KR20110030213A - Resonator sensor based on photonic crystal - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 주도파로(광도파로) 주변에 공진기를 형성하고, 공진기 내에 압력에 따라 굴절률이 변화되는 압전체 물질을 형성하여, 압력이 가해졌을 때 주도파로를 통과하는 광 신호의 변화를 통해 압력을 감지하는 압전체 물질을 이용한 공진기 센서에 관한 것이다.The present invention forms a resonator around a main waveguide (optical waveguide), and forms a piezoelectric material whose refractive index changes in accordance with the pressure in the resonator, so that pressure is sensed through a change in an optical signal passing through the main waveguide when pressure is applied. It relates to a resonator sensor using a piezoelectric material.
센서란 어떤 외부의 자극에 대해 감지할 수 있는 장치나 시스템을 말하며, 압력 센서는 압력을 측정하는 소자로 각종 계측기나 자동제어용, 의료용, 자동차 부품, 환경 감시, 및 각종 가전기기 등 그 용도가 다양하게 사용되고 있으며, 최근에는 보다 소형화되고 정밀도가 높은 성능의 센서에 대한 관심이 높아지고 있다.A sensor is a device or system that can detect any external stimulus. A pressure sensor is a device that measures pressure. Its various uses include various measuring instruments, automatic control, medical, automobile parts, environmental monitoring, and various home appliances. Recently, there has been a growing interest in sensors of smaller and more accurate performance.
현재 실용화되고 있는 압력센서의 측정 원리를 살펴보면, 변위, 전압, 자기-열전도율, 및 진동수 등을 이용하는 것으로, 주로 압력의 변화를 전기적인 신호로 변환하여 측정한다.Looking at the measuring principle of the current pressure sensor, the displacement, voltage, self-thermal conductivity, and the frequency, etc. are used, and the change in pressure is mainly converted into an electrical signal and measured.
하지만, 전기적 신호로 변환하는 압력센서는 별도의 전선의 사용에 따라 구 조적으로 센서 소형화의 어려움 및 전선의 자기가열효과로 인한 측정 오차 발생 등의 문제점이 발생한다. However, the pressure sensor that converts into an electrical signal causes problems such as difficulty in miniaturizing the sensor in accordance with the use of a separate wire and measurement error due to the self heating effect of the wire.
게다가, 벌크 형태의 압전체 물질을 광도파로에 형성하고, 전선을 연결함으로써 제작 공정이 복잡한 문제가 있다.In addition, a bulk piezoelectric material is formed in an optical waveguide and there is a problem in that the manufacturing process is complicated by connecting electric wires.
따라서, 간단한 공정을 통해 구현할 수 있으며 구조적으로 소형화를 이루면서 측정오차가 최소화되는 정밀한 센서 구현이 요구된다.Therefore, it is required to implement a precise sensor that can be implemented through a simple process and to minimize the measurement error while minimizing the structure.
본 발명은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 광 신호가 통과하는 주도파로에 인접하게 공진기를 형성하고, 공진기 내에 압력 등의 외부 변화에 따라 굴절률이 변화되는 압전체 물질을 박막 또는 광결정 구조로 형성하여, 압력이 가해졌을 경우 공진기의 공진 조건을 변화시켜 주도파로를 통과하는 광 신호의 변화를 통해 압력 등의 외부 조건을 감지할 수 있는 압전체 물질을 이용한 공진기 센서를 제공하는 데에 목적이 있다.In order to solve the problems of the prior art, a resonator is formed adjacent to a driving wave path through which an optical signal passes, and a piezoelectric material whose refractive index changes in accordance with an external change in pressure or the like is formed in a thin film or a photonic crystal structure, It is an object of the present invention to provide a resonator sensor using a piezoelectric material capable of detecting external conditions such as pressure by changing a resonant condition of a resonator when a pressure is applied to change an optical signal passing through a main wave path.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 압전체 물질을 이용한 공진기 센서는 광 신호가 통과하는 주도파로에 인접하여 공진기를 형성한다. 그리고, 공진기 내에 압전체 물질을 박막 또는 광결정 구조로 형성하여 외부로부터 일정 압력이 가해질 경우 압전체의 굴절률이 변화하여 공진기의 공진 조건이 변화되어 주도파로를 통과하는 광 신호의 변화를 통해 압력 등의 외부 인자 특성을 검출할 수 있다. In order to achieve the above object, the resonator sensor using the piezoelectric material of the present invention forms a resonator adjacent to a driving wave path through which an optical signal passes. When the piezoelectric material is formed into a thin film or photonic crystal structure in the resonator and a predetermined pressure is applied from the outside, the refractive index of the piezoelectric body changes, the resonance condition of the resonator changes, and an external factor such as pressure through a change of an optical signal passing through the main wave path. The characteristic can be detected.
