KR20070018059A - Target material sensor using photonic crystal and detection method for target material - Google Patents

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Abstract

검출 대상 물질에 대한 감도가 높고 또한 소형화가 가능한, 포토닉 결정을 사용하는 대상 물질 센서 및 대상 물질의 검출 방법을 제공한다. Provided are a target material sensor using a photonic crystal and a method for detecting the target material, which have high sensitivity to the detection target material and can be miniaturized.

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.The sensor of the present invention is composed of an electromagnetic wave generating source for supplying electromagnetic waves, a photonic sensor element, and a detector. The photonic sensor element has a photonic crystal structure, and includes a sensor waveguide for introducing electromagnetic waves and a sensing resonator for resonating electromagnetic waves introduced by electromagnetic coupling to the sensor waveguide at a specific wavelength. The sensing resonator changes the characteristics of electromagnetic waves emitted from the sensing resonator by being exposed to the atmosphere containing the target material. The detector receives an electromagnetic wave emitted from the sensing resonator, recognizes a change in intensity of the electromagnetic wave, and outputs a signal representing a characteristic of the target material.

전자파 발생원, 포토닉 센서 소자, 검출기, 센서 도파로, 감지 공진기 Electromagnetic wave source, photonic sensor element, detector, sensor waveguide, sensing resonator

Description

포토닉 결정을 사용하는 대상 물질 센서 및 대상 물질의 검출 방법{TARGET MATERIAL SENSOR USING PHOTONIC CRYSTAL AND DETECTION METHOD FOR TARGET MATERIAL}Target material sensor using photonic crystal and detection method of target material {TARGET MATERIAL SENSOR USING PHOTONIC CRYSTAL AND DETECTION METHOD FOR TARGET MATERIAL}

본 발명은, 포토닉 결정을 사용하는 대상 물질의 센서 및 그 대상 물질의 검출 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a sensor of a target substance using a photonic crystal and a method of detecting the target substance.

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.Prior art publication "Photonic Crystals" by R. Wehrspohn, ISBN3-527-40432-5, p. 238-246 discloses sensors using photonic crystals. The sensor uses a bulk three-dimensional photonic crystal as a sensor element, introduces a gas to be detected from one surface in the thickness direction of the sensor element, and simultaneously enters light having a wavelength matching the absorption wavelength of the gas to be detected, In addition, the light emitted from the surface is detected by a detector such as a photodetector, and the density is calculated according to the detected light intensity.

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.In general, if the group velocity of electromagnetic waves propagating in the photonic crystal is Vg, the propagation constant is β and the frequency is ω, the group velocity Vg is defined as Vg = (dβ / dω) −1 . . Therefore, the group speed Vg becomes smaller as the change ratio of the frequency ω to the change of the propagation constant β becomes smaller, and becomes zero when the relationship between the frequency ω and the propagation constant β becomes a standing wave condition (end condition of the waveguide mode). Becomes

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.In the sensor disclosed in the above publication, the optical path length is increased by designing the group velocity Vg of the light propagating the three-dimensional photonic crystal to a value of about 30% of the luminous flux in the vacuum, and therefore the thickness of the three-dimensional photonic crystal (that is, the optical The dimension of the direction along the direction of incidence should be several centimeters. As a result, a 100 nm order refractive index periodic structure that satisfies the condition of the frequency? And the propagation constant? For obtaining the intended group speed needs to be produced uniformly throughout the three-dimensional photonic crystal. However, when the refractive index periodic structure is distorted, the group velocity Vg deviates from the design value at that portion and accurate concentration measurement becomes impossible. Therefore, three-dimensional photonic crystals need to be manufactured with very precise manufacturing techniques.

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.In addition, since the three-dimensional photonic crystal has a relatively large thickness, the propagation mode is multi-mode, and the group speed is slow and the mode fast, so that the sensitivity is lower than in the case where the group speed is constant. There is a risk of deterioration. In addition, since the sensitivity is scattered with respect to the incident light to the three-dimensional photonic crystal because the coupling efficiency to various modes is not constant, high positional accuracy is required for the relative positional relationship between the light source and the three-dimensional photonic crystal. .

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.In addition, the spatial electric field intensity distribution by the slow light of the group speed Vg is significantly different from the Gaussian distribution which is the electric field intensity distribution of general spatial light. Therefore, the coupling loss of light occurs in the plane of incidence of light in the three-dimensional photonic crystal, resulting in a decrease in sensitivity. In some cases, complex coupling structures are needed to transform the field strength distribution.

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.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a target material sensor using a photonic crystal and a method for detecting the target material, wherein the sensitivity to the detection target material is high and can be miniaturized. .

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.The sensor according to the present invention is composed of an electromagnetic wave generation source for supplying electromagnetic waves, a photonic sensor element, and a detector. The photonic sensor element has a photonic crystal structure and includes a sensor waveguide for introducing electromagnetic waves and a sensing resonator for electromagnetically coupling the sensor waveguide to resonate the introduced electromagnetic waves with a specific wavelength. The sensing resonator is exposed to an atmosphere including a target material to change characteristics of electromagnetic waves emitted from the sensing resonator. The detector receives the electromagnetic wave emitted from the sensing resonator, recognizes a change in intensity of the electromagnetic wave, determines a characteristic of the target material from the change in intensity, and outputs a signal representing the characteristic. In the sensor configured as described above, the characteristic of the target material can be detected according to the intensity of the electromagnetic wave emitted from the resonator by using the resonance of the electromagnetic wave of the specific wavelength generated in the resonator formed in the photonic crystal. As a result, the photonic sensor element can utilize a two-dimensional photonic crystal in which the sensor waveguide and the sensing resonator are disposed, and thus can be thinned. In addition, a portion where a precise photonic crystal structure is required is smaller than a sensor element using a photonic crystal having a conventional three-dimensional structure, leading to a reduction in manufacturing cost.

바람직하게는, 상기 검출기는 전자파의 특성 변화로부터 대상 물질의 농도를 결정하여, 이 농도를 나타내는 신호를 출력하도록 구성된다.Preferably, the detector is configured to determine the concentration of the target material from the change in the characteristics of the electromagnetic waves and output a signal indicative of this concentration.

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.In the detection of the concentration of the target substance, the method differs depending on the case where the target substance uses the phenomenon of absorbing electromagnetic waves of a specific wavelength and when the wavelength of the electromagnetic wave output from the resonator is shifted due to the presence of the target substance. This is used.

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.In the configuration using the phenomenon in which the target material absorbs electromagnetic waves of a specific wavelength, a photonic sensor element in which a reference waveguide and a reference resonator are added is used in the photonic crystal structure. This reference waveguide introduces the electromagnetic wave from the electromagnetic wave source. The reference resonator electromagnetically couples to the reference waveguide, thereby resonating the introduced electromagnetic wave to the specific wavelength. The detector refers to an output intensity meter for outputting a detection signal representing the intensity of the electromagnetic wave of the specific wavelength from the sensing resonator, and a reference intensity meter for outputting a reference signal representing the intensity of the electromagnetic wave emitted from the reference resonator and the detection signal. Compared with a signal, the attenuation amount of the electromagnetic wave of the said specific wavelength is calculated | required, and it is comprised by the density meter which calculates the density | concentration of a target substance from this attenuation amount. Therefore, by setting the wavelength of the electromagnetic wave resonating with the sensing resonator to match the wavelength of the electromagnetic wave absorbed by the target material, the concentration of the target object corresponds to the amount of attenuation of the electromagnetic wave at a specific wavelength by using the absorption characteristics of the electromagnetic wave represented by the target material. In this way, concentration detection can be performed with good accuracy.

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. In this case, the photonic sensor elements have a photonic crystal structure arranged in a two-dimensional array, and the sensor waveguide and the reference waveguide respectively extend in the two-dimensional photonic crystal structure to form input ports and output ports at both ends. Do. Each input port is arranged to receive electromagnetic waves from an electromagnetic wave source, and each output port is coupled to the output intensity meter and the reference intensity meter, respectively. The output intensity meter and the reference intensity meter output electromagnetic waves emitted from respective corresponding sense resonators and reference resonators.

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.A sensing resonator and a reference resonator are disposed in the sensor waveguide and the reference waveguide. In addition, by arranging a plurality of resonators in series in each waveguide, it is preferable to increase the drop efficiency, which is the output efficiency of the output electromagnetic waves, and to increase the detection sensitivity.

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.The photonic sensor element may be formed to include a sensing output waveguide and a reference output waveguide. The sensed output waveguide and the reference output waveguide respectively extend parallel to the corresponding sensor waveguide and reference waveguide, and are electromagnetically coupled to the sense resonator and the reference resonator, respectively. These sensing output waveguides and reference output waveguides respectively form an output port at one end in the longitudinal direction, and the output port is coupled to the output intensity meter and the reference intensity meter, respectively.

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.In addition, each of the output intensity meter and the reference intensity meter may be disposed spaced apart from the plane of the photonic sensor element so as to be coupled to the sensing resonator and the reference resonator, respectively, to receive electromagnetic waves emitted therefrom.

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.In addition, the input path of the electromagnetic waves to the sense resonator and the reference resonator can be shared. In this case, a photonic sensor element in which the first photonic crystal structure and the second crystal structure different from each other are horizontally aligned is used. The waveguide has an input waveguide extending from the first photonic crystal structure to the second photonic crystal structure and a first output waveguide extending within the first photonic crystal structure and a second output extending within the second photonic crystal structure. It consists of a waveguide. A sense resonator is formed in the first photonic crystal structure and a reference resonator is formed in the second photonic crystal structure. The reference resonator is designed to resonate the electromagnetic wave at a wavelength λ2 different from the specific wavelength λ1 inherent to the sense resonator. According to this configuration, by making the first wavelength λ 1 of the electromagnetic wave resonating with the sensing resonator the wavelength of the electromagnetic wave absorbed by the target material, the electromagnetic wave of the second wavelength λ 2 resonating with the reference resonator is not affected by the target material. It is not necessary to shield the reference resonator from the atmosphere in which the target material is contained.

