 필요하고, 해상도 확보를 위해 그레이팅에서 분광된 광이 광검출기에 도달하기 까지 상당한 공간이 필요하다. 이러한 분광기의 부피 특성으로 인해 손목향 비침습 혈당 센서를 제작하는데는 많은 제약이 따르게 된다.
참고로, 관련 선행기술로는 하기의 특허문헌 1이 있다.
(특허문헌 1) WO2014-054488 A1 ( 공개일 2014.04.10)
본 개시는 칩 형태로 구현 가능한 초소형 분광기 및 이를 적용한 장치를 제공한다.
일 유형에 따르는 초소형 분광기는, 입력된 광을 표면 플라즈몬 모드로 전송하며, 전송 파장 대역이 서로 다르도록 마련된 복수의 도파로 어레이를 가지는 밴드패스 필터부와; 상기 복수의 도파로 어레이 일단에 광을 커플링시키는 입력 커플러와; 상기 복수의 도파로 어레이 타단에서 출력되는 광을 각각 검출하도록 마련된 복수의 광검출기 어레이;를 포함한다.
상기 밴드패스 필터부는, 제1유전체 물질로 이루어진 베이스층과; 상기 베이스층 상에 서로 이격되게 형성된 복수의 금속 스트라이프와; 상기 복수의 금속 스트라이프를 각각 상기 제1유전체 물질과는 다른 제2유전체 물질로 덮도록 마련된 복수의 커버층 어레이;를 포함하며, 상기 복수의 도파로 어레이의 각 도파로는 상기 베이스층, 금속 스트라이프 및 상기 커버층에 의해 구성된다.
상기 복수의 커버층 어레이는 서로 굴절율이 다르도록 형성되어, 상기 복수의 도파로 어레이의 전송 파장 대역이 서로 다르도록 마련된다.
상기 복수의 커버층 어레이의 각 커버층은 서로 이격될 수 있다.
상기 금속 스트라이프는, 상기 베이스층에 상면을 제외하고 매립되도록 형성될 수 있다.
상기 금속 스트라이프는 상기 베이스층에 대해 적어도 일부분이 돌출되게 형성될 수 있다.
상기 금속 스트라이프는 10μm 이하의 폭을 가질 수 있다.
상기 금속 스트라이프는 100nm 이하의 두께를 가질 수 있다.
상기 입력 커플러는 광을 각 도파로의 금속 스트라이프와 커버층의 경계면이나 금속 스트라이프와 베이스층의 경계면에 입력시키도록 배치될 수 있다.
상기 입력 커플러는 그레이팅 입력 커플러일 수 있다.
상기 그레이팅 입력 커플러는 주기가 10 μm 이하일 수 있다.
상기 복수의 광검출기 어레이는 상기 복수의 도파로 어레이 타단에 집적될 수 있다.
일 유형에 따른 초소형 분광기 모듈은, 대상체에 여기광을 조사하기 위한 광원; 상기 대상체로부터 상기 여기광에 의한 산란광을 센싱할 수 있는 상기한 초소형 분광기;를 포함할 수 있다.
상기 초소형 분광기 모듈은 베이스;를 더 포함하며, 상기 광원과 초소형 분광기는 상기 베이스의 동일 면이나 서로 다른 면에 배치될 수 있다.
상기 베이스는 플렉서블 재질로 이루어질 수 있다.
상기 초소형 분광기 모듈은 대상체에 착용될 수 있는 형태를 가질 수 있다.
있어서, 상기 초소형 분광기는 대상체로부터 반사된 산란광을 센싱하도록 배치되거나 대상체를 투과한 산란광을 센싱하도록 마련될 수 있다.
상기 초소형 분광기에서 센싱된 신호로부터 대상체의 물성을 분석하는 신호처리부;를 더 포함할 수 있다.
상기 신호처리부에서 분석된 결과를 디스플레이하는 표시부;를 더 포함할 수 있다.
상기 광원에서 근적외선 대역의 광을 조사하여 근적외선(NIR) 이용 흡수 스펙트럼 분석법에 의해 대상체의 물성을 분석하거나, 상기 광원에서 레이저광을 조사하여 라만(Raman) 분석법에 의해 대상체의 물성을 분석하도록 마련될 수 있다.
상기한 초소형 분광기에 따르면, 기존의 분광기가 광의 파장에 따른 회절각도 차이를 이용하여 분광하는 그레이팅을 이용하므로 부피가 상당한 반면에, 온-칩으로 구현 가능할 정도로 초소형이기 때문에, 손목향 비침습 센서 등에 탑재가 가능하다.
도 1은 실시예에 따른 초소형 분광기의 구조를 개략적으로 보여준다.
도 2 및 도 3은 도 1의 밴드패스 필터부의 실시예들을 보여준다.
도 4는 굴절율 nb인 하부 유전체(Bottom dielectric) 상에 금속층(Metal)이 있고, 이 금속층을 굴절율 nt인 상부 유전체(Top dielectric)로 덮은 구조를 보여준다.
도 5는 일 실시예에 따른 초소형 분광기 모듈의 개략적인 구조를 보인 블록도이다.
도 6은 도 5의 초소형 분광기 모듈의 광학적 배치의 일예를 보여준다.
도 7은 도 5의 초소형 분광기 모듈의 광학적 배치의 다른 예를 보여준다.