본 발명은 광 신호의 입출력 세기의 차이에 따라 광 신호의 특성을 감지하는 광센서에 있어서, 코어와, 상기 코어를 감싸는 클래딩으로 형성되는 주도파로를 포함하고, 상기 주도파로와 인접하여 위치하며, 코어를 감싸는 클래딩의 소정부분에 박막 또는 광결정 구조로 형성한 압전체 물질을 포함하는 공진기를 포함할 수 있 다. The present invention is an optical sensor for detecting the characteristics of the optical signal according to the difference in the input and output strength of the optical signal, comprising a core, a leading wave formed by the cladding surrounding the core, is located adjacent to the leading wave, A predetermined portion of the cladding surrounding the core may include a resonator including a piezoelectric material formed of a thin film or photonic crystal structure.
이때, 주도파로로 인가되는 광 신호 중 공진기의 공진조건(공진 주파수)에 맞는 파장만 주도파로와 공진기가 인접하여 형성되는 광 결합 부분을 통과하면서 공진기를 이루는 공진 도파로 내로 전달되며, 공진 도파로에 존재하는 압전체 물질에 압력이 인가되면 굴절률이 변화된다. 그리고, 굴절률이 변화된 공진기는 공진조건이 변화되어 주도파로 주도파로를 통과하는 광 신호의 변화를 발생시켜 출력 파장 변화를 통해 압력을 감지할 수 있다.At this time, only wavelengths that meet the resonance conditions (resonance frequency) of the resonator among the optical signals applied to the main waveguide are transmitted into the resonant waveguide forming the resonator while passing through the optical coupling portion formed adjacent to the main waveguide and exist in the resonant waveguide. When pressure is applied to the piezoelectric material, the refractive index changes. In addition, the resonator having the changed refractive index may change the resonance condition to generate a change in the optical signal passing through the main waveguide as the main wave to sense the pressure through the change of the output wavelength.
본 발명에서 상기 공진기는 링형, 디스크형, 및 다각형 중 선택되는 어느 하나의 형태로 형성될 수 있으며, 상기 공진기 내의 압전체 물질은 상기 주도파로와 원거리에 형성될 수 있다.In the present invention, the resonator may be formed in any one form selected from a ring, disk, and polygon, and the piezoelectric material in the resonator may be formed at a distance from the main wave path.
그리고, 상기 공진기가 링형일 경우에는 코어를 감싸는 클래딩으로 형성되는 공진 도파로가 링형으로 형성되며, 상기 공진기가 다각형일 경우, 일자형의 공진 도파로를 다수개 연결하여 다각형을 형성할 수 있다. When the resonator is a ring type, the resonant waveguide formed by the cladding surrounding the core is formed in a ring shape. When the resonator is a polygon, a plurality of linear resonant waveguides may be connected to form a polygon.
이때, 다각형을 형성하는 공진 도파로는 주도파로와 평행하게 형성하며, 일자형의 공진 도파로가 연결되는 부분에는 광경로 변경부재를 형성하여 광 신호를 반사시킬 수 있다.In this case, the resonant waveguide forming the polygon may be formed in parallel with the main waveguide, and the optical path changing member may be formed at a portion to which the straight resonance waveguide is connected to reflect the optical signal.
본 발명에서 압전체 물질은 공진기를 이루는 광도파로의 상면 또는 측면에 박막 또는 광결정 구조로 형성할 수 있으며, 산화아연(ZnO), 질화알루미늄(AlN), 황화카드뮴(CdS), 및 피지티(PZT) 중 선택되는 하나의 물질로 형성할 수 있으며, 바람직하게는 산화아연(ZnO)으로 형성할 수 있다.In the present invention, the piezoelectric material may be formed as a thin film or a photonic crystal structure on the upper surface or the side of the optical waveguide forming the resonator, and may be zinc oxide (ZnO), aluminum nitride (AlN), cadmium sulfide (CdS), and pZT (PZT). It may be formed of one material selected from among, and preferably formed of zinc oxide (ZnO).
본 발명에 의하면 공진기 내에 압전체 물질을 구비하고 공진파장의 변화를 통해 수반되는 광의 입출력 세기 차로 외부조건(압력)을 판단함으로써 전기 분극 형상을 추출하는 센서 형태보다 민감하고 정밀한 광 센서 구현이 가능한 효과가 있다. According to the present invention, the piezoelectric material is provided in the resonator and the external condition (pressure) is determined by the input / output intensity difference of light accompanied by the change of the resonant wavelength. have.