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.In another preferred embodiment of the present invention, a structure for measuring the concentration of the target substance is realized by using a phenomenon in which the refractive index around the resonance portion changes due to contact with the target substance. When the refractive index around the resonator changes, the wavelength of the electromagnetic wave resonating in the resonator shifts. In this case, since the change in the refractive index, that is, the shift amount of the resonance wavelength is uniquely determined by the target material, the concentration of the target material is determined by detecting the electromagnetic wave intensity of the wavelength shifted according to the target material. To realize this, electromagnetic waves containing different wavelengths are supplied from the electromagnetic wave generating source to the sensor waveguide, and electromagnetic waves of a specific wavelength corresponding to the type of target material cause resonance with the sensing resonator. In this case, the detector may measure the concentration of the target material by selecting the electromagnetic wave of the specific wavelength (electromagnetic wave of the wavelength changed by the presence of the target material) output from the sensing resonator and analyzing the electromagnetic wave intensity of the selected specific wavelength. This method is effective for the detection of a target substance for which absorption of electromagnetic waves at a specific wavelength is not recognized, and the reference resonator and the elements related thereto are unnecessary, so that a further miniaturized sensor can be realized.

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.In order to select the electromagnetic wave of a specific wavelength, a spectral function is required, but the structure which implements the system which does not require this spectral function is also possible. In this case, as an electromagnetic wave generation source, generating an electromagnetic wave of a variable wavelength is used, and the electromagnetic wave whose wavelength changes with time is introduced into a photonic sensor element. The sweep range of the wavelength is set so as to include a specific wavelength determined by the refractive index indicated by the target material, and the target is obtained by detecting the intensity of the electromagnetic wave from the resonator at the time when the electromagnetic wave of the specific wavelength is introduced from the electromagnetic wave source. The concentration of the substance can be measured.

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.In addition, the method of using the shift of the resonance wavelength in the sensing resonator is useful for detecting a plurality of kinds of target substances. That is, by arranging a plurality of one detection units comprising a sensor waveguide, a sensing resonator, and a detector, and making specific wavelengths of electromagnetic waves resonating with the sensing resonators in each detection unit different from each other, i. The concentrations of the different target substances can be obtained from the corresponding electromagnetic wave intensities.

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.As a means for actively causing or enhancing the wavelength shift depending on the target material in the sensing resonator, sensing a reactant that reacts with the object to give a significant change in the refractive index around the sensing resonator and likewise result in a significant wavelength shift. It is preferable to attach to the resonator.

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.In the case of using such a sensitive body, it is possible to attach the sensitive body to one of two sensing resonators provided in the photonic sensor element. In this case, by referring to the intensity of the synthesized electromagnetic wave radiated from the sense resonator without the sensitive body and the sense resonator with the sensitive body, the concentration of the target substance causing the reaction to the sensitive body is determined.

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.In the system using the shift of the resonance wavelength in the sensing resonator, the sensors can be easily constructed by setting the plurality of sensing resonators in a two-dimensional array. In this case, the plurality of object detectors are arranged two-dimensionally in a manner to match the plurality of sensing resonators, whereby different concentrations are determined for each object detector, and the concentration distribution of the target substance in the two-dimensional plane can be obtained.

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.In addition to the concentration of the target substance, it is also possible to detect different kinds of target substances dispersed in a range up to a certain range. In this case, the plurality of sensing resonators are arranged in a two-dimensional array, and correspondingly, the plurality of detectors are arranged in a two-dimensional array. The plurality of sensing resonators are set to resonate with electromagnetic waves of different specific wavelengths, respectively, so that the plurality of detectors can specify the presence of different target materials according to the intensity of the electromagnetic waves of a specific wavelength emitted from the sensing resonators, and in-plane The distribution of different target substances in can be obtained.

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.In addition, the present invention discloses a useful structure for determining the concentration of a target material in accordance with a change in electromagnetic wave intensity generated by disposing a sensitive body in a portion other than the sensing resonator. For example, by placing a sensitizer in a sensor waveguide and reacting with an object, the refractive index of the sensor waveguide changes, and the effective waveguide length between the sensor waveguide and the sensing resonator changes, and as a result, the electromagnetic wave intensity output to the detector. Brings change. The detector can calculate the concentration of the target material according to the change of the electromagnetic wave intensity.

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.In addition, if a sensitive body is placed at an energy coupling site between two sensing resonators arranged in a photonic sensor element, the effective waveguide length of the energy coupling site is changed in a similar manner by reaction with a target substance. The concentration of the target substance can be determined by analyzing the electromagnetic wave intensity generated.

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.Moreover, in this invention, the structure of the photonic sensor element for detecting a highly sensitive density | concentration is proposed by combining such a sensitive body with a special photonic crystal structure. The photonic sensor element has a first photonic crystal structure and a second photonic crystal structure, wherein the first and second photonic crystal structures are different from each other and are arranged side by side in a two-dimensional array. The sensor waveguide consists of an input waveguide and an output waveguide, wherein the input waveguide and the output waveguide extend in parallel with each other and each extend over the entire length of the first photonic crystal structure to reach the second photonic crystal structure. do. The sense resonator is disposed between the input waveguide and the output waveguide in the first photonic crystal structure and electromagnetically coupled to both. At one end in the longitudinal direction of the input waveguide, an input port for receiving electromagnetic waves from the electromagnetic wave generation source is formed at a distance from the second photonic crystal structure. At one end in the longitudinal direction of the output waveguide, away from the second crystal structure, an output port is formed that emits electromagnetic waves resonating at a particular wavelength in the sense resonator. In the input waveguide, at the interface between the first photonic crystal structure and the second photonic crystal structure, an input reflector for reflecting electromagnetic waves of a specific wavelength on the sensing resonator side is formed. In the output waveguide, an output reflector for reflecting electromagnetic waves of a specific wavelength on the output port side is formed at the interface between the first crystal structure and the second crystal structure. In each of the input waveguide and the output waveguide having such a configuration, the sensitive body is formed at a portion that connects the first photonic crystal structure and the second photonic crystal structure. The sensitizer changes the reflection efficiency by reacting with the target material, and as a result, changes the intensity of the electromagnetic wave in the target detector, and the detector calculates the concentration of the target material as a function of this intensity. In this way, the input waveguide and the output waveguide are designed to span different photonic crystal structures to form reflectors of electromagnetic waves at their interfaces, and the input waveguides and output waveguides at the input waveguide and output waveguides at the portions covering the different photonic crystal structures are formed. Since a sensitive body is provided to change the characteristics of the electromagnetic wave in response to the presence, the change of the refractive index in the reflector is emphasized by the presence of the target material, and the phase change of the electromagnetic wave propagating toward the sensing resonator can be generated. The drop efficiency of electromagnetic waves of a specific wavelength emitted by resonating with the sensing resonator may be increased, and the concentration of the target material may be measured with high sensitivity.

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.Moreover, in the sensor of this invention, it is preferable to provide the controller which monitors the environmental parameter which shows an environmental state. This controller corrects the optical characteristics of the sensing resonator in accordance with environmental parameters to resonate electromagnetic waves at a specific wavelength, thereby correcting disturbance factors such as temperature, thereby enabling accurate measurement. As an example, a heater is provided in the photonic sensor element, and the temperature of the sensing resonator is corrected by controlling by the controller to correct the optical characteristics of the photonic sensor element, thereby keeping the characteristics of the sensing resonator constant.

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.It is also preferable to provide refreshing means for removing the target substance or impurities replenished on the sensing resonator in the sensor of the present invention. As this means, a heater that releases a target substance or impurities from the resonator by heat can be used.

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.In addition, the above-mentioned heater can be used as a modulation means for modulating the wavelength or intensity of the electromagnetic wave which guides the waveguide. In other words, by flowing at a constant period to the heater, the intensity or wavelength of the electromagnetic wave emitted from the resonator is periodically modulated, and only the modulated electromagnetic wave is selected as the detector among the electromagnetic waves detected by the detector, thereby reaching the detector from other than the resonator. It can identify as an electromagnetic wave of noise, and can improve a measurement precision.

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.The present invention also provides a method for detecting the concentration of a target substance using photonic crystals. In this method, a photonic sensor element having a sensor waveguide for introducing electromagnetic waves and a sensing resonator electromagnetically coupled thereto to resonate electromagnetic waves of a specific wavelength is used, and the sensing resonator is exposed in an atmosphere containing a target material, By introducing an electromagnetic wave containing a wavelength into the sensor waveguide, it is possible to detect the intensity of the electromagnetic wave resonating in the sensing resonator, and analyze the intensity to calculate the concentration of the target substance.

도 1은 본 발명에 관한 센서의 제1 실시예를 나타내는 개략도이다.1 is a schematic view showing a first embodiment of a sensor according to the present invention.

도 2는 상기 기능 블록도이다.2 is a functional block diagram.

도 3은 상기 농도 검출을 설명하는 그래프 도면이다.3 is a graph illustrating the concentration detection.

도 4는 위에서 사용하는 포토닉 센서 소자 외에 예를 나타내는 사시도이다. 4 is a perspective view showing an example in addition to the photonic sensor element used above.

도 5는 위에서 사용하는 포토닉 센서 소자 외에 예를 나타내는 사시도이다. 5 is a perspective view showing an example in addition to the photonic sensor element used above.

도 6은 위에서 사용하는 포토닉 센서 소자 외에 예를 나타내는 사시도이다. 6 is a perspective view showing an example in addition to the photonic sensor element used above.

도 7은 위에서 사용하는 포토닉 센서 소자 외에 예를 나타내는 사시도이다. 7 is a perspective view illustrating an example other than the photonic sensor element used above.

도 8은 위에서 사용하는 포토닉 센서 소자 외에 예를 나타내는 사시도이다. 8 is a perspective view showing an example other than the photonic sensor element used above.

도 9는 본 발명에 관한 센서의 제2 실시예를 나타내는 개략도이다.9 is a schematic view showing a second embodiment of a sensor according to the present invention.

도 10은 본 발명에 관한 센서의 제3 실시예를 나타내는 개략도이다. 10 is a schematic view showing a third embodiment of the sensor according to the present invention.

도 11은 상기 기능 블록도이다.11 is a functional block diagram.