도 8은 도 5의 초소형 분광기 모듈의 광학적 배치의 또 다른 예를 보인다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하면서 본 발명의 실시예에 따른 초소형 분광기 및 이를 적용한 장치에 대해 상세하게 설명한다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다. 또한, 이하에 설명되는 실시예는 단지 예시적인 것에 불과하며, 이러한 실시예들로부터 다양한 변형이 가능하다. 또한 이하에서 설명하는 층 구조에서, "상부" 나 "상"이라고 기재된 표현은 접촉하여 바로 위에 있는 것뿐만 아니라 비접촉으로 위에 있는 것도 포함할 수 있다.
유전체 물질에 얇은 금속층이 있는 경우, 특정한 에너지를 가지는 전자기파가 조사되면, 금속 표면에 표면 플라즈몬(surface plasmon) 모드가 형성된다. 이런 성질을 이용하여 두 유전체 물질 사이에 얇은 금속을 넣는 구조로 긴 범위 표면 플라즈몬 분극(Long Range Surface Plasmon Poloritons: LRSPP)을 만들 수 있다. 이때, 굴절율 분산이 서로 다른 두 유전체 물질 사이에 금속 스트라이프를 형성하면 특정 파장 밴드의 광 전송이 가능하게 된다.
도 1은 실시예에 따른 초소형 분광기(10)의 구조를 개략적으로 보여준다.
도 1을 참조하면, 초소형 분광기(10)는 입력된 광을 표면 플라즈몬 모드로 전송하는 밴드패스 필터부(30)와, 입력 커플러(In-coupler:20)와, 복수의 광검출기 어레이(40)를 포함한다.
상기 밴드패스 필터부(30)는 전송 파장 대역이 서로 다르도록 마련된 복수의 도파로(31) 어레이를 포함할 수 있으며, 이때 상기 복수의 도파로(31) 어레이 각각은, 입력된 광에 대해 금속 표면에 표면 플라즈몬 모드를 형성하고, 이 표면 플라즈몬 모드를 전송하도록, 금속 및 유전체의 적층 구조로 형성될 수 있다. 예를 들어, 밴드패스 필터부(30)의 도파로(31) 어레이 각각은 두 유전체 물질 사이에 얇은 금속을 넣은 구조로 긴 범위 표면 플라즈몬 분극(Long Range Surface Plasmon Poloritons: LRSPP)을 만들도록 형성될 수 있다. 이때, 굴절율 분산이 서로 다른 두 유전체 물질 사이에 금속 스트라이프를 형성하면 특정 파장 밴드의 광 전송이 가능하게 된다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 상기 밴드패스 필터부(30)는, 베이스층(32)과, 상기 베이스층(32) 상에 서로 이격되게 형성된 복수의 금속 스트라이프(33)와, 상기 복수의 금속 스트라이프(33)를 각각 덮도록 마련된 복수의 커버층(35) 어레이를 포함할 수 있다. 이때, 상기 베이스층(32) 및 커버층(35) 어레이는 각각 유전체 물질로 형성될 수 있다.
상기 금속 스트라이프(33)는 도 2에서와 같이, 상기 베이스층(32)에 대해 적어도 일부분이 돌출되게 형성되거나, 도 3에서와 같이, 상기 베이스층(32)에 상면을 제외하고 매립되도록 형성될 수 있다. 도 2에서는 예시로서, 금속 스트라이프(33)가 베이스층(32) 상에 전체가 돌출되게 형성된 예를 보여준다. 이때, 상기 복수의 금속 스트라이프(33)가 서로 이격되고, 이에 대응되게 복수의 커버층(35) 어레이가 형성되어, 상기 복수의 커버층(35) 어레이의 각 커버층(35)은 서로 이격되게 형성될 수 있다.
여기서, 상기 금속 스트라이프(33)는 예를 들어, 10μm 이하의 폭을 가질 수 있다. 또한, 상기 금속 스트라이프(33)는 예를 들어, 약, 100nm 이하의 두께를 가지도록 형성될 수 있다.
상기와 같이, 베이스층(32)에 대해 금속 스트라이프(33) 및 이 금속 스트라이프(33)를 덮도록 커버층(35)을 형성함에 의해, 상기 복수의 도파로(31) 어레이의 서로 이격된 각 도파로(31)는 상기 베이스층(32), 금속 스트라이프(33) 및 상기 커버층(35)에 의해 구성되게 된다. 이때, 상기 복수의 도파로(31)는 서로 평행하게 집적된 구조로 형성될 수 있다.