또한, 주도파로에 인접하게 공진기를 형성하여 압력을 판단하는 것으로, 주도파로에 직접적인 식각 등의 공정을 진행하지 않기 때문에 하나의 주도파로와 공진기를 사용하여 외부조건을 달리하여 여러번 실험을 실행하여 신뢰성 있는 광센서를 형성할 수 있는 효과가 있다. In addition, the pressure is determined by forming a resonator adjacent to the main wave path, and since the process such as direct etching is not performed on the main wave path, the experiment is performed several times by using a single main wave path and a resonator to vary the external conditions. There is an effect that can form a light sensor.
그리고, 본 발명은 주도파로에 인접하게 공진기를 형성하여 외부조건의 특성을 감지하는 것으로, 마흐-젠더(Mach-Zehnder) 전계광학 변조기(ElEcterooptic Mofulator) 등 다양한 형태로의 광 공진기 센서로 응용이 가능한 효과가 있다.In addition, the present invention is to detect the characteristics of the external conditions by forming a resonator adjacent to the main wave path, it can be applied to various types of optical resonator sensor such as Mach-Zehnder electro-optic modulator (ElEcterooptic Mofulator) It works.
센서란 외부의 자극에 대해 감지할 수 있는 장치로서, 그 중 광을 이용하는 광센서는 가장 높은 정밀도를 나타낸다. 이에, 높은 정밀도를 갖는 광센서를 이용하여 압력을 감지할 수 있도록 압전체 물질을 박막 또는 광결정 구조로 사용하여 공진기 센서를 제조하는 방법을 설명하고자 한다. A sensor is a device capable of sensing external stimuli, among which an optical sensor using light shows the highest precision. Thus, a method of manufacturing a resonator sensor using a piezoelectric material as a thin film or a photonic crystal structure so as to sense pressure using an optical sensor having high precision will be described.
특히, 본 발명의 공진기를 사용한 광센서는 주도파로에 입사되는 광 신호 중 공진기의 공진 주파수에 해당하는 광 신호만 공진기와 결합하여 공진기로 이동하는 데 이때, 공진기에 형성된 압전체 박막 또는 압전체 광결정에 일정 압력이 가해지면 굴절률이 변화하여 공진 조건이 변화하게 되고, 공진기와 결합되는 광 신호의 공진 주파수가 변화하게 된다. 이에 따라 주도파로를 통과하는 광 신호 중 공진기와 결합되는 신호의 파장이 변화하게 되고, 이를 통해 압력 등의 외부 인자 특성을 검출할 수 있다.Particularly, the optical sensor using the resonator of the present invention moves only the optical signal corresponding to the resonant frequency of the resonator among the optical signals incident on the main waveguide to the resonator, and at this time, the piezoelectric thin film or piezoelectric photonic crystal formed in the resonator is fixed. When pressure is applied, the refractive index changes to change the resonance condition, and the resonance frequency of the optical signal coupled to the resonator changes. Accordingly, the wavelength of the signal coupled to the resonator of the optical signal passing through the main waveguide is changed, and through this, external factor characteristics such as pressure can be detected.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 하기의 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하며, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. In adding reference numerals to components of the following drawings, it is determined that the same components have the same reference numerals as much as possible even if displayed on different drawings, and it is determined that they may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention. Detailed descriptions of well-known functions and configurations will be omitted.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 링형 공진기를 포함하는 광센서를 나타낸 도면이다.1 is a view showing an optical sensor including a ring resonator according to an embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 공진기를 포함하는 광센서는 광이 통과하는 하나의 주도파로(100)와, 상기 주도파로(100)와 인전하게 형성된 공진기(200)를 포함하며, 도면에는 도시하지 않았지만 주도파로(100)와 공진기(200)를 하나의 기판 상에 서로 인 접하여 배치함으로써 구성할 수 있다.Referring to FIG. 1, an optical sensor including a resonator includes one