도 12는 위에서의 농도 검출을 설명하는 그래프 도면이다.12 is a graph illustrating concentration detection from above.

도 13은 위에서 사용하는 포토닉 센서 소자를 나타내는 사시도이다.It is a perspective view which shows the photonic sensor element used from above.

도 14는 도 13 중에 나타낸 감지 공진기를 포함하는 부분의 일부 확대 상면도이다. 14 is a partially enlarged top view of a portion including the sensing resonator shown in FIG. 13.

도 15는 도 13 중에 나타낸 감지 공진기를 포함하는 부분의 일부 확대 단면도이다. FIG. 15 is a partially enlarged cross-sectional view of a portion including the sensing resonator illustrated in FIG. 13.

도 16은 위에서 사용하는 포토닉 센서 소자 외에 예를 나타내는 사시도이다. 16 is a perspective view illustrating an example other than the photonic sensor element used above.

도 17은 위에서 사용하는 포토닉 센서 소자 외에 예를 나타내는 사시도이다. 17 is a perspective view illustrating an example other than the photonic sensor element used above.

도 18은 위에서 사용하는 포토닉 센서 소자 외에 예를 나타내는 사시도이다. 18 is a perspective view illustrating an example other than the photonic sensor element used above.

도 19는 위에서 사용하는 포토닉 센서 소자 외에 예를 나타내는 사시도이다. 19 is a perspective view illustrating an example other than the photonic sensor element used above.

도 20은 위에서 사용하는 포토닉 센서 소자 외에 예를 나타내는 사시도이다. 20 is a perspective view showing an example in addition to the photonic sensor element used above.

도 21은 본 발명에 관한 센서의 제4 실시예를 나타내는 개략도이다.Fig. 21 is a schematic diagram showing the fourth embodiment of the sensor according to the present invention.

도 22는 상기 기능 블록도이다.Fig. 22 is a functional block diagram.

도 23은 본 발명에 관한 센서의 제5 실시예를 나타내는 개략도이다.Fig. 23 is a schematic view showing the fifth embodiment of the sensor according to the present invention.

도 24는 위에서 사용하는 포토닉 센서 소자 외에 예를 나타내는 사시도이다. 24 is a perspective view illustrating an example other than the photonic sensor element used above.

도 25는 위에서 사용하는 포토닉 센서 소자 외에 예를 나타내는 사시도이다. 25 is a perspective view illustrating an example other than the photonic sensor element used above.

도 26은 본 발명에 관한 센서의 제6 실시예를 나타내는 개략도이다.Fig. 26 is a schematic view showing the sixth embodiment of the sensor according to the present invention.

발명을 실시하기 위한 최선의 형태Best Mode for Carrying Out the Invention

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.The sensor according to the present invention uses a photonic sensor element 20 having a photonic crystal structure arranged in a two-dimensional array. The photonic crystal structure is a matrix and a material having a refractive index different from the matrix is arranged in the matrix, and has an optical characteristic that arbitrarily changes the direction and propagation speed of the incident electromagnetic wave. In the present invention, as an example, a silicon semiconductor (thickness = 250 nanometers) having a refractive index of 3.4 is used as a matrix, and fine circular holes (φ = 240 nanometers) are placed in two-dimensional phases at a pitch of 420 nanometers in the matrix. Arranged photonic crystals are used. As a result, air having a refractive index of 1 present in minute pores is periodically dispersed in the substrate (refractive index 3.4) to impart characteristics of the photonic crystal. This silicon semiconductor is mounted on the SOI substrate (refractive index 1.5) which is a silicon oxide layer. That is, the photonic crystal uses a SOI substrate to etch the silicon semiconductor layer on the surface to form a plurality of minute circular holes, thereby realizing the photonic crystal structure in the silicon semiconductor layer.

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.The photonic sensor element 20 is provided with a waveguide 22 of an electromagnetic wave to be input and a resonator 24 for resonating a specific wavelength among the electromagnetic waves introduced into the waveguide. These waveguides and resonators are formed by imparting a defect to the periodic structure in the photonic crystal structure, that is, providing a portion where no hole exists.

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.When the frequency band uses an optical communication band such as the C band (1530 nm-1565 mm) or the L band (1565 nm-1625 nm) as the electromagnetic wave, the arrangement period (a) of the circular hole in the two-dimensional photonic crystal (1) is 0.42. m (i.e., the period of the refractive index periodic structure of the two-dimensional photonic crystal or the lattice distance between the lattice points of the two-dimensional triangular lattice), the radius of the circular hole is set to 0.29a and the thickness of the sensor element is set to 0.6a. This forms a photonic band gap which is a wavelength band which does not propagate electromagnetic waves (light) in the frequency band incident from all directions in the two-dimensional plane orthogonal to the thickness direction of the photonic crystal .. Waveguide 22 and Resonator 24 The propagation of electromagnetic waves formed by omitting an appropriate number of circular holes is possible, and the numerical values of the period (a) in the arrangement direction of the circular holes and the radius of the circular hole are not particularly limited, and the period (a) is Prize Electromagnetic wave level of the frequency band is the period of the (e. G., About one-half of the wavelength of the electromagnetic wave).

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.The present invention performs concentration detection of a target substance by using the resonance phenomenon of electromagnetic waves in a resonator in such a photonic crystal, and performs concentration detection by a different mechanism depending on the type of the target substance to be measured. The target substance can be broadly divided into two types.

1) 특정한 파장의 전자파를 흡수하는 성질이 현저한 것.1) The property of absorbing electromagnetic waves of a specific wavelength is remarkable.

2) 분위기의 굴절률을 변화시키는 성질이 현저한 것.2) The property of changing the refractive index of the atmosphere is remarkable.

본 발명에서는, 측정 대상 물질에 따라 위의 2개의 성질을 이용하는 것이며, 먼저 1)의 성질을 이용한 농도 검출을 실현한 제1 실시예에 대하여 설명한다.In the present invention, the above two properties are used depending on the substance to be measured, and a first embodiment in which concentration detection using the property of 1) is realized will be described.

<제1 실시예><First Embodiment>

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.In this embodiment, the electromagnetic wave of a specific wavelength absorbed by the target material is resonated by a resonator, and the concentration of the target material is measured from the attenuation rate of the output. As a target substance, the thing which remarkably absorbs the electromagnetic wave of a specific wavelength, for example, gas, such as a carbon dioxide gas and nitrogen gas, is applied.

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.1 and 2 show a sensor according to the present embodiment, and the photonic sensor element 20 includes a sensor waveguide for guiding an electromagnetic wave including a specific wavelength, for example, an infrared ray including a wavelength of 2 μm to 13 μm ( 22 and the reference waveguide 32 as well as the sense resonator 24 and the reference resonator 34 which are electromagnetically coupled with these waveguides are formed. Each resonator is designed to resonate the electromagnetic waves of the particular wavelength (absorbed in the target material). The sensing resonator 24 and the sensor waveguide 22 are exposed to the atmosphere containing the target substance and measure the intensity of the electromagnetic wave absorbed by the presence of the target substance. On the other hand, the reference waveguide 32 and the reference resonator 34 are shielded from the atmosphere containing the target substance by the shield 36 to obtain the reference intensity of the electromagnetic wave, and to obtain the attenuation rate of the electromagnetic wave from the difference between the two intensities. The concentration of the target substance is determined from this decay rate.

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.In order to achieve this function, the sensor according to the present embodiment includes an electromagnetic wave source 10 for supplying the photonic sensor element 20 and a distributor for branching the electromagnetic wave to the sensor waveguide 22 and the reference waveguide 32. (11), the output intensity meter 41 which detects the intensity of the electromagnetic wave emitted from the sensing resonator 24, the reference intensity meter 51 which detects the intensity of the electromagnetic wave emitted from the reference resonator 34, A densitometer 42 is provided for determining the concentration of the target substance by determining the attenuation rate of the electromagnetic waves from the difference in the electromagnetic wave strengths to be obtained. These output intensity meters 41, reference intensity meters 51 and densitometers 42 are collectively referred to as detectors 40 to be realized in a single microprocessor. The detector 40 outputs a concentration signal indicating the concentration obtained by the densitometer 42 to the display 60 to display the concentration of the target substance.

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.The sensor waveguide 22 and the reference waveguide 32 extend in a straight line along the entire length of the photonic sensor element 10 in the longitudinal direction, with one end in the longitudinal direction as the input ports 21 and 31, and the other end. The output ports 23 and 33 are respectively used. An injector 12 is coupled to the input ports 21 and 31, respectively, to introduce electromagnetic waves from the electromagnetic wave generation source into each waveguide. The output ports 23 and 33 are respectively coupled to the output intensity meter 41 and the reference intensity meter 51 so as to transmit electromagnetic waves of a specific wavelength emitted from the sensing resonator 24 and the reference resonator 34 to these intensity meters. Output The sensing resonator 24 and the reference resonator 34 are formed in the center of the longitudinal direction in each waveguide, and propagate electromagnetic waves resonating with the resonators to the output ports 23 and 33. The output intensity meter 41 outputs a detection signal indicating the intensity of electromagnetic waves resonating in the resonator 24, while the reference intensity meter 51 outputs a reference signal indicating the intensity of electromagnetic waves resonating in the resonator 34. . The densitometer 42 calculates the attenuation rate of the electromagnetic wave intensity caused by the presence of the target substance from the difference between the detection signal from the output intensity meter 41 and the reference signal from the reference detector. This attenuation rate is expressed by the following equation (1).

Figure 112006076911486-PCT00001
Figure 112006076911486-PCT00001

여기서, Iref는 기준 강도계(51)의 출력, Iout는 출력 강도계(41)로부터의 출력이다. Here, Iref is the output of the reference intensity meter 51 and Iout is the output from the output intensity meter 41.

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. The relationship as shown in FIG. 3 is recognized between the damping rate L thus obtained and the absorption coefficient of the target substance. The absorption coefficient corresponds to the concentration of the target substance in the atmosphere, and since the expression indicating the relationship between the decay rate and the concentration is prepared in the detector 40, the concentration of the target substance is determined by the densitometer 42 from the decay rate. And the output intensity of an electromagnetic wave is determined by following formula (2).