한편, 상기 베이스층(32)은 제1유전체 물질로 이루어질 수 있으며, 상기 커버층(35)은 상기 제1유전체 물질과는 다른 제2유전체 물질로 형성될 수 있다. 이때, 상기 복수의 도파로(31) 어레이의 전송 파장 대역이 서로 다르도록 상기 복수의 커버층(35) 어레이의 각 커버층(35_1, 35_2, 35_3,...35_N-1, 35_N-2, 35_N)은 서로 다른 제2유전체 물질로 이루어질 수 있다. 즉, 상기 복수의 커버층(35) 어레이가 제1 내지 제N커버층(35_1, 35_2, 35_3,...35_N-1, 35_N-2, 35_N)을 구비할 때, 제1 내지 제N커버층(35_1, 35_2, 35_3,...35_N-1, 35_N-2, 35_N)은 각각 굴절율이 n1, n2, ...nN (여기서, n1≠n2≠....≠nN)이 되도록 형성될 수 있다.
이와 같이, 금속 스트라이프(33)가 N개 어레이로 구비되고, 이 N개의 금속 스트라이프(33)를 덮도록 제1 내지 제N커버층(35_1, 35_2, 35_3,...35_N-1, 35_N-2, 35_N)이 형성된 경우, 제1 내지 제N커버층(35_1, 35_2, 35_3,...35_N-1, 35_N-2, 35_N)을 굴절율이 조금씩 서로 다른 제2유전체 물질로 형성하는 경우, 제1 내지 제N커버층(35_1, 35_2, 35_3,...35_N-1, 35_N-2, 35_N)을 이루는 제2유전체 물질 각각은 파장에 대해 굴절율 분산(index dispersion)을 가지므로, 제1 내지 제N커버층(35_1, 35_2, 35_3,...35_N-1, 35_N-2, 35_N) 각각을 이루는 제2유전체 물질과 베이스층(32)을 이루는 제1유전체 물질의 굴절율 분산 매칭이 이루어지는 파장이 서로 다르게 된다. 이에 따라, 제1 내지 제N커버층(35_1, 35_2, 35_3,...35_N-1, 35_N-2, 35_N)에 대해, 베이스층(32)의 굴절율과 굴절율 분산 매칭(index dispersion matching)이 될 수 있는 파장의 광만이 분리(분광)되어 각 금속 스트라이프(33)를 통해 도파되게 된다.
따라서, 상기와 같은 밴드패스 필터부(30)에 의하면, 금속 스트라이프(33)를 덮는 복수의 커버층(35) 어레이를 굴절율이 조금씩 차이가 나도록 형성함으로써, 입사되는 광을 파장에 따라 분광할 수 있게 된다.
여기서, 상기 복수의 커버층(35) 어레이를 서로 다른 제2유전체 물질로 형성하는 대신에, 각 도파로(31)에 대응하는 베이스층(32)의 부분들을 서로 다른 제1유전체 물질로 형성하고, 복수의 커버층(35) 어레이는 동일한 제2유전체 물질로 형성할 수도 있다. 이 경우에도, 금속 스트라이프(33)에 대응하는 베이스층(32) 부분들을 굴절율이 조금씩 차이가 나도록 형성함으로써, 입사되는 광을 파장에 따라 분광할 수 있게 된다.
한편, 상기 입력 커플러(20)는 상기 복수의 도파로(31) 어레이 일단으로 광을 커플링시키기 위한 것으로, 예를 들어, 그레이팅 입력 커플러(grating In-coupler)를 구비할 수 있다. 이때, 상기 그레이팅 입력 커플러는, 주기가 약 10 μm 이하, 예컨대, 1μm 이하가 되도록 형성될 수 있다.
상기 입력 커플러(20)는 광을 상기 밴드패스 필터부(30)를 이루는 각 도파로(31)의 유전체물질과 금속의 경계면에 입력시키도록 배치될 수 있다. 즉, 상기 입력 커플러(20)는 각 도파로(31)의 금속 스트라이프(33)와 커버층(35)의 경계면 이나 금속 스트라이프(33)와 베이스층(32)의 경계면에 입력시키도록 배치될 수 있다.
상기와 같이 그레이팅 입력 커플러를 구비하는 경우, 상기 입력 커플러(20)는 상기 복수의 도파로(31) 어레이와 함께 집적될 수 있다.
한편, 상기 복수의 광검출기 어레이(40)는 상기 복수의 도파로(31) 어레이 타단에서 출력되는 광을 각각 검출하도록 마련된 것으로, 각 도파로(31)의 끝단에 위치되어 상기 밴드패스 필터부(30)에 의해 파장별로 분광된 광을 각각 검출한다. 상기 복수의 광검출기 어레이(40)의 각 광검출기(40_1, 40_2, ...40_N-1, 40_N)는 상기 복수의 도파로(31) 어레이의 각 도파로(31) 끝단에 집적될 수 있다.