주도파로(100)는 일반적인 광도파로로서, 굴절률이 낮은 클래딩층과 상대적으로 굴절률이 놓은 코어층으로 형성되며, 코어층은 클래딩층 내부에 삽입되어 광 신호를 전송한다. 그리고, 주도파로(100)의 양단은 광 신호가 입력되는 입력단(102)과 광 신호가 출력되는 출력단(104)을 포함한다.The
공진기(200)는 링형, 디스크형, 다각형 등 여러가지 형태를 나타낼 수 있으며, 본 도면에서는 링형으로 형성할 수 있다.The
링형 공진기(200)는 주도파로(100)와 동일하게 일반적인 광도파로로 형성되며 링형을 이루는 공진 도파로(210)를 형성할 수 있다. - 본 발명에서 주도파로와 공진 도파로 모두 코어층과 클래딩층으로 형성된 광도파로를 사용하며, 구별을 쉽게 하기 위해 공진기에 사용되는 광도파로를 공진 도파로로 명명한다 -The
이때, 공진 도파로(210)와 주도파로(100)가 인접하는 부분은 광결합 부분(110)으로 주도파로(100)를 통과하는 광 신호는 공진 도파로의 공진 조건에 따라 분기되어 조건에 맞는 파장의 광 신호가 공진 도파로(210)로 전송된다. At this time, the portion where the
공진 도파로(210)는 소정 부분에 압전체 물질(220)을 포함하며, 압전체 물질(220)은 주도파로(100)와 원거리에 형성되며, 산화아연(ZnO), 질화알루미늄(AlN), 황화카드뮴(CdS), 및 피지티(PZT) 중 선택되는 하나의 물질로 형성중 선택되는 어느 하나의 물질로 형성할 수 있으며, 바람직하게는 산화아연(ZnO)으로 형성할 수 있다.The
그리고, 압전체 물질(220)은 공진 도파로(210)의 클래딩 층의 소정부분을 식 각하여 박막 또는 광결정 구조로 구현할 수 있다.The
또한, 압전체 물질(220)은 압력 등의 외부조건에 따라 굴절률이 변화되어 공진 도파로(210)의 공진조건을 변화시켜 광결합 부분(110)에서 분기되어 공진기(200)로 입력되는 광 신호를 변화시켜 주도파로(100)를 통해 출력되는 광 신호를 변화시킨다.In addition, the
도 1의 링형 공진기를 포함하는 광센서의 작동을 살펴보면, 주도파로(100)의 입력단(102)을 통해 입력된 광 신호가 주도파로(100)를 따라서 진행하다가 주도파로(100)와 인접하여 위치한 공진기(200)의 광결합 부분(110)에서 분기되어 공진기(200)의 공진조건에 해당하는 파장의 광 신호가 공진기(200)로 전달된다.Referring to the operation of the optical sensor including the ring-shaped resonator of Figure 1, the optical signal input through the
공진기(200)에 입력된 광 신호는 공진기(200)의 소정부분(상면의 전부 또는 일부, 측면)에 형성된 압전체 물질(220)에서 피 측정인자인 압력 등의 외부조건에 반응하여 굴절률이 변화하며, 이에 따라 공진기(200)의 유효 굴절률 역시 변화하게 된다.The optical signal input to the
그리고, 공진기(200)의 유효 굴절률이 변화함에 따라 주도파로(100)에서 공진기(200)로의 광결합 조건(공진조건)이 변경된다. 이때, 공진기(200)에 인가되는 압력 등에 대응하여 공진기(200)의 유효 굴절률이 바뀌며 이에 따라 주도파로(100)의 출력단(104)을 통해 출력되는 광의 신호(세기, 위상 등)가 달라지게 되므로 압력 등의 외부 인자 특성을 검출할 수 있다.As the effective refractive index of the
즉, 도 1의 링 공진기 기반의 광센서는 입력된 광이 광도파로(주도파로)를 따라 진행하다가 광도파로 옆에 위치한 링 공진기의 공진 조건에 맞는 파장만 결합 되고, 결합되지 않은 파장은 출력 광도파로(주도파로)를 따라 진행하게 된다. That is, in the ring resonator-based optical sensor of FIG. 1, the input light travels along the optical waveguide (main waveguide), and only wavelengths corresponding to the resonance conditions of the ring resonator located next to the optical waveguide are combined. Proceed along the waveguide (main waveguide).
그리고, 링 공진기 내의 광도파로(공진 도파로) 위상변화에 따라 결합 공진 조건이 달라짐으로 위상변화를 다르게 하여 원하는 출력 파장을 얻을 수 있다. 이때, 링 공진기의 상면 또는 측면에 형성된 압전체의 굴절률 변화에 따라 공진기의 공진조건이 바뀌게 되고, 이에 따라 출력되는 파장의 변화를 감지할 수 있다.In addition, since the coupling resonance condition is changed according to the phase change of the optical waveguide (resonant waveguide) in the ring resonator, the desired output wavelength can be obtained by changing the phase change. At this time, the resonance condition of the resonator is changed according to the change of the refractive index of the piezoelectric body formed on the upper surface or the side of the ring resonator, and thus the change of the output wavelength can be detected.