Figure 112006076911486-PCT00002
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.Qin is a Q value determined by the coupling strength of light between the resonator and the waveguide, and a Q value determined by the amount of energy lost by absorption in the Qatar resonator. More specifically, the Q value between the resonator and the waveguide is Qin, and the Q value due to absorption in the resonator is Qa, and the Q value between the resonator and the free space is Qy, and Qy''Qin. Qin is a value relating to the amount of energy leaking from the resonator to the waveguide in the system between the resonator and the waveguide (that is, a value indicating how much energy can be accumulated in the resonator in the system between the resonator and the waveguide). When the energy accumulated in the resonator is W and the energy lost to the waveguide side from the resonator in unit time is dW / dt, Qin = ω 0 x W / (dW / dt). Qa is a value relating to the amount of energy lost by absorption in the resonator. When Qa is stored in the resonator and energy is lost in unit time due to absorption in the resonator, Qa is Qa. = (ω 0 x n m ) α x c), where n m is the effective refractive index of the resonator 24, α is the absorption coefficient of the resonator, and c is the luminous flux in vacuum.

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.However, the output intensity of the electromagnetic wave, is known as the drop efficiency (D), by the ratio of the electromagnetic wave intensity S +2 is output from the electromagnetic wave intensity S + 1 and the output port is input to the input port as represented by the following formula: Is expressed.

Figure 112006076911486-PCT00003
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.In the method shown in Fig. 2, a controller 70 is provided which monitors the intensity of the electromagnetic wave output from the electromagnetic wave source 10 and makes this output intensity constant by feedback control, thereby correcting fluctuation caused by disturbance. The measurement is to be performed.

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.In addition to the structure shown in FIG. 1, the photonic sensor element can use what was shown in FIGS. In these figures, only the structures related to the sensor waveguide 22 and the sensing resonator 24 are described for the sake of simplicity, but the same configuration can be applied to the reference waveguide and the reference resonator.

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.In the photonic sensor element 20 shown in FIG. 4, a plurality of sensing resonators 24 are formed in the sensor waveguide 22, and both ends of the sensor waveguide in the longitudinal direction are respectively input ports 21 and output ports ( 23). Each sensing resonator 24 is designed to resonate electromagnetic waves of the same specific wavelength, thereby increasing the chance of contact with the target material, thereby increasing the detection sensitivity of the target material.

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.In the photonic sensor element 20 shown in FIG. 5, the heater 80 is integrally formed, and the optical characteristic of the photonic sensor element is kept constant by temperature control by the heater 80, thereby making it an accurate object. The concentration measurement of a substance can be performed. This temperature control is performed by the controller shown in FIG. 2 using a temperature sensor. The heater 80 can be used to dissipate objects or impurities attached to the sensing resonator by heat in addition to this purpose. By heating with a heater at an appropriate timing, the sensor element can be refreshed. As the heater, one using a Peltier element is preferable.

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.In addition, the above-mentioned heater can be used as a modulation means for modulating the wavelength or intensity of the electromagnetic wave which guides the waveguide. In other words, by flowing at a constant period of the heater, the intensity or wavelength of the electromagnetic wave emitted from the resonator is periodically modulated, and only the modulated electromagnetic wave is selected by the analyzer from among the electromagnetic waves detected by the detector to reach the detector from other than the resonator. It can distinguish from electromagnetic waves of noise and improve measurement accuracy. The modulating means is not limited to a heater, and may be any one that performs wavelength modulation or intensity modulation of electromagnetic waves output from an electromagnetic wave source, for example, a chopper rotating plate and a corresponding chopper for periodically blocking the output of the electromagnetic wave source. Modulation means may be constituted by a drive motor of the rotating plate to control the drive motor by the control circuit.

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.In the photonic sensor element 20 shown in FIG. 6, the sensor waveguide is comprised by the input waveguide 22A and the output waveguide 22A which extend in parallel with each other. The sensing resonator 24 is formed between the input waveguide 22A and the output waveguide 22B and receives an electromagnetic wave of a specific wavelength from the electromagnetic wave input from the input port 21 at one end of the input waveguide 22A. Read and resonate here. This electromagnetic wave propagates through the output waveguide 22B and is output from the output port 23 formed at one end in the longitudinal direction to the detector.

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.In the photonic sensor element 20 shown in FIG. 7, the input port 21 and the output port 23 are formed at both ends of the sensor waveguide 22 in the longitudinal direction, and the photonic sensor element 20 is formed from the sensor waveguide 22. The sensing resonator 24 is formed in a portion spaced apart along the width direction of the sensor, that is, a portion spaced in a direction orthogonal to the longitudinal direction of the sensor waveguide, and the electromagnetic waves emitted from the sensing resonator 24 are output ports 23. It is output to the detector through.

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.In the photonic sensor element 20 shown in FIG. 8, the detector is designed to emit electromagnetic waves from the sensing resonator 24 in the thickness direction of the photonic sensor element 20, and the detector disposed above the sensing resonator 24; Electromagnetic coupling.

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.In the above embodiment, the concentration of one kind of target substance is measured by one detection unit composed of the sensor waveguide 22, the sensing resonator 24, and the detector 40. Therefore, when a plurality of detection units are provided in correspondence with different target substances, the concentration of the different target substances can be measured. In this case, a plurality of sensing resonators for resonating electromagnetic waves of different wavelengths and a plurality of sensor waveguides corresponding thereto are formed in one photonic sensor element.

<제2 실시예>Second Embodiment

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.9 shows a second embodiment of the present invention. In this embodiment, the configuration of the photonic sensor element 20 designed to supply the electromagnetic wave from the electromagnetic wave source 10 to the sensing resonator 24 and the reference resonator 34 through a single input port 21 is shown. . In this photonic sensor element 20, a first photonic crystal structure PC1 and a second photonic crystal structure PC2 having different crystal structures are formed. That is, in the two crystal structures, microcircular holes for changing the refractive index are two-dimensionally arranged at different periods, thereby making it possible to selectively propagate electromagnetic waves of different wavelengths. The sensor waveguide consists of one input waveguide 22A extending over two crystal structures PC1 and PC2 and two output waveguides 22B1 and 22B2 inherent to each crystal structure, and in each crystal structure PC1 and PC2, A sensing resonator 24 and a reference resonator 34 are electromagnetically coupled to the input waveguide 22A and the output waveguides 22B1 and 22B2, respectively. Each photonic crystal structure PC1, PC2 is designed such that electromagnetic waves of different wavelengths resonate with each of the resonators 24, 34. [0035] FIG. That is, the first photonic crystal structure PC1 is designed to resonate with the electromagnetic wave of the first wavelength? 1 absorbed by the target material, and the second photonic crystal structure PC2 is designed to resonate with the other second wavelength? 2, Using the detector 40 similar to that shown in FIGS. 1 and 2, the intensity of the electromagnetic wave of the first wavelength λ 1 is detected by the output intensity meter 41, and the electromagnetic wave of the second wavelength λ 2 is detected. The intensity is detected by the reference intensity meter 51. The densitometer 42 compares the electromagnetic wave intensity of the second wavelength [lambda] 2 and the electromagnetic wave intensity of the first wavelength [lambda] 1 to obtain the attenuation rate of the electromagnetic wave intensity of the first wavelength [lambda] 1. In the same manner, the concentration of the target substance is calculated.

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.In the present embodiment, the first wavelength λ1 of the electromagnetic wave resonating by the sensing resonator 24 is set as the wavelength of the electromagnetic wave absorbed by the target material, and the second wavelength of the electromagnetic wave resonating by the reference resonator 34 ( Since lambda 2) is set to be different from the first wavelength, electromagnetic waves resonating with the reference resonator 34 are not affected by the target material. Therefore, it is not necessary to shield the reference resonator 34 from the atmosphere containing the target material.

<제3 실시예>Third Embodiment

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.10 and 11 disclose a manner in which the property of changing the refractive index of the atmosphere is realized for the measurement of a significant target material. Examples of the target material in this case include water vapor, alcohol, and the like, and the refractive index around the sensing resonator changes due to the presence of the target material to shift the wavelength resonating to the sensing resonator. The concentration measurement is performed. 12 shows the relationship between the refractive index indicated by the target material and the wavelength of electromagnetic waves generated in the resonator determined accordingly. Therefore, by designing the sensing resonator to resonate at a specific wavelength determined by the target material, the concentration of the target material can be grasped as a change in the output intensity emitted from the sensing resonator 24.

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.For this purpose, in this embodiment, a wideband electromagnetic wave including a specific wavelength is introduced into the sensor waveguide 22, and from the electromagnetic wave output from the sensing resonator 24, an electromagnetic wave of a specific wavelength inherent to the target material is introduced. The strength is withdrawn selectively, and the concentration of the target substance is calculated according to this strength. In the photonic sensor element 20 of the embodiment shown in the figure, the sensor waveguide is composed of two parallel extending input waveguides 22A and output waveguides 22B, and a sensing resonator 24 is formed between both waveguides. . The sensing resonator 24 is exposed to an atmosphere containing the target substance and, when contacted with the target target substance, of the electromagnetic wave introduced into the input port 21 at one end in the longitudinal direction of the input waveguide 22A, the target substance Electromagnetic waves having a wavelength intrinsic to the resonator 24 are resonated by the resonator 24, and the resonant electromagnetic waves are output to the detector 40 through one end of the output port 23 in the longitudinal direction of the output waveguide 22B.

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.The detector 40 has a spectroscopic analysis function, selects an electromagnetic wave of a specific wavelength determined by a target substance by spectroscopy, obtains the electromagnetic wave intensity, and determines the concentration of the target substance as proportional to the electromagnetic wave intensity. A concentration signal indicating the concentration of the target substance is output. The display 60 receives this concentration signal and displays the concentration.

전자파 발생원(10)은, 대상이 되는 물질에 의해 정해지는 파장을 포함하는 광대역의 전자파, 예를 들면, 2μm 내지 13μm의 파장을 포함하는 적외선을 공급한다.The electromagnetic wave source 10 supplies a wideband electromagnetic wave including a wavelength determined by a target substance, for example, an infrared ray including a wavelength of 2 µm to 13 µm.