상기와 같은 그레이팅을 이용한 입력 커플러(20)와 LRSPP의 밴드패스 특성을 활용하면 칩(chip)형 초소형 분광기(10)를 만들 수 있다. 이때, 상기 입력 커플러(20)는, 예를 들어 비침습 혈당 측정을 위해 피부에 레이저 디바이스(LD)나 발광 디바이스(LED) 등의 광원으로부터 광을 조사할 때, 피부로부터 방출되는 광을 분광기 역할을 할 칩에 커플링하는 역할을 한다.
그러므로, 상기와 같은 입력 커플러(20), 밴드패스 필터부(30) 및 광검출기 어레이(40)는, 온-칩(on-chip)으로 구현될 수 있다. 즉, 본 실시예의 초소형 분광기(10)는 초소형 온-칩 분광기로 구현될 수 있다.
상기와 같은 실시예의 초소형 분광기(10)에 따르면, 예를 들어, 광원으로부터 출사되는 광을 피부에 조사하여 피부로부터 방출되는 넓은 스펙트럼의 광을 입력 커플러(20)로 집광하고, 밴드패스 필터부(30)의 복수의 도파로(31) 어레이에 의해 분광하여 각 도파로(31)의 끝단에 위치된 광검출기(40_1, 40_2, ..., 40_N-1, 40N)로 검출하여 각 파장별로 분광된 신호를 검출하게 된다.
여기서, 복수의 커버층(35) 어레이의 각 커버층(35_1,...35_N)의 제2유전체 물질의 굴절율을 약간씩 다르게 함으로써 분광할 수 있는 원리는 아래와 같다.
도 4는 굴절율 nb인 하부 유전체(Bottom dielectric) 상에 금속층(Metal)이 있고, 이 금속층을 굴절율 nt인 상부 유전체(Top dielectric)로 덮은 구조를 보여준다. 도 4는 금속층을 금(Au)을 이용하여, 폭 4μm, 두께 20nm로 형성하고, λ=1.55μm인 근적외선광을 입력한 경우에 대한 것이다.
예를 들어, 도 4a의 구조에서 하부 유전체와 상부 유전체의 굴절율이 동일(nb=nt=1.50)한 경우와, nb=1.50, nt=1.5014로 약간 차이가 나는 경우를 고려해 보자.
하부 유전체와 상부 유전체의 굴절율이 동일하여 굴절율 분산 매칭이 이루어진 경우(대칭 클래딩), 모드가 잘 가둬져, 전송 손실이 거의 없게 된다.
하지만, 하부 유전체와 상부 유전체의 굴절율이 조금만 차이가 나서 굴절율 분산 미스매치(mismatch)가 생기는 경우(비대칭 클래딩), 모드가 왜곡되고, 누설 모드가 생기게 된다.
따라서, 모드가 손실없이 잘 전송되되려면, 금속을 둘러싸는 하부 유전체와 상부 유전체의 굴절율 분산 매칭이 이루어져야 함을 알 수 있다.
한편, 유전체 물질은 파장에 따른 굴절율 분산(index dispersion)이 존재하기 때문에, 파장에 따라 유효 굴절율이 달라지게 된다.
예를 들어, SiO2 물질과 굴절율이 약간씩 다른 복수 종류의 물질 사이에 굴절율 분산 매칭이 이루어지는 파장 영역이 서로 달라, 투과율 피크 파장이 서로 다르게 된다.
그러므로, 상기한 실시예의 초소형 분광기(10)에서와 같이, 제1유전체 물질로 이루어진 베이스층(32)에 대해 복수의 금속 스트라이프(33)를 형성하고, 이 복수의 금속 스트라이프(33)를 덮는 제2유전체 물질로 된 복수의 커버층(35) 어레이의 각 커버층을 굴절율이 약간씩 다르도록 형성하여 복수의 도파로(31) 어레이를 형성하면, 각 도파로(31)에서 굴절율 분산 매칭이 되는 파장 영역이 서로 다르게 되고, 이에 의해 입사된 광을 파장에 따라 분광할 수 있다.
상기한 바와 같은 실시예의 초소형 분광기(10)에 따르면, 기존의 분광기가 광의 파장에 따른 회절각도 차이를 이용하여 분광하는 그레이팅을 이용하므로 부피가 상당한 반면에, 온-칩으로 구현 가능할 정도로 초소형이기 때문에, 손목향 비침습 센서 등에 적용할 수 있다.
도 5는 일 실시예에 따른 초소형 분광기 모듈(1000)의 개략적인 구조를 보인 블록도이다.
초소형 분광기 모듈(1000)은 대상체(OBJ)에 여기광(LE)을 조사하는 광원부(200)와, 대상체(OBJ)로부터의 산란광(LS)을 센싱하는 초소형 분광기(100)를 포함한다.
여기서, 대상체(OBJ)는 인체, 동물 등의 생체, 식품 등을 포함할 수 있다. 예를 들어, 대상체(OBJ)는 혈당 측정을 위한 인체나, 또는 신선도 측정을 위한 식품일 수 있고, 기타, 대기 오염이나 수질 오염 등을 분석하기 위한 샘플일 수 있다.