그리고, 파장이 변화된 광 신호가 광결합 영역에서 다시 광도파로(주도파로)를 통과하는 광 신호와 결합하여 출력단(104)을 통해 출력되는 광 신호의 특성을 측정하여 외부인자(압력)를 검출할 수 있다.In addition, the optical signal whose wavelength is changed is combined with the optical signal passing through the optical waveguide (main waveguide) again in the optical coupling region to measure the characteristics of the optical signal output through the
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 삼각형 공진기를 포함하는 광센서를 나타낸 도면이다.2A and 2B are views illustrating an optical sensor including a triangular resonator according to an embodiment of the present invention.
도 2a를 참조하면, 도 1에서 링 공진기 대신 삼각형 공진기를 사용한 것으로, 주도파로(100)에 관한 내용은 동일하다.Referring to FIG. 2A, the triangular resonator is used instead of the ring resonator in FIG. 1, and the contents of the
도 2a의 공진기(200)는 삼각형의 세 변을 이루는 세 개의 공진 도파로(210A, 210B, 210C)를 포함하며, 하나의 공진 도파로(210A)가 주도파로(100)와 평행되게 형성한다.The
그리고, 공진 도파로(210A, 210B, 210C) 중 적어도 하나 이상의 공진 도파로(210A, 210B, 210C)에 압전체 물질(220)을 형성하고, 각각의 공진 도파로(210A, 210B, 210C)는 광경로 변경 부재(230A, 230B, 230C)- 예를 들면, 전반사 미러-를 통해 연결한다. The
이때, 주도파로(100)와 인접하는 공진도파로(210A) 상에 압전체 물질(220)을 형성할 경우에는 도 2b에서와 같이 주도파로(100)의 광결합 부분(110)에 압전체 물질(220)을 형성할 수 있다. 그리고, 이와 같이 광결합 부분(110)에 압전체 물질(220)을 형성하는 방법은 도 2b의 삼각형 형태의 공진기에 한정하여 사용하는 것이 아니라 다각형 및 링형 공진기 등에도 사용할 수 있다.In this case, when the
압전체 물질(220)은 도 1의 링형태의 공진 도파로 상에 구성되는 압전체 물질과 동일하며, 구조 및 형태 역시 동일하게 형성할 수 있다. The
광경로 변경 부재(230A, 230B, 230C)는 공진 도파로(210A, 210B, 210C)의 각 변을 구성하는 광도파로들이 접속되는 지점인 꼭지점 영역에 배치되어 광 신호를 전반사시킨다.The optical
도 2a 및 도 2b에서는 공진기를 삼각형으로 한정하여 3개의 공진 도파로 및 광경로 변경 부재를 사용하였으나, 본 발명은 이에 한정하지 않고 사각형 등 다각형의 공진기를 구성할 수 있으며, 다각형의 공진기 구성 시 공진 도파로 중 적어도 하나 이상의 공진 도파로 상에 압전체 물질을 형성하여 외부 조건(압력)에 따른 광의 굴절률 변화와 그에 따른 공진 파장의 변화를 유도할 수 있다.In FIGS. 2A and 2B, three resonator waveguides and optical path changing members are used by restricting the resonator to a triangle. However, the present invention is not limited thereto, and a polygonal resonator, such as a quadrangle, may be configured. The piezoelectric material may be formed on at least one of the resonant waveguides to induce a change in refractive index of light and a change in resonant wavelength according to an external condition (pressure).
도 2a의 삼각형 공진기를 포함하는 광센서의 작동을 살펴보면, 도 1의 링형 공진기를 포함하는 광센서의 작동과 유사하다.The operation of the optical sensor including the triangular resonator of FIG. 2A is similar to that of the optical sensor including the ring resonator of FIG. 1.
좀더 자세하게, 주도파로(100)의 입력단(102)을 통해 입력된 광 신호는 주도파로(100)를 따라서 진행하다가 광 결합 영역(110)에서 삼각형 형태의 공진기(200) 중 주도파로(100)와 평행한 공진 도파로(210A)와 결합된다.In more detail, the optical signal input through the
공진 도파로(210A)에 결합된 광 신호는 공진 도파로(210A, 210B, 210C)의 각 꼭지점에 형성된 광경로 변경 부재(230A, 230B, 230C)에 의해 반사되어 공진 도파로(210A, 210B, 210C) 내를 시계방향으로 진행하게 되며, 진행하던 광 신호가 외부 인자와 반응한 압전체 물질(220)에 의해 변화된 공진 도파로의 유효 굴절률에 따라 위상이 변화하여 결합 공진조건이 달라지게 된다.The optical signal coupled to the
이어서 공진 도파로(210A, 210B, 210C) 내를 진행하던 광 신호는 광 결합 영역(110)에서 주도파로(100)로 결합되어 출력단(104)을 통해 출력된다.Subsequently, the optical signals traveling in the
이와 같이 공진 도파로(210A, 210B, 210C)의 압전체 물질(220)에 반응하는 압력 등의 외부인자에 대응하여 공진 도파로(210A, 210B, 210C)의 공진조건이 변경되므로, 주도파로(100)의 출력단(104)을 통해 출력되는 광 신호의 세기를 측정하여 외부 인자의 특성을 검출할 수 있다.As described above, since the resonance conditions of the
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 디스크형 공진기를 포함하는 광센서를 나타낸 도면으로 도 3a는 상면도이고, 도 3b는 측면도이다.3A and 3B illustrate an optical sensor including a disc resonator according to an embodiment of the present invention. FIG. 3A is a top view and FIG. 3B is a side view.