도 13 내지 도 20은 전술한 제3 실시예에 사용하는 포토닉 센서 소자(20)에 대한 수많은 변형 양태를 나타낸다.13 to 20 show a number of variations on the photonic sensor element 20 used in the third embodiment described above.

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.In the modified embodiment of FIGS. 13 to 15, a sensing body 80 is arranged on the sensing resonator 24 to change the wavelength of electromagnetic waves resonating in the sensing resonator 24 by adsorbing or reacting with a target material. . The sensitizer 80 is for actively causing or enhancing the wavelength shift according to the target material, and is made of a material that greatly varies the refractive index around the resonator 24 due to the presence of the target material. For example, in the case of realizing a humidity sensor using water as the target material, a material that adsorbs water such as SiO 2 or a polymer is used, and in the case of realizing a biosensor in which the target material is an ecological material, A receptor such as is used as the material. M in FIG. 14 schematically shows molecules of the target substance adsorbed by the sensitizer 80.

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.In the modified embodiment of FIGS. 16 to 18, two resonators 24A and 24B are formed in the photonic sensor element 20, and the above sensitive body 80 is provided only in one resonator 24A. If the target substance is present, the wavelength of the electromagnetic wave resonating with one resonator 24A is shifted from the wavelength of the electromagnetic wave resonating with the other resonator 24B, so that the electromagnetic coupling force between both resonators is weakened. The intensity of the electromagnetic wave output to 40 changes. The detector 40 recognizes the change in the electromagnetic wave intensity and determines the concentration of the target substance according to the change degree. In the detector 40, the concentration is determined in accordance with the change in the output intensity of the electromagnetic wave resonating with the resonator provided with the sensitizer. However, the detector 40 is used for the output intensity of the electromagnetic wave resonating with the resonator without the sensitizer. You may also

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.16, the example which arrange | positioned the two resonators 24A and 24B in the width direction of the photonic sensor element 20 between the two input waveguides 22A and the output waveguide 22B is shown. Indicates. 17 shows an example in which two resonators 24A and 24B are disposed along the longitudinal direction of the waveguide 22 outside one waveguide 22. 18 shows an example in which two resonators 24A and 24B are arranged and arranged in the center of one waveguide 22.

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.In the modified embodiment of FIG. 19, a plurality of pairs of the waveguide 22 and the resonator 24 are formed in the photonic sensor element 20, and the electromagnetic wave generating source 10 and the detector 40 are provided in accordance with each pair. . Each resonator 24 is designed to resonate electromagnetic waves of different wavelengths to measure the concentration of a plurality of kinds of target materials. In this case, it is possible to provide the above-described sensitive body in at least one resonator 24.

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.In the modified embodiment of FIG. 20, in the photonic sensor element 20, a plurality of mutually parallel waveguides 22 are formed along one direction, and the plurality of resonators 24 are vertically and horizontally arranged in a two-dimensional surface to form a surface sensor. To form. Each waveguide 22 is supplied with electromagnetic waves from a single electromagnetic wave source 10, and a detector 40 is coupled to each resonator 24. The detector 40 is likewise arranged in a two-dimensional plane and supported by the frame 90. The detectors 40 are spaced apart from each other in a direction perpendicular to the plane in which the resonators 24 are arranged, and the electromagnetic waves emitted from the resonators 24 are output to the detector 40. Each resonator 24 is electromagnetically coupled to adjacent waveguides 22 and is designed to resonate electromagnetic waves having different wavelengths, thereby recognizing a change in refractive index in the plane, that is, a change in a target material in the plane. can do. That is, the intensity of the electromagnetic wave output from the different resonators 24 shows the concentration of the different target materials, and for example, the progress of the reaction caused by the target materials can be detected. Therefore, in addition to the detection of the concentration, the distribution of different target substances in the plane can be obtained. If the plurality of resonators 24 are designed to resonate electromagnetic waves of the same wavelength, the concentration distribution in the plane of the specific target material can be obtained. Moreover, in this modification aspect, a sensitive body can also be provided in a resonator.

<제4 실시예>Fourth Example

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.21 and 22 show a fourth embodiment of the present invention. This embodiment is basically the same as the third embodiment, but uses an electromagnetic wave source of supplying a variable wavelength as the electromagnetic wave source 10, and performs a wave sweep to detect an electromagnetic wave whose wavelength changes with time. Introduced into element 20. The sweep range of the wavelength is set to include a specific wavelength determined by the refractive index indicated by the target material, and the intensity of the electromagnetic wave from the resonator 24 when the electromagnetic wave of the specific wavelength is introduced from the electromagnetic wave source 10. By obtaining from the detector 40, the concentration of the target substance can be measured. Therefore, in the present embodiment, a sweep controller 46 is provided to change the wavelength from the electromagnetic wave source 10 over time and to change the wavelength of the reading of the electromagnetic wave output from the detector 40. Motivated by In the concentration measurement, the output intensity of the electromagnetic wave of a wavelength different from the specific wavelength corresponding to the target substance is stored as the reference intensity, and the output intensity of the electromagnetic wave of the specific wavelength corresponding to the target substance is compared with this reference intensity. The concentration of is obtained by calculation. According to this configuration, the electromagnetic wave intensities can be individually analyzed at various wavelengths within the sweep range of the wavelength, and therefore concentrations for different kinds of target substances can be obtained. The configuration of the photonic sensor element 20 used in this embodiment is applicable to the configuration shown in FIGS. 5 to 8 and 13 to 18 in addition to the configuration shown in FIG. 21.

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.It is also possible to apply the present embodiment to a configuration in which the measurement accuracy is increased by periodically modulating the electromagnetic wave intensity emitted from the resonator as described above or periodically modulating the electromagnetic wave intensity supplied from the electromagnetic wave source to the resonator.

<제5 실시예>Fifth Embodiment

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.23 shows a fifth embodiment of the present invention. In this embodiment, the above-described sensitive body 80 is disposed in the electromagnetic path passing through the resonator 24 in the photonic sensor element 20. When the sensitizer 80 adsorbs or reacts with the target material, the electromagnetic wave detected by the detector 40 due to the change of the electromagnetic coupling efficiency in the electromagnetic wave path (energy coupling path), that is, the effective waveguide length, Since the intensity changes, the concentration of the target substance is measured according to the change of the electromagnetic wave intensity. In this embodiment, a resonator (80) is formed in the center of the waveguide (22) having both ends of the input port (21) and the output port (23), and formed in correspondence with the center of the waveguide ( The electromagnetic bond strength with 24) is changed by the presence of the target substance.

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.FIG. 24 shows a modification of the fifth embodiment, in which a sensitizer 80 is formed between two resonators 24 arranged in parallel with the waveguide 22 in the photonic sensor element 20, thereby providing two resonators. The concentration of the target substance is detected by the change of the electron coupling efficiency therebetween.

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.FIG. 25 shows a modification of the fifth embodiment, between the two resonators 24 arranged in the photonic sensor element 20, between two parallel input waveguides 22A and output waveguides 22B. The sensitizer 80 is formed, and the concentration of the target substance is detected by the change of the electron coupling efficiency between the two resonators.

<제6 실시예>Sixth Embodiment

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.Fig. 26 shows the sixth embodiment of the present invention. In the photonic sensor element 20 used in this embodiment, the first photonic crystal structure PC1 and the second photonic crystal structure PC2 having different crystal structures are successively formed. In these two crystal structures, minute circular holes for changing the refractive index are two-dimensionally arranged at different periods, thereby making it possible to selectively propagate electromagnetic waves of different wavelengths. The incident waveguide 22A and the output waveguide 22B are formed to be connected across the first photonic crystal structure PC1 and the second photonic crystal structure PC2, respectively, and the input waveguide 22A is provided at one end of the first crystal structure PC1. An electromagnetic wave input port 21 is formed, and an electromagnetic wave output port 23 is formed in the output waveguide 22B. The resonator 24 is disposed between the input waveguide 22A and the output waveguide 22B in the first photonic crystal structure PC1 and is electromagnetically coupled with both. The resonator 24 is designed to resonate electromagnetic waves of a specific wavelength.

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.In the input waveguide 22A, at the interface between the first photonic crystal structure PC1 and the second photonic crystal structure PC2, an input reflector that reflects only electromagnetic waves of a specific wavelength resonating with the resonator and passes the remaining wavelength components ( 25A) is formed. Similarly, at the interface between the first photonic crystal structure PC1 and the second photonic crystal structure PC2 in the output waveguide 22B, only electromagnetic waves of a specific wavelength resonating with the resonator 24 are reflected, and the remaining wavelength components An output reflector 25B that passes through is formed. Such a reflector is formed in accordance with the difference in the periodic structure between the first photonic crystal structure PC1 and the second photonic crystal structure PC2, and electromagnetic waves of a specific wavelength allowed to be resonance by the resonator 24 are separated from the input waveguide 22A. The efficiency of propagating to the resonator 24 and the efficiency of outputting the electromagnetic wave of a specific wavelength causing resonance to the resonator 24 to the detector 40 via the output waveguide 22B are improved.

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.In the input waveguide 22A and the output waveguide 22B, the sensitizer 80 described above is formed in a portion covering the first photonic crystal structure PC1 and the second photonic crystal structure PC2, and reacted with the target substance. By changing the performance of the interface of both crystal structures, the functions at the input reflector 25A and the output reflector 25B are changed, and the reflection function of the electromagnetic wave of a specific wavelength which resonates with the resonator 24 is greatly reduced. Therefore, when the sensitive body 80 acknowledges the presence of the target substance, the electromagnetic wave intensity of the specific wavelength output from the output waveguide 22B is lowered, and the concentration of the target substance can be calculated from the change of the electromagnetic wave intensity. That is, drop efficiency D is calculated | required from the electromagnetic wave intensity input into the detector 40, and density | concentration is calculated | required from this drop efficiency. The drop efficiency D is a ratio between the input electromagnetic wave strength S + 1 and the output electromagnetic wave strength S- 2 expressed by the formula (3).

드롭 효율 (D) 역시 다음 식에 의해 표현된다. Drop efficiency (D) is also expressed by the following equation.