광원부(200)는 광원을 포함할 수 있으며, 또한, 광원으로부터의 광이 대상체(OBJ)의 필요한 위치를 향하도록 하는 적어도 하나의 광학요소를 포함할 수 있다. 상기 광원은 대상체(OBJ)로부터 분석하고자 하는 성질에 따라, 이에 적합한 파장 대역의 광을 조사하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 광원은 근적외선 대역의 광 예를 들어, 약 0.8μm ~ 2.5μm 파장 대역의 근적외선 광을 조사할 수 있다. 상기 광원으로는 발광소자나 레이저 광원을 구비할 수 있다.
상기 초소형 분광기(100)로는 도 1 내지 도 3을 참조로 설명한 초소형 분광기(10)를 적용할 수 있다.
한편, 상기 초소형 분광기 모듈(1000)은 초소형 분광기(100)에서 센싱된 신호로부터 대상체(OBJ)의 물성을 분석하고, 필요한 제어 신호를 생성하는 제어부(600)를 더 포함할 수 있다. 제어부(600)는 사용자 인터페이스(500)와 신호처리부(400)를 포함할 수 있다. 사용자 인터페이스500)는 입력부와 표시부를 구비할 수 있다. 신호처리부(400)는 초소형 분광기(100)에서 센싱된 신호로부터 대상체(OBJ)의 물성을 분석할 수 있으며, 예를 들어, 근적외선 이용 흡수 스펙트럼 분석법이나 라만 분광법(Raman Spectroscopy)에 따라 대상체(OBJ)의 물성을 분석할 수 있다.
근적외선 이용 흡수 스펙트럼 분석법은 대상체(OBJ)에 광대역(broadband) 근적외선 조사 후, 피부 밖으로 확산 반사(diffused reflection)를 통해 다시 방출되는 빛을 분석하여 피부내 혈당 분자가 흡수한 광량을 계산하여 혈당을 예측하는 방법이다. 라만 분석법은 대상체(OBJ)에 레이저 조사 후 대상체로부터 방출된 광의 파장 분석을 통해 라만 쉬프트(Raman shift)를 얻어내어 혈당을 분석하는 방법이다. 라만 분광법은 대상체(OBJ)내에 입사된 광이 대상체(OBJ) 내의 원자 또는 분자와 충돌하여 여러 방향으로 흩어지는 산란(scattering), 특히 비탄성 산란(inelastic scattering)을 이용한다. 이러한 산란은 원자 또는 분자의 표면에서 단순히 반사되는 것이 아닌, 원자 또는 분자에 흡수되었다가 방출되는 산란으로, 산란광은 입사광의 파장 보다 긴 파장을 갖게 된다. 이러한 파장 차이는 대략 200nm 이하일 수 있다. 이러한 산란광의 스펙트럼을 분석함으로써 대상체(OBJ) 내의 분자의 진동, 분자의 구조 등 다양한 물성을 알아낼 수 있다.
신호처리부(400)는 분석된 결과를 사용자 인터페이스(500)의 표시부에 표시하도록 영상 신호로 처리할 수 있다. 또한, 사용자 인터페이스(500)로부터의 입력에 따라 광원부(200)에 제어 신호를 보낼 수 있다. 신호처리부(400)는 마이크로 프로세서 등으로 구현될 수 있다.
초소형 분광기(100)와 제어부(600)는 유선 또는 무선으로 서로 연결될 수 있다. 예를 들어, 초소형 분광기 모듈(1000)은 초소형 분광기(100)와 제어부(600)가 유선 연결된 소형 휴대용 기기로 구현될 수 있다. 또는, 제어부(600)가 휴대용 이동 통신 기기에 탑재되어, 초소형 분광기(100)와 무선 통신하도록 구성될 수도 있다.
도 6은 도 5의 초소형 분광기 모듈(1000)의 광학적 배치의 일예를 보인다.
도 6을 참조하면, 초소형 분광기 모듈(1000)은 반사형으로, 초소형 분광기(100)가 대상체(OBJ)로부터 반사된 산란광(LS)을 센싱하도록 광학계가 구성될 수 있다.
광원부(200)는 광원210), 광경로 변환기(220), 조리개(230) 등을 포함할 수 있다. 광경로 변환기(220)는 프리즘 형태로 도시되었으나, 이는 예시적인 것이며, 빔분할기나 평판 미러의 형태를 가질 수도 있다. 상기 광경로 변환기(220)는 광원(210)의 배치 위치에 따라 생략될 수도 있다.
초소형 분광기(100)는 대상체(OBJ)로부터의 산란광(LS)을 초소형 분광기(100)로 모으는 광학 렌즈(150)를 더 포함할 수 있다.
광원(210)에서 조사된 여기광(LE)은 대상체(OBJ) 내의 분자 구조와 충돌하며 분자 구조에 흡수되었다가 재방출되어, 파장 변환된 산란광(LS)의 형태로 대상체(OBJ)로부터 나오게 된다. 산란광(LS) 즉, 생체 광신호는 대상체(OBJ) 내의 분자 상태에 따라 파장 변환된 정도가 다른 다양한 스펙트럼을 포함하게 된다. 본 실시예의 초소형 분광기 모듈(1000)은 대상체(OBJ)로 여기광(LE)이 입사된 경로와 같은 경로를 따라 나오는 산란광(LS)이 초소형 분광기(100)로 입사되는 광학계 구조를 채용하고 있으며, 필요시 산란광(LS)을 초소형 분광기(100) 쪽으로 분기하는 추가적인 광학 소자를 더 채용할 수도 있다.