도 3a 및 도 3b를 참조하면, 도 1에서 링형태의 공진기 대신 디스크 형태의 공진기를 사용한 것으로, 주도파로(100)에 관한 내용은 동일하며, 디스크 형태의 공진기(200) 역시 링 형태의 공진기와 동일하게 클래드 영역의 소정부분에 압전체 물질(210)을 포함한다.Referring to FIGS. 3A and 3B, the disk-type resonator is used instead of the ring-shaped resonator in FIG. 1, and the contents of the
도 3a 및 도 3b의 디스크 형태의 공진기(200)는 주도파로(100)의 입력단(102)을 통해 입력된 광 신호가 주도파로(100)를 따라 진행하다가 디스크 형태의 공진기(200)의 공진조건에 맞는 파장이 결합되어 결합된 파장은 공진기(200)로 입력되고, 결합되지 않은 파장은 출력단(104)을 향해 진행한다. In the disc-shaped
그리고, 디스크 형태의 공진기(200) 내의 위상변화에 따라 결합 공진 조건이 달리짐으로 위상변화를 다르게 하여 원하는 출력 파장을 얻을 수 있다.In addition, as the coupling resonance condition is changed according to the phase change in the
디스크 형태의 공진기(200) 클래드 영역에 형성된 유전체 물질(210)은 피 측정인자인 압력 등에 반응하게 되고, 이에 의해 공진기(200)의 유효 굴절률이 변화한다. 변화된 유효 굴절률에 따라 주도파로(100)에서 공진기(200)로의 광 결합 조건이 변경된다. The
이때, 공진기(200)의 클래드 영역에 인가되는 압력 등에 대응하여 공진기(200)의 유효 굴절률이 바뀌게 되고, 이에 따라 주도파로(100)의 출력단(104)을 통해 출력되는 빛의 양이 달라지게 됨으로 압력 등의 외부인자 특성을 검출할 수 있다.In this case, the effective refractive index of the
도 1, 도 2a 및 도 2b, 도 3a 및 도 3b는 모두 압전체 물질을 포함하는 공진기가 주도파로에 인접하게 형성된 구조로서, 사용되는 주도파로, 공진 도파로는 모두 동일하며 광 신호의 변화에 따른 외부인자(압력)의 특성을 검출하는 방법 역시 유사하다. 다만 공진기의 형태에 따라 압전체 물질이 공진기 내에 형성되는 위치 및 부가적으로 요구되는 부품(광 경로 변경 부재) 등의 차이가 존재한다.1, 2A, 2B, 3A, and 3B are all a structure in which a resonator including piezoelectric material is formed adjacent to a driving wave path, and the driving wave used is the same, and the resonant waveguides are the same, and the external signal is changed according to the change of the optical signal. The method of detecting the characteristics of the factor (pressure) is similar. However, there are differences in the position where the piezoelectric material is formed in the resonator and additionally required components (light path changing member), etc., depending on the shape of the resonator.
상기의 도면들에서는 압전체 물질이 공진기 내 즉, 공진 도파로 상에 형성되는 방법에 대하여 간략하게 살펴보면, 코어와 클래딩으로 형성된 공진 도파로에서 코어의 상단에 형성되는 클래딩 또는 클래딩으로만 형성된 부분의 소정 부분을 식각하여 노출된 클래딩층에 압전체 물질을 박막 형태로 형성하거나, 노출된 클래딩 층에 나노 패턴 또는 선택적 성장 방법을 사용하여 압전체 물질을 광결정 구조로 형성할 수 있다. In the drawings, the piezoelectric material is briefly described in the resonator, that is, on the resonant waveguide. In the resonant waveguide formed of the core and the cladding, a predetermined portion of the cladding or the cladding formed only on the top of the core is formed. The piezoelectric material may be formed in a thin film form on the exposed cladding layer by etching, or the piezoelectric material may be formed on the exposed cladding layer using a nano pattern or a selective growth method to form a photonic crystal structure.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 마흐-젠더 전계광학 변조기 센서를 나타낸 도면이다.4A and 4B illustrate a Mach-gender electro-optic modulator sensor according to an embodiment of the present invention.