Figure 112006076911486-PCT00004
Figure 112006076911486-PCT00004

Figure 112006076911486-PCT00005
Figure 112006076911486-PCT00005

Figure 112006076911486-PCT00006
Figure 112006076911486-PCT00006

Figure 112006076911486-PCT00007
Figure 112006076911486-PCT00007

Figure 112006076911486-PCT00008
Figure 112006076911486-PCT00008

Figure 112006076911486-PCT00009
Figure 112006076911486-PCT00009

상기 식 중에서,In the above formula,

d1는 입력 도파로(22A)의 길이 방향에 따른 공진부(24)와 입력 반사기(25A) 사이의 거리이고, d 1 is a distance between the resonator 24 and the input reflector 25A along the longitudinal direction of the input waveguide 22A,

d2는 출력 도파로(22A)의 길이 방향에 따른 공진부(24)와 출력 반사기(25b) 사이의 거리이고,d 2 is a distance between the resonator 24 and the output reflector 25b along the longitudinal direction of the output waveguide 22A,

β1는 입력 도파로(22A)의 전파 정수이고, β 1 is a propagation constant of the input waveguide 22A,

β2는 출력 도파로(22B)의 전파 정수이고,β 2 is a propagation constant of the output waveguide 22B,

Δ1은 입력 반사기(25A)에 의해 반사되는 전자파의 반사 위상 변화이고, Δ 1 is the change in reflection phase of electromagnetic waves reflected by the input reflector 25A,

Δ2는 출력 반사기(25B)에 의해 반사되는 전자파의 반사 위상 변화이고,Δ 2 is a change in reflection phase of electromagnetic waves reflected by the output reflector 25B,

θ1은 입력 반사기(25A)에 의해 반사되어 공진기(24) 근방까지 돌아오는 전자파의 위상 변화량이고,θ 1 is an amount of phase change of electromagnetic waves reflected by the input reflector 25A and returned to the vicinity of the resonator 24,

θ2는 출력 반사기(25B)에 의해 반사되어 공진기(24) 근방까지 돌아오는 전자파의 위상 변화량이고,θ 2 is an amount of phase change of electromagnetic waves reflected by the output reflector 25B and returned to the vicinity of the resonator 24,

ω0은 공진기(24)에서의 공진 주파수이고,ω 0 is the resonant frequency at the resonator 24,

Qinb는 공진기(24)와 입력 도파로(22A) 사이의 Q값이고,Q inb is the Q value between the resonator 24 and the input waveguide 22A,

Qinr는 공진기(24)와 출력 도파로(22B) 사이의 Q값이고,Q inr is the Q value between the resonator 24 and the output waveguide 22B,

W는 공진기(24)에 축적되는 에너지이고,W is the energy accumulated in the resonator 24,

dW/dt는 공진기(24)로부터 입력 도파로(22A)로의 단위 시간에 없어지는 에너지, 공진기(24)로부터 출력 도파로(22B)로의 단위 시간에 없어지는 에너지이다.dW / dt is energy lost in the unit time from the resonator 24 to the input waveguide 22A and energy lost in the unit time from the resonator 24 to the output waveguide 22B.

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.The photonic sensor element 20 in this embodiment forms a plurality of minute circular holes in a silicon semiconductor layer laminated on a SiO 2 substrate to realize a photonic crystal structure, and the resonator 24 has circular holes. Is made of a donor-shaped defect formed by filling a circular hole with silicon, that is, a radiation loss in free space is reduced, so that a high Q can be obtained and Q inb / (1 + cosθ 1 ) &lt; Q V It becomes Therefore, the term "1 / Q" in the formula (4) can be ignored. Therefore, to satisfy the relation of Q inb / (1 + cosθ 1 ) = Q inr / (1 + cosθ 2 ) and θ 1 , θ 2 ≠ 2Nπ (N = 0, 1, ....), the parameter d 1 , d 2 , β 1 , β 2 , Δ 1 , Δ 2 , θ 1 , θ 2 , Q inb , Q inr , Q V , so that the drop efficiency in the absence of the substance to be detected is about 1 (ie, 100 %), And since it differs greatly from the drop effect in the presence of a target substance, high sensitivity concentration measurement is possible.

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.In each of the above embodiments, a photonic crystal of a silicon semiconductor is used as the photonic sensor element, but the present invention is not necessarily limited thereto. For example, photonic crystals of various materials such as GaAs and InP may be applied. Can be.

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.The wavelength of the electromagnetic wave supplied from the electromagnetic wave source to the photonic sensor element may be appropriately set according to the substance to be detected. As the electromagnetic wave to be used, an optical communication wavelength band such as C band (1530 nm to 1565 nm) or L band (1565 nm to 1625 nm) is used. Can be suitably used depending on the target substance. As the electromagnetic wave generator 10, for example, a light emitting diode, a semiconductor laser, a halogen lamp, an ASE (Amplified Spontaneous Emission) light source, a SC (supercontinuum) light source, or the like can be used as a light source for generating electromagnetic waves in the optical communication wavelength band. . When generating electromagnetic waves of the near infrared wavelength band, a so-called linear heating element is placed between two points on one surface of a rectangular frame type support substrate formed by processing by micromachining technology using a silicon substrate. A light source of black body radiation, such as an infrared radiating element of a microbridge structure, can be used.

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.In the above-described embodiment, the configuration for detecting the concentration of the target substance set in advance has been disclosed. However, the present invention is not limited to this alone, and the change of the electromagnetic wave intensity output from the photonic sensor element is analyzed to determine the target. It can be applied to detect the specificity of the type of substance or the characteristic of the target substance.

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.In addition, in this embodiment, although the example used as a gas sensor, a humidity sensor, and a biosensor was disclosed, this invention is not limited only to this, It can use as a sensor which detects other substances, such as an ion sensor.

본 출원은, 2004년 3월 24일에 출원된 일본 특허 출원 2004-87666호를 우선권 주장하는 것이며, 상기 일본 출원에 개시되는 모든 내용을 병합하는 것이다.This application claims the priority of Japanese Patent Application No. 2004-87666 for which it applied on March 24, 2004, and merges all the content disclosed by the said Japanese application.

Claims (25)