도 7은 도 5의 초소형 분광기 모듈(1000)의 광학적 배치의 다른 예를 보인다.
도 7을 참조하면, 초소형 분광기 모듈(1000)은 투과형으로, 초소형 분광기(100)가 대상체(OBJ)를 투과한 산란광(LS)을 센싱하도록 광학계가 구성될 수 있다.
광원부(200)는 광원(210), 광경로 변환기(220), 조리개(230) 등을 포함할 수 있다. 광경로 변환기(220)는 프리즘 형태로 도시되었으나, 이는 예시적인 것으로 빔분할기나 평판 미러 등의 형태를 가질 수도 있다. 또한 광원(210)의 배치에 따라 생략될 수도 있다.
초소형 분광기 모듈(1000)은 대상체(OBJ)로부터의 산란광(LS)을 초소형 분광기(100)로 모으는 광학 렌즈(150)를 더 포함할 수 있다.
광원(210)에서 조사된 여기광(LE)은 대상체(OBJ) 내의 분자 구조와 충돌하며 분자 구조에 흡수되었다가 재방출되어, 파장 변환된 산란광(LS)의 형태로 대상체(OBJ)로부터 나오게 된다. 산란광(LS) 즉, 생체 광신호는 대상체(OBJ) 내의 분자 상태에 따라 파장 변환된 정도가 다른 다양한 스펙트럼을 포함하게 된다. 본 실시예의 초소형 분광기 모듈(1000)은 대상체(OBJ)를 투과하여 나온 산란광(LS)이 초소형 분광기(100)로 입사되는 광학계 구조를 채용하고 있다.
도 6에서와 같은 반사형이나 도 7에서와 같은 투과형의 채용 여부는 대상체(OBJ)의 성질에 따라 적절히 선택할 수 있다.
도 8은 도 5의 초소형 분광기 모듈(1000)의 광학적 배치의 또 다른 예를 보인다.
도 8을 참조하면, 초소형 분광기 모듈(1000)은 베이스(280)를 더 포함하며, 광원(210)과 초소형 분광기(100)는 상기 베이스(280)의 동일면이나 서로 다른 면에 배치될 수 있다.
예를 들어, 상기 베이스(280)는 투광성 재질로 이루어지고, 베이스(280)의 일면에 서로 이격되게, 광원(210)과 초소형 분광기(100)가 배치될 수 있다. 즉, 광원(210)은 베이스(280)를 통과하여, 대상체(OBJ)에 여기광(LE)을 조사하도록 배치되고, 초소형 분광기(100)는, 베이스(280)를 통과하여 입사되는 대상체(OBJ)로부터의 산란광(LS)을 센싱하도록 배치될 수 있다.
이때, 상기 베이스(280)의 타면에는, 광원(210)으로부터의 여기광(LE)을 대상체(OBJ)에 집속하고, 대상체(OBJ)로부터의 산란광(LS)을 상기 초소형 분광기(100)로 집속하는 광학 렌즈(260)를 더 포함할 수 있다.
베이스(280)는 플렉서블 재질로 이루어질 수 있다. 이 경우, 초소형 분광기 모듈(1000)은 대상체(OBJ)에 착용될 수 있는(wearable) 형태로 구현될 수 있다. 예를 들어, 상기 초소형 분광기 모듈(1000)은 손목형 비침습 혈당 센서로 구현될 수 있다.
본 실시예에서 제어부(600)는 초소형 분광기(100)와 유선 또는 무선으로 연결될 수 있다. 제어부(600)는 초소형 분광기(100)와 함께 베이스(280) 상에 탑재될 수 있으며, 예를 들어, 팔찌 형상의 웨어러블 초소형 분광기를 구성할 수 있다.
또는, 광원(210) 및 초소형 분광기(100) 등만이 팔찌 형상의 웨어러블 기기로 형성되고, 제어부(600)는 모바일 기기에 탑재되는 형태로 초소형 분광기 모듈(1000)이 구현될 수도 있다.
이상에서 설명한 바와 같은 실시예들에 따른 초소형 분광기나 초소형 분광기 모듈은 칩 형태로 구현되어 손목향 비침습 혈당 센서에 탑재될 수 있다.
이상에서는 실시예들에 따른 초소형 분광기 및 이를 적용한 장치로서의 초소형 분광기 모듈을 도면들을 참조로 예를 들어 설명하였는데, 이는 예시적인 것일 뿐, 실시예가 이에 한정되는 것은 아니며, 다양한 변형 및 타 실시예가 가능함은 물론이다.
10,100...초소형 분광기 20...입력 커플러
30...밴드패스 필터부 31...도파로
32...베이스층 33...금속 스트라이프
35...커버층 210...광원
280...베이스 1000...초소형 분광기 모듈