마흐-젠더(Mach-Zehnder) 전계 광학 변조기(Elecrerooptic Modulator) 광 소자는 빛이 광도파로를 따라 진행하다가 광도파로의 분기에 의해 갈라져서 진행하고, 분기된 한 쪽에 외부 인자(압력)에 변화를 주어 위상 변화가 생기고, 광경로차에 의해 변조된 위상변호를 추출하면 외부 인자의 신호를 복조해 낼 수 있다. 좀더 자세하게, 분기된 한쪽의 광도파로의 상면에 압전체의 굴절률 변화에 따라서 위상변화가 생기고 광경로차에 의해 변조된 위상 변화를 추출할 수 있다.A Mach-Zehnder elecrerooptic modulator optical element travels along an optical waveguide and then splits off by branching into the optical waveguide, changing the external factor (pressure) on one side of the phase to change the phase When a change occurs and the phase shift modulated by the optical path difference is extracted, a signal of an external factor can be demodulated. In more detail, a phase change occurs on the upper surface of one branched optical waveguide according to the change of the refractive index of the piezoelectric body, and the phase change modulated by the optical path difference can be extracted.
일반적인 광결정 구조의 광도파로는 파장보다 짧은 간격으로 광결정이 배치되는데, 이러한 광결정 구조를 통해 마흐-젠더 전계광학 변조기 광센서를 구현하게 되면 최소한의 단위면적으로 광도파로의 유효굴절률의 변화를 측정할 수 있다.The optical waveguides of the general photonic crystal structure are arranged at shorter intervals than the wavelength. When the Mach-Gender electro-optic modulator optical sensor is implemented through this photonic crystal structure, the change in effective refractive index of the optical waveguide can be measured with a minimum unit area. have.
또한, 광도파로에 광결정을 형성하면 특정 파장만 통과하고, 옆에 다른 광도파로를 위치시키면 특정 파장만 통과하지 못하게 된다. 이러한 특정 파장의 광특성은 광결정의 굴절률이 바뀌게 되면 공진 특성이 바뀌게 되어 공진 파장이 이동하거나 광경로차에 의한 위상변화를 발생시킨다. In addition, when a photonic crystal is formed in an optical waveguide, only a specific wavelength passes, and if another optical waveguide is placed next to the optical waveguide, only a specific wavelength does not pass. When the refractive index of the photonic crystal is changed, the optical characteristic of the specific wavelength changes the resonance characteristic, causing the resonance wavelength to shift or the phase change due to the optical path difference.
즉, 광결정 구조의 압전체 굴절률이 바뀌게 되면 공진조건이 변하게 되어 출력이 달라지거나 위상변화가 발생하므로 출력되는 파장의 변화를 측정할 수 있다.In other words, when the piezoelectric refractive index of the photonic crystal structure is changed, the resonance condition is changed, and thus the output is changed or a phase change occurs, so that the change in the output wavelength can be measured.
도 4a를 참조하면, 마흐-젠더 전계 광학 변조기를 구성하는 두 개의 광도파로 중 하나의 광도파로를 주도파로로 하여 도 2a의 삼각형 형태의 공진기를 추가 구성하여 광 센서를 형성한 것이다. 이때 공진기의 형태는 링형, 다각형, 또는 디스크형으로 선택하여 형성할 수 있다.Referring to FIG. 4A, an optical sensor is formed by additionally configuring a triangular resonator of FIG. 2A using one optical waveguide of the two optical waveguides constituting the Mach-Gender field optical modulator as the main waveguide. In this case, the resonator may be formed in a ring shape, a polygon shape, or a disk shape.