대상 물질의 특성을 검출하는 센서에 있어서,In the sensor for detecting the properties of the target material, 전자파(electromagnetic wave)를 공급하는 전자파 발생원;An electromagnetic wave generating source for supplying electromagnetic waves; 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, 상기 포토닉 센서 소자; 및A photonic sensor element having a photonic crystalline structure, comprising: a sensor waveguide for introducing the electromagnetic wave and a sensing resonator electromagnetically coupled to the sensor waveguide for resonating the electromagnetic wave to a specific wavelength, wherein A sensing resonator configured to change a characteristic of the electromagnetic wave emitted from the sensing resonator by being exposed to an atmosphere containing the target material; And 상기 감지 공진기로부터 방출되는 전자파를 수신하여, 상기 전자파의 강도 변화를 인식하고, 상기 대상 물질의 특성을 나타내는 신호를 출력하는 검출기A detector for receiving electromagnetic waves emitted from the sensing resonator, recognizing a change in intensity of the electromagnetic waves, and outputting a signal representing a characteristic of the target material. 를 포함하는 센서.Sensor comprising a. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 검출기는, 상기 전자파의 특성 변화에 기초하여 상기 대상 물질의 농도를 결정하고 상기 대상 물질의 농도를 나타내는 신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 센서.The detector is characterized in that for determining the concentration of the target material based on the change in the characteristics of the electromagnetic wave and outputs a signal indicating the concentration of the target material. 제2항에 있어서,The method of claim 2, 상기 포토닉 센서 소자는 상기 포토닉 결정 구조 내에 기준 도파로와 기준 공진기를 가지고, The photonic sensor element has a reference waveguide and a reference resonator in the photonic crystal structure, 상기 기준 도파로는 상기 전자파 발생원으로부터 상기 전자파를 도입하고, The reference waveguide introduces the electromagnetic wave from the electromagnetic wave generating source, 상기 기준 공진기는 상기 기준 도파로에 전자기적으로 결합하여 상기 도입된 전자파를 상기 특정 파장으로 공진시키고,The reference resonator is electromagnetically coupled to the reference waveguide to resonate the introduced electromagnetic wave to the specific wavelength, 상기 기준 공진기는 상기 대상 물질로부터 은폐되며,The reference resonator is concealed from the target material, 상기 검출기는,The detector, 상기 감지 공진기로부터 방출되는 상기 특정 파장의 전자파의 강도를 나타내는 검출 신호를 제공하는 출력 강도계;An output intensity meter for providing a detection signal indicative of the intensity of the electromagnetic wave of said particular wavelength emitted from said sensing resonator; 상기 기준 공진기로부터 방출되는 상기 특정 파장의 전자파의 강도를 나타내는 기준 신호를 제공하는 기준 강도계; 및A reference intensity meter for providing a reference signal indicative of the intensity of the electromagnetic wave of the particular wavelength emitted from the reference resonator; And 상기 검출 신호를 상기 기준 신호와 비교하여, 상기 특정 파장의 전자파의 감쇠량을 구하고, 상기 감쇠량에 기초하여 상기 대상 물질의 농도를 산출하는 농도계를 포함하는, 센서.And a densitometer for comparing the detection signal with the reference signal to obtain an attenuation amount of the electromagnetic wave of the specific wavelength and to calculate the concentration of the target substance based on the attenuation amount. 제3항에 있어서,The method of claim 3, wherein 상기 포토닉 센서 소자는 2차원 어레이로 배열된 포토닉 결정 구조를 가지고, The photonic sensor element has a photonic crystal structure arranged in a two-dimensional array, 각각의 상기 센서 도파로 및 상기 기준 도파로는 상기 2차원 포토닉 결정 구조 내에서 연장되어 상기 도파로의 양단에 각각 입력 포트와 출력 포트를 형성하 고,Each of the sensor waveguides and the reference waveguide extends within the two-dimensional photonic crystal structure to form input and output ports at both ends of the waveguide, respectively. 각각의 상기 입력 포트는 상기 전자파 발생원으로부터의 전자파를 수신하도록 배치되고, Each said input port is arranged to receive electromagnetic waves from said electromagnetic wave generating source, 각각의 상기 출력 포트는 각각의 대응하는 상기 출력 강도계 및 기준 강도계에 결합되어, 각각의 대응하는 상기 감지 공진기와 상기 기준 공진기로부터 방출되는 전자파를 제공하는, 센서.Each said output port is coupled to each corresponding said output intensity meter and reference intensity meter to provide electromagnetic waves emitted from each corresponding said sense resonator and said reference resonator. 제3항에 있어서,The method of claim 3, wherein 상기 포토닉 센서 소자는, 2차원 어레이로 배열된 포토닉 결정 구조를 가지고, The photonic sensor element has a photonic crystal structure arranged in a two-dimensional array, 각각의 상기 센서 도파로 및 상기 기준 도파로는 상기 2차원 포토닉 결정 구조 내에서 연장되어 상기 도파로의 양단에 각각 입력 포트와 출력 포트를 형성하고,Each of the sensor waveguide and the reference waveguide extends within the two-dimensional photonic crystal structure to form an input port and an output port at both ends of the waveguide, respectively. 각각의 상기 감지 공진기 및 상기 기준 공진기는 상기 센서 도파로 및 상기 기준 도파로 내에 배치되고, Each said sensing resonator and said reference resonator are disposed within said sensor waveguide and said reference waveguide, 각각의 상기 입력 포트는 상기 전자파 발생원으로부터의 전자파를 수신하도록 배치되며,Each said input port is arranged to receive electromagnetic waves from said electromagnetic wave generating source, 각각의 상기 출력 포트는 각각의 대응하는 상기 출력 강도계 및 기준 강도계에 결합되어, 각각의 대응하는 상기 감지 공진기와 상기 기준 공진기로부터 방출되는 전자파를 제공하는, 센서.Each said output port is coupled to each corresponding said output intensity meter and reference intensity meter to provide electromagnetic waves emitted from each corresponding said sense resonator and said reference resonator. 제5항에 있어서,The method of claim 5, 상기 감지 공진기는 상기 센서 도파로를 따라 복수개가 정렬되어 있는, 센서.And the sensing resonator is arranged in plural along the sensor waveguide. 제3항에 있어서,The method of claim 3, wherein 상기 포토닉 센서 소자는 2차원 어레이로 배열된 포토닉 결정 구조를 가지고, The photonic sensor element has a photonic crystal structure arranged in a two-dimensional array, 각각의 상기 센서 도파로 및 상기 기준 도파로는 상기 2차원 포토닉 결정 구조 내에서 연장되어 그 길이 방향의 일단에 입력 포트를 형성하고,Each of the sensor waveguides and the reference waveguide extends within the two-dimensional photonic crystal structure to form an input port at one end in its longitudinal direction, 각각의 상기 입력 포트는 상기 전자파 발생원으로부터의 전자파를 수신하도록 배치되고, Each said input port is arranged to receive electromagnetic waves from said electromagnetic wave generating source, 상기 포토닉 센서 소자는, 감지 출력 도파로와 기준 출력 도파로를 더 구비하고, The photonic sensor element further includes a sensing output waveguide and a reference output waveguide, 상기 감지 출력 도파로 및 상기 기준 출력 도파로는 대응하는 상기 센서 도파로와 상기 기준 도파로와 평행하게 연장되고, 또 상기 감지 공진기와 상기 기준 공진기에 각각 전자기적으로 결합되며,The sensing output waveguide and the reference output waveguide extend in parallel with the corresponding sensor waveguide and the reference waveguide, and are electromagnetically coupled to the sensing resonator and the reference resonator, respectively. 각각의 상기 감지 출력 도파로 및 상기 기준 출력 도파로는, 그 길이 방향의 일단에 출력 포트를 형성하고, 상기 출력 포트는 각각의 대응하는 상기 출력 강도계와 상기 기준 강도계에 각각 결합되는, 센서.Each of the sensed output waveguide and the reference output waveguide form an output port at one end in its longitudinal direction, the output port being coupled to respective corresponding output intensity meters and the reference intensity meters, respectively. 제3항에 있어서,The method of claim 3, wherein 상기 포토닉 센서 소자는 2차원 어레이로 배열된 포토닉 결정 구조를 가지고, The photonic sensor element has a photonic crystal structure arranged in a two-dimensional array, 상기 센서 도파로 및 상기 기준 도파로는 각각 상기 2차원 포토닉 결정 구조 내에서 연장되어 그 길이 방향의 일단에 입력 포트를 형성하고,The sensor waveguide and the reference waveguide respectively extend in the two-dimensional photonic crystal structure to form an input port at one end in the longitudinal direction thereof, 각각의 상기 입력 포트는 상기 전자파 발생원으로부터의 전자파를 수신하도록 배치되고, Each said input port is arranged to receive electromagnetic waves from said electromagnetic wave generating source, 각각의 상기 출력 강도계 및 상기 기준 강도계는 상기 포토닉 센서 소자의 평면으로부터 이격되어 배치되어, 각각의 대응하는 상기 감지 공진기 및 상기 기준 공진기에 결합되어 상기 감지 공진기 및 상기 기준 공진기로부터 방출되는 전자파를 수신하는, 센서.Each of the output intensity meters and the reference intensity meters are disposed spaced apart from the plane of the photonic sensor element, and coupled to each of the corresponding sense resonators and the reference resonators and emitted from the sense resonators and the reference resonators. To receive the sensor. 제2항에 있어서,The method of claim 2, 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, The photonic sensor element has a first photonic crystal structure and a second photonic crystal structure, wherein the first and second photonic crystal structures are different from each other, and are side-by-side in a two-dimensional array. relation), 상기 센서 도파로는,The sensor waveguide, 상기 제1 및 제2 포토닉 결정 구조에 걸쳐 연장된 입력 도파로;An input waveguide extending over the first and second photonic crystal structures; 상기 제1 포토닉 결정 구조의 범위 내에서 연장된 제1 출력 도파로; 및A first output waveguide extending within the range of the first photonic crystal structure; And 상기 제2 포토닉 결정 구조의 범위 내에서 연장된 제2 출력 도파로A second output waveguide extending within the range of the second photonic crystal structure 를 구비하며, Equipped with 상기 감지 공진기는 제1 포토닉 결정 구조 내에 형성되고, The sensing resonator is formed in the first photonic crystal structure, 상기 제2 포토닉 결정 구조는 상기 감지 공진기에 고유한 특정 파장과는 다른 파장으로 전자파를 공진시키는 기준 공진기를 포함하고, The second photonic crystal structure includes a reference resonator for resonating electromagnetic waves at a wavelength different from a specific wavelength inherent to the sensing resonator, 상기 검출기는,The detector, 상기 감지 공진기로부터 방출되는 상기 특정 파장의 전자파의 강도를 나타내는 검출 신호를 제공하는 출력 강도계;An output intensity meter for providing a detection signal indicative of the intensity of the electromagnetic wave of said particular wavelength emitted from said sensing resonator; 상기 기준 공진기로부터 방출되는 전자파의 강도를 제공하는 기준 강도계; 및A reference intensity meter providing an intensity of electromagnetic waves emitted from the reference resonator; And 상기 검출 신호를 상기 기준 신호와 비교하여, 상기 감지 공진기에서의 상기 특정 파장의 전자파의 감쇠량을 구함으로써, 상기 감쇠량의 함수로 상기 대상 물질의 농도를 계산하는 농도계A densitometer which compares the detection signal with the reference signal and calculates the concentration of the target material as a function of the attenuation amount by obtaining the attenuation amount of the electromagnetic wave of the specific wavelength in the sensing resonator 로 포함하는 센서.Including as sensor. 제2항에 있어서,The method of claim 2, 상기 전자파 발생원은 상이한 파장을 포함하는 전자파를 공급함으로써, 상기 감지 공진기는 상기 대상 물질에 의해 정해지는 상기 특정 파장으로 상기 전자파가 공진하도록 하고,The electromagnetic wave source supplies electromagnetic waves including different wavelengths, so that the sensing resonator causes the electromagnetic waves to resonate at the specific wavelength determined by the target material. 상기 검출기는, 상기 감지 공진기로부터 방출되는 상기 특정 파장의 전자파 를 선택하고, 상기 선택된 전자파의 강도에 기초하여 상기 대상 물질의 농도를 계산하는, 센서.The detector selects an electromagnetic wave of the particular wavelength emitted from the sensing resonator and calculates a concentration of the target material based on the intensity of the selected electromagnetic wave. 제2항에 있어서,The method of claim 2, 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,The electromagnetic wave generator sweeps the electromagnetic wave to change the wavelength with time, so that the sensing resonator resonates with the specific wavelength determined by the target material. 