Claims (20)

  1. 입력된 광을 표면 플라즈몬 모드로 전송하며, 전송 파장 대역이 서로 다르도록 마련된 복수의 도파로 어레이를 가지는 밴드패스 필터부와;
    상기 복수의 도파로 어레이 일단에 광을 커플링시키는 입력 커플러와;
    상기 복수의 도파로 어레이 타단에서 출력되는 광을 각각 검출하도록 마련된 복수의 광검출기 어레이;를 포함하며,
    상기 밴드패스 필터부는,
    제1유전체 물질로 이루어진 베이스층과;
    상기 베이스층 상에 서로 이격되게 형성된 복수의 금속 스트라이프와;
    상기 복수의 금속 스트라이프를 각각 상기 제1유전체 물질과는 다른 제2유전체 물질로 덮도록 마련된 복수의 커버층 어레이;를 포함하며,
    상기 복수의 도파로 어레이의 각 도파로는 상기 베이스층, 금속 스트라이프 및 상기 커버층에 의해 구성되는 초소형 분광기.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 복수의 커버층 어레이는 서로 굴절율이 다르도록 형성되어, 상기 복수의 도파로 어레이의 전송 파장 대역이 서로 다르도록 된 초소형 분광기.
  4. 제3항에 있어서, 상기 복수의 커버층 어레이의 각 커버층은 서로 이격된 초소형 분광기.
  5. 제1항에 있어서, 상기 금속 스트라이프는, 상기 베이스층에 상면을 제외하고 매립되도록 형성된 초소형 분광기.
  6. 제1항에 있어서, 상기 금속 스트라이프는 상기 베이스층에 대해 적어도 일부분이 돌출되게 형성된 초소형 분광기.
  7. 제1항에 있어서, 상기 금속 스트라이프는 10μm 이하의 폭을 가지는 초소형 분광기.
  8. 제7항에 있어서, 상기 금속 스트라이프는 100nm 이하의 두께를 가지는 초소형 분광기.
  9. 제1항에 있어서, 상기 입력 커플러는 광을 각 도파로의 금속 스트라이프와 커버층의 경계면이나 금속 스트라이프와 베이스층의 경계면에 입력시키도록 배치되는 초소형 분광기.
  10. 제1항에 있어서, 상기 입력 커플러는 그레이팅 입력 커플러인 초소형 분광기.
  11. 제10항에 있어서, 상기 그레이팅 입력 커플러는 주기가 10 μm 이하인 초소형 분광기.
  12. 제1항에 있어서, 상기 복수의 광검출기 어레이는 상기 복수의 도파로 어레이 타단에 집적된 초소형 분광기.
  13. 대상체에 여기광을 조사하기 위한 광원;
    상기 대상체로부터 상기 여기광에 의한 산란광을 센싱할 수 있는 청구항 1항, 3항 내지 12항 중 어느 한 항의 초소형 분광기;를 포함하는 초소형 분광기 모듈.
  14. 제13항에 있어서, 베이스;를 더 포함하며,
    상기 광원과 초소형 분광기는 상기 베이스의 동일 면이나 서로 다른 면에 배치되는 초소형 분광기 모듈.
  15. 제14항에 있어서, 상기 베이스는 플렉서블 재질로 이루어지는 초소형 분광기 모듈.
  16. 제13항에 있어서, 상기 초소형 분광기 모듈은 대상체에 착용될 수 있는 형태를 가지는 초소형 분광기 모듈.
  17. 제13항에 있어서, 상기 초소형 분광기는 대상체로부터 반사된 산란광을 센싱하도록 배치되거나 대상체를 투과한 산란광을 센싱하도록 마련된 초소형 분광기 모듈.
  18. 제13항에 있어서, 상기 초소형 분광기에서 센싱된 신호로부터 대상체의 물성을 분석하는 신호처리부;를 더 포함하는 초소형 분광기 모듈.
  19. 제18항에 있어서, 상기 신호처리부에서 분석된 결과를 디스플레이하는 표시부;를 더 포함하는 초소형 분광기 모듈.
  20. 제13항에 있어서, 상기 광원에서 근적외선 대역의 광을 조사하여 근적외선(NIR) 이용 흡수 스펙트럼 분석법에 의해 대상체의 물성을 분석하거나, 상기 광원에서 레이저광을 조사하여 라만(Raman) 분석법에 의해 대상체의 물성을 분석하도록 된 초소형 분광기 모듈.
KR1020140111630A 2014-08-26 2014-08-26 초소형 분광기 및 이를 적용한 장치 KR102227979B1 (ko)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020140111630A KR102227979B1 (ko) 2014-08-26 2014-08-26 초소형 분광기 및 이를 적용한 장치
US14/684,624 US9631976B2 (en) 2014-08-26 2015-04-13 Miniature spectrometer and apparatus employing same