이렇게 형성된 광센서의 광 신호 흐름을 살펴보면, 입력단(302)에 입사된 광 신호는 서로 다른 두 개의 광도파로(310, 320)를 거쳐 다시 하나의 빛으로 합쳐진 후 출력단(304)으로 출사된다. Looking at the optical signal flow of the optical sensor formed as described above, the optical signal incident on the
이때 한쪽 광도파로(310)를 통해 입사된 광 신호는 해당 광도파로(310)와 평행하게 배치된 공진 도파로(330A, 330B, 330C)를 구성하는 광도파로로 결합되어 공진 도파로(330A)로 입력된다. At this time, the optical signal incident through the one
공진 도파로(330)로 입력된 광 신호는 공진 도파로(330A)의 꼭지점에 배치된 광 경로 변경 부재(340A, 340B, 340C)에 의해 반사되어 공진 도파로(330A, 330B, 330C)를 주회한다.The optical signal input to the resonant waveguide 330 is reflected by the optical
각각의 광 경로 부재(340A, 340B, 340C) 사이의 공진 도파로(330B, 330C)의 상부 또는 측면(도 4b참조)에 형성된 압전체 물질(350A, 360B)에서 압력 등의 외부인자와 반응하며, 압전체 물질(350A, 360B)에서 반응하는 압력 등의 외부인자에 따라 공진 도파로(330A, 330B, 330C)의 유효 굴절률을 변화시킨다.Reacts with external factors such as pressure in
이러한 공진 도파로(330A, 330B, 330C)의 유효 굴절률의 변화에 의해 공진 도파로(330A, 330B, 330C) 내를 주회하는 광 신호는 공진 도파로(330A, 330B, 330C)부터 마흐-젠더 전계광학 변조기를 구성하는 광도파로(310, 320) 중에서 공진 도파로(330A)와 평행하는 광도파로(310)의 광 신호와 재결합하여 위상이 변한다.Due to the change in the effective refractive index of the
따라서, 마흐-젠더 전계광학 변조기의 서로 다른 두 개의 광도파로(310, 320)를 통과하는 광 신호의 위상 차이에 따른 광 신호 간의 보강 또는 상쇄간섭이 발생하므로, 마흐-젠더 전계 광학 변조기의 출사구를 통해 출력되는 광 신호를 측정하여 압력 등의 외부인자의 특성을 검출할 수 있다.Therefore, since the constructive or destructive interference between optical signals due to the phase difference of the optical signals passing through two different
상기와 같이, 본 발명의 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.As described above, it has been described with reference to a preferred embodiment of the present invention, but those skilled in the art various modifications and changes of the present invention without departing from the spirit and scope of the invention described in the claims below I can understand that you can.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 링형 공진기를 포함하는 광센서를 나타낸 도면.1 is a view showing an optical sensor including a ring resonator according to an embodiment of the present invention.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 삼각형 공진기를 포함하는 광센서를 나타낸 도면.2A and 2B illustrate an optical sensor including a triangular resonator according to an embodiment of the present invention.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 디스크형 공진기를 포함하는 광센서를 나타낸 도면.3A and 3B illustrate an optical sensor including a disc resonator according to an embodiment of the present invention.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 마흐-젠더 전계광학 변조기 센서를 나타낸 도면.4A and 4B illustrate a Mach-gender electro-optic modulator sensor according to an embodiment of the present invention.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명> <Explanation of symbols for the main parts of the drawings>
100 : 주도파로 102, 302 : 입력단100:
104, 304 : 출력단 110 : 광결합 영역104, 304: output 110: optical coupling region
200 : 공진기 200: resonator
210, 210A, 210B, 210C, 330A, 330B, 330C : 공진 도파로Resonant waveguide: 210, 210A, 210B, 210C, 330A, 330B, 330C
220, 350A, 360B : 압전체 물질 220, 350A, 360B: Piezoelectric Materials
230A, 230B, 230C, 340A, 340B, 340C : 광경로 변경부재230A, 230B, 230C, 340A, 340B, 340C: light path changing member
300 : 마흐-젠더 전계광학 변조기 센서300: Mach-gender electro-optic modulator sensor
310, 320 : 광도파로310, 320: optical waveguide
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Cited By (3)
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KR20140112866A (en) * | 2013-03-14 | 2014-09-24 | 삼성전자주식회사 | Biophotonic sensor and bio sensing system |
CN107703101A (en) * | 2017-09-25 | 2018-02-16 | 电子科技大学 | Biology sensor based on 1-D photon crystal coupling micro-loop chamber |
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KR100839969B1 (en) * | 2006-11-03 | 2008-06-19 | 중앙대학교 산학협력단 | Micro resonator sensor |
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2009
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Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR20140112866A (en) * | 2013-03-14 | 2014-09-24 | 삼성전자주식회사 | Biophotonic sensor and bio sensing system |
CN107703101A (en) * | 2017-09-25 | 2018-02-16 | 电子科技大学 | Biology sensor based on 1-D photon crystal coupling micro-loop chamber |
CN107703101B (en) * | 2017-09-25 | 2021-04-20 | 电子科技大学 | Biosensor based on one-dimensional photonic crystal coupling micro-ring cavity |
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