상기 검출기는, 상기 감지 공진기로부터 방출되는 상기 특정 파장에서의 전자파의 강도를 인출하고, 상기 전자파의 강도에 기초하여 상기 대상 물질의 농도를 계산하는 것을 특징으로 하는 센서.And the detector extracts the intensity of the electromagnetic wave at the specific wavelength emitted from the sensing resonator and calculates the concentration of the target material based on the intensity of the electromagnetic wave. 제10항 또는 제11항에 있어서,The method according to claim 10 or 11, wherein 상기 센서 도파로는 상기 감지 공진기 및 상기 검출기와 연동해서, 특정 종류의 상기 대상 물질을 검출하기 위한 하나의 검출 유닛을 형성하고,The sensor waveguide, in conjunction with the sensing resonator and the detector, forms one detection unit for detecting the specific type of target material, 상기 센서는, 복수의 검출 유닛을 구비하고, 상기 감지 공진기는 상이한 종류의 대상 물질을 감지하기 위해, 서로 상이한 파장으로 상기 전자파를 공진시키는, 센서.The sensor comprises a plurality of detection units, and the sensing resonator resonates the electromagnetic waves at different wavelengths to sense different kinds of target materials. 제10항 또는 제11항에 있어서, The method according to claim 10 or 11, wherein 상기 감지 공진기에 감응체(reactor)가 설치되고, 상기 감응체는 상기 대상 물질과 반응해서 상기 감지 공진기 내에서 공진하는 파장을 변화시켜, 상기 특정 파장으로 상기 전자파를 공진시키는, 센서.A sensor is installed in the sensing resonator, and the sensing body reacts with the target material to change the resonant wavelength in the sensing resonator, thereby resonating the electromagnetic waves at the specific wavelength. 제10항 또는 제11항에 있어서,The method according to claim 10 or 11, wherein 상기 포토닉 센서 소자는 2개의 감지 공진기를 구비하고, The photonic sensor element has two sensing resonators, 상기 2개의 감지 공진기 중 한쪽의 감지 공진기에는, 상기 대상 물질과 반응해서 상기 감지 공진기 내에서 공진하는 전자파의 파장을 변화시키는 감응체가 설치되고, One sensing resonator of the two sensing resonators is provided with a sensing body that changes the wavelength of electromagnetic waves that react with the target material and resonate in the sensing resonator, 상기 2개의 감지 공진기는 서로 전자기적으로 결합하여 상기 검출기에 출력되는 합성 전자파를 제공하는 것을 특징으로 하는 센서.And the two sensing resonators are electromagnetically coupled to each other to provide a synthesized electromagnetic wave output to the detector. 제10항 또는 제11항에 있어서, The method according to claim 10 or 11, wherein 상기 감지 공진기가 2차원 배열로 복수개 배치되고, A plurality of sensing resonators are arranged in a two-dimensional array, 상기 검출기가 2차원 배열로 복수개 배치되고, 각각이 상기 감지 공진기에 결합되어 각각의 감지 공진기로부터의 상기 특정 파장의 전자파의 강도를 구하며,A plurality of detectors are arranged in a two-dimensional array, each of which is coupled to the sensing resonator to obtain the intensity of electromagnetic waves of the specific wavelength from each sensing resonator, 상기 검출기는 각각의 감지 공진기에 대하여 상기 농도를 구하고, 상기 감지 공진기의 배열에 걸치는 농도 분포를 제공하는, 센서.The detector obtains the concentration for each sense resonator and provides a concentration distribution over the array of sense resonators. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 전자파 발생원은 상이한 파장의 전자파를 공급함으로써, 상기 감지 공 진기는 상기 특정 파장으로 상기 전자파가 공진하도록 하고,The electromagnetic wave source supplies electromagnetic waves of different wavelengths so that the sensing resonator causes the electromagnetic waves to resonate at the specific wavelength, 상기 검출기가 2차원 배열로 복수개 배치되고, 각각이 상기 감지 공진기에 결합되어 상기 특정 파장의 전자파의 강도를 구하며,A plurality of detectors are arranged in a two-dimensional array, each of which is coupled to the sensing resonator to obtain the intensity of the electromagnetic wave of the specific wavelength; 복수의 상기 감지 공진기는 각각 상이한 특정 파장의 전자파를 공진시키도록 구성되고, The plurality of sensing resonators are configured to resonate electromagnetic waves of different specific wavelengths, respectively, 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 것을 특징으로 하는 센서.The plurality of detectors provide a two-dimensional distribution of the different kinds of target materials by detecting the presence of different kinds of target materials based on the intensity of the electromagnetic waves emitted from the sensing resonators, respectively. Sensor. 제2항에 있어서,The method of claim 2, 상기 감지 공진기는 상기 특정 파장의 전자파를 공진시키고,The sensing resonator resonates the electromagnetic wave of the specific wavelength, 상기 감지 공진기에 전자기적으로 결합된 부분에서 상기 센서 도파로 내에 감응체가 설치되고, A sensitive body is installed in the sensor waveguide at a portion electromagnetically coupled to the sensing resonator, 상기 감응체는 상기 대상 물질과 반응해서 상기 센서 도파로와 상기 감지 공진기 사이의 실효 도파로 길이를 변화시킴으로써, 상기 대상 검출기에서 수신된 전자파의 강도를 변화시키며,The sensitive material reacts with the target material to change the effective waveguide length between the sensor waveguide and the sensing resonator, thereby changing the intensity of the electromagnetic wave received at the target detector, 상기 검출기는 상기 전자파의 강도 변화에 기초하여 상기 대상 물질의 농도를 계산하는, 센서.The detector calculates a concentration of the target material based on a change in intensity of the electromagnetic wave. 제2항에 있어서, The method of claim 2, 상기 감지 공진기가 상기 포토닉 센서 소자 내에 2개가 형성되어 서로 전자기적으로 결합되는 동시에, 상기 특정 파장의 전자파를 공진시키도록 구성되며,Two sensing resonators are formed in the photonic sensor element to be electromagnetically coupled to each other, and to resonate the electromagnetic waves of the specific wavelength, 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,A sensitive body is installed in the energy coupling path between the two sensing resonators, and the sensitive body changes the intensity of the electromagnetic wave emitted from the sensing resonator by changing the effective waveguide length of the energy coupling path in response to the target material. And 상기 검출기는 전자파의 강도 변화에 기초하여 상기 대상 물질의 농도를 계산하는, 센서.The detector calculates a concentration of the target material based on a change in intensity of an electromagnetic wave. 제1항에 있어서, The method of claim 1, 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,The photonic sensor element has a first photonic crystal structure and a second photonic crystal structure, wherein the first and second photonic crystal structures are different from each other, and are arranged side by side in a two-dimensional array, 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,The sensor waveguide is composed of an input waveguide and an output waveguide, wherein the input waveguide and the output waveguide extend in parallel with each other, each of which extends over the entire length of the first photonic crystal structure to form the second photonic crystal. Reach within the structure, 상기 감지 공진기는 상기 제1 포토닉 결정 구조 내에서 상기 입력 도파로와 상기 출력 도파로 사이에 배치되고, The sensing resonator is disposed between the input waveguide and the output waveguide within the first photonic crystal structure, 상기 입력 도파로는, 상기 제2 포토닉 결정 구조와 떨어져 있는, 그 길이 방향의 일단에서, 상기 전자파 발생원으로부터의 전자파를 수신하는 입력 포트를 형 성하고,The input waveguide forms an input port for receiving electromagnetic waves from the electromagnetic wave generation source at one end in the longitudinal direction of the second photonic crystal structure, 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,The output waveguide, at one end in its longitudinal direction away from the second crystal structure, forms an output port for emitting electromagnetic waves of the specific wavelength resonating in the sensing resonator, 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, In the input waveguide, at the interface between the first photonic crystal structure and the second photonic crystal structure, an input reflector for reflecting the electromagnetic wave of the specific wavelength toward the output port side is formed, 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, In the output waveguide, at the interface between the first photonic crystal structure and the second photonic crystal structure, an output reflector is formed which reflects the electromagnetic wave of the specific wavelength toward the input port side, 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,In each of the input waveguide and the output waveguide, a sensitive body is formed at a portion connecting across the first photonic crystal structure and the second photonic crystal structure, and the sensitive body reacts with the target material to react with the input material. Varying the intensity of electromagnetic waves received at the detector by varying the reflection efficiency at the reflector and the output reflector, 상기 검출기는 상기 전자파의 강도 변화에 기초하여 상기 대상 물질의 농도를 계산하는, 센서.The detector calculates a concentration of the target material based on a change in intensity of the electromagnetic wave. 제1항에 있어서, The method of claim 1, 환경 상태를 나타내는 환경 파라미터를 모니터하는 제어기를 더 포함하고,Further comprising a controller for monitoring environmental parameters indicative of environmental conditions, 상기 제어기는 상기 환경 파라미터에 기초하여 상기 감지 공진기의 광학 특성을 보정하여 상기 특정 파장으로 전자파를 공진시키는, 센서.The controller resonates the electromagnetic waves at the specific wavelength by correcting optical characteristics of the sensing resonator based on the environmental parameters. 제20항에 있어서,The method of claim 20, 상기 포토닉 센서 소자에 히터가 구비되고 상기 히터는 상기 제어기에 의해 작동하여 상기 감지 공진기의 광학 특성을 보정하는, 센서.And a heater provided in the photonic sensor element, wherein the heater is operated by the controller to correct optical characteristics of the sensing resonator. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 감지 공진기 상에 보충된 상기 대상 물질 또는 불순물을 없애는 리프레쉬 수단을 더 포함하는 센서.And means for refreshing the target material or impurities replenished on the sensing resonator. 제22항에 있어서,The method of claim 22, 상기 리프레쉬 수단은, 상기 포토닉 센서 소자 측에 구비된 히터이며, 열에 의해 상기 대상 물질 또는 불순물을 상기 감지 공진기의 표면으로부터 소산시키는, 센서.And the refreshing means is a heater provided on the photonic sensor element side, and dissipates the target substance or impurities from the surface of the sensing resonator by heat. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 전자파 발생원으로부터 상기 센서 도파로에 공급되는 전자파의 파장 또는 강도 중 하나를 변조하는 변조 수단을 더 포함하는 센서.And modulating means for modulating one of a wavelength or an intensity of an electromagnetic wave supplied from said electromagnetic wave generating source to said sensor waveguide. 전자파를 도입하는 센서 도파로와 상기 센서 도파로에 전자기적으로 결합하여 특정 파장의 전자파를 공진시키는 감지 공진기를 구비하는 포토닉 센서 소자를 사용하여, 대상 물질의 농도를 검출하는 농도 검출 방법에 있어서,A concentration detection method for detecting a concentration of a target material using a photonic sensor element having a sensor waveguide for introducing electromagnetic waves and a sensing resonator electromagnetically coupled to the sensor waveguide and resonating electromagnetic waves of a specific wavelength, the method comprising: 상기 감지 공진기를 상기 대상 물질이 포함되는 분위기 중에 노출시키는 단계;Exposing the sensing resonator in an atmosphere containing the target material; 상기 특정 파장을 포함하는 전자파를 상기 센서 도파로에 도입하는 단계;Introducing an electromagnetic wave including the specific wavelength into the sensor waveguide; 상기 감지 공진기에서 공진하는 전자파의 강도를 검출하는 단계; 및Detecting the intensity of electromagnetic waves resonating in the sense resonator; And 상기 강도를 분석하여 상기 대상 물질의 농도를 계산하는 단계Calculating the concentration of the target material by analyzing the intensity 를 포함하는 농도 검출 방법.Concentration detection method comprising a.
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