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020140111630A KR102227979B1 (ko) 2014-08-26 2014-08-26 초소형 분광기 및 이를 적용한 장치

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20160024608A KR20160024608A (ko) 2016-03-07
KR102227979B1 true KR102227979B1 (ko) 2021-03-15

Family

ID=55402124

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020140111630A KR102227979B1 (ko) 2014-08-26 2014-08-26 초소형 분광기 및 이를 적용한 장치

Country Status (2)

Country Link
US (1) US9631976B2 (ko)
KR (1) KR102227979B1 (ko)

Families Citing this family (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2016054079A1 (en) 2014-09-29 2016-04-07 Zyomed Corp. Systems and methods for blood glucose and other analyte detection and measurement using collision computing
US9554738B1 (en) 2016-03-30 2017-01-31 Zyomed Corp. Spectroscopic tomography systems and methods for noninvasive detection and measurement of analytes using collision computing
KR102592509B1 (ko) 2016-07-21 2023-10-20 삼성전자주식회사 웨어러블 디바이스 및 충전기와, 웨어러블 디바이스의 흡광도 추정 방법
KR102255789B1 (ko) * 2016-08-30 2021-05-26 삼성전자주식회사 광학모듈 및 이를 이용한 광학디바이스
KR20180056277A (ko) 2016-11-18 2018-05-28 삼성전자주식회사 분광기 및 분광기 모듈
US11035797B2 (en) 2017-04-28 2021-06-15 Biospex, Inc. Hybrid time-resolved and time-shifted spectroscopy for measuring biological analytes
KR102364854B1 (ko) 2017-07-26 2022-02-18 삼성전자주식회사 광 필터를 포함하는 광 분광기
US10760969B1 (en) 2019-02-28 2020-09-01 Biospex, Inc. Fluorescence and systemic noise reduction in time-gated spectroscopy
CN110311195B (zh) * 2019-06-10 2021-01-05 东南大学 一种小型化超宽带人工表面等离激元带通滤波器
US11326944B2 (en) * 2019-07-12 2022-05-10 Biospex, Inc. Wearable spectrometer with filtered sensor
US11454540B2 (en) 2019-07-12 2022-09-27 Biospex, Inc. Wearable spectroscopy using filtered sensor

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20100182598A1 (en) * 2007-07-10 2010-07-22 Choi Byung Ll Digital filter spectrum sensor
US20110116735A1 (en) * 2008-06-23 2011-05-19 Imec Retro-Reflective Structures

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4921213B2 (ja) 2007-03-19 2012-04-25 キヤノン株式会社 検出素子、検出素子装置及び検出方法
KR100865755B1 (ko) 2007-06-29 2008-10-28 삼성전기주식회사 표면 플라즈몬 공명을 이용한 다채널 바이오 센서
US20120243821A1 (en) 2011-03-22 2012-09-27 Board Of Regents, The University Of Texas System Tunable optical filter utilizing a long-range surface plasmon polariton waveguide to achieve a wide tuning range
US8660163B2 (en) 2011-03-28 2014-02-25 University Of Ottawa Amplification of long-range surface plasmons with reduced noise
KR101249240B1 (ko) 2011-08-04 2013-04-01 한국기초과학지원연구원 Ｋｓｔａｒａ 장치의 플라즈마 진단에 이용되는 스펙트로미터
US9949675B2 (en) * 2012-10-19 2018-04-24 Convergence Biometrics, LLC Noninvasive blood measurement platform

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20100182598A1 (en) * 2007-07-10 2010-07-22 Choi Byung Ll Digital filter spectrum sensor
US20110116735A1 (en) * 2008-06-23 2011-05-19 Imec Retro-Reflective Structures

Also Published As

Publication number Publication date
US20160061660A1 (en) 2016-03-03
KR20160024608A (ko) 2016-03-07
US9631976B2 (en) 2017-04-25

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR102227979B1 (ko) 초소형 분광기 및 이를 적용한 장치
US11313725B2 (en) Miniaturized Fourier-transform Raman spectrometer systems and methods
Li et al. Advances in cost-effective integrated spectrometers
KR102356454B1 (ko) 이중 커플러 소자, 상기 이중 커플러를 포함하는 분광기, 및 상기 분광기를 포함하는 비침습형 생체 센서
JP6507162B2 (ja) 被分析物の非侵襲測定のための装置および方法
US11846545B2 (en) Device and method for the spectroscopic analysis of Brillouin scattered light
US9989413B1 (en) Spectrometer and spectrometer module
JP2011075513A (ja) ガス分光分析装置
WO2013102661A1 (en) Spectroscopic sensor for bio-sensing
US20230375525A1 (en) Optical sensing module
Zhang et al. Tandem configuration of microrings and arrayed waveguide gratings for a high-resolution and broadband stationary optical spectrometer at 860 nm
CN115605803A (zh) 光学感测模块
JP2007534994A (ja) 分光分析システム用光ファイバ
JP4440704B2 (ja) 導波路型光センサ
Chen et al. Planar photonic chips with tailored dispersion relations for high-efficiency spectrographic detection
KR102219705B1 (ko) 분광 센서 및 이를 채용한 분광기
JP7027742B2 (ja) 分光システム
Krafft et al. Multi-core fiber with integrated fiber Bragg grating for background free Raman sensing
Penty et al. Advances in Cost-Effective Integrated Spectrometers
US20230225643A1 (en) Architecture of a photonic integrated circuit (pic) and method for operating the same as well as an optical coupler
TWM487431U (zh) 微型光譜儀
Baets TUTORIAL SILICON-PHOTONICS-BASED SPECTROSCOPIC SENSING FOR ENVIRONMENTAL MONITORING AND HEALTH CARE
CN116648645A (zh) 光学感测模块
Keiser et al. Biophotonic applications of optical communication devices
Al Mrayat Ultra-Compact Lab-on-Chip CMOS Photonics Sensor

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