KR20120042458A - 비대칭 마흐-젠더 간섭계를 포함한 링 공진기 센서, 이러한 링 공진기를 구비한 자기 참조 도파로 센서 및 이러한 링 공진기 센서를 구비한 마이크로 공진기 센서 장치 - Google Patents

비대칭 마흐-젠더 간섭계를 포함한 링 공진기 센서, 이러한 링 공진기를 구비한 자기 참조 도파로 센서 및 이러한 링 공진기 센서를 구비한 마이크로 공진기 센서 장치 Download PDF

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Abstract

비대칭 마흐-젠더 간섭계를 포함한 링 공진기 센서, 이러한 링 공진기를 구비한 자기 참조 도파로 센서 및 이러한 링 공진기 센서를 구비한 센서 장치가 개시되어 있다. 비대칭 마흐-젠더 간섭계를 포함하는 링 공진기 센서는 광원으로부터 광신호를 전달받아 적어도 두 개의 동일하지 않은 구조의 암을 통해 진행시키는 비대칭 마흐-젠더 간섭계와 상기 비대칭 마흐-젠더 간섭계의 적어도 하나의 암에서 광신호를 전달받아 상기 광신호의 특정 파장에서 공진하는 링 공진기를 포함하는 비대칭 마흐-젠더 간섭계를 포함할 수 있다. 따라서, 비대칭 마흐-젠더 간섭계를 사용하여 기존의 링 공진기 센서에 비해 향상된 감도를 가짐으로서 센서의 안정성을 향상시켰을 뿐만 아니라 링 공진기 센서를 이용한 센서를 구현시 집적화하여 제작할 수 있어 센서의 크기를 소형화할 수 있다.

Description

비대칭 마흐-젠더 간섭계를 포함한 링 공진기 센서, 이러한 링 공진기를 구비한 자기 참조 도파로 센서 및 이러한 링 공진기 센서를 구비한 마이크로 공진기 센서 장치{RINGRESONATOR SENSOR INCLUDING ASYMMETRIC MACH-ZEHNDER INTERFEROMETER, SELF-REFERENCE WAVEGUIDE INCLUDING THE SAME AND MICRORESONATOR APPARATUSES FOR SENSING INCLUDING THE SAME}
본 발명은 링 공진기 센서, 자기 참조 도파로 센서 및 링 공진기 센서를 구비한 마이크로 공진기 센서 장치에 관한 것으로 더욱 상세하게는 측정대상물질을 탐지함에 있어서 비대칭 마흐-젠더 간섭계를 이용한 링 공진기 센서, 자기 참조 도파로 센서 및 마이크로 공진기 센서 장치에 관한 것이다.
표면 플라즈몬 공명(Surface Plasmon Resonance, 이하 SPR이라고 함)은 금속 박막 표면에서 일어나는 전자들의 집단적인 진동(Collective Charge Density Oscillation)이며, 이러한 전자들의 진동에 의해 발생한 표면 플라즈몬 파는 금속과 유전체의 경계면을 따라 진행하는 표면 전자기파이다.
SPR은 전반사(Total Internal Reflection) 현상을 기본 원리로 한다. 전반사는 입사광이 굴절률이 높은 매질에서 낮은 매질로 진행할 때 어떤 특정 입사각(임계각) 이상이 되면 모든 광은 다른 매질로 굴절되지 않고 반사되는 현상을 말한다. 이때 소산파(Evanescent field wave)라고 불리는 전자기파 성분이 굴절률이 낮은 매질로 진행하게 되는데, 소산파의 침투 깊이는 입사광 파장 정도의 길이와 같고, 그 세기는 경계면에서 지수 함수적으로 감소한다. 만약 전반사 현상이 일어나는 계면에 금속과 같은 얇은 두께의 전도성 막을 입히면 전반사가 일어나는 조건에서 SPR 현상이 나타나게 된다.
즉, 입사파는 금속박막의 경계면에서 전반사되고 소산파(Evanescent Wave)는 경계면에서 금속박막 속으로 지수 함수적으로 감소되지만 특정한 입사각과 박막의 두께에서는 경계면을 따라 진행하는 표면 플라즈몬 파의 위상이 일치할 경우 공명이 일어나게 된다. 이 때 입사파의 에너지는 모두 금속박막에 흡수되어 반사파는 없어지고, 경계면에 수직한 방향의 전기장의 분포는 지수 함수적으로 경계면에서 가장 크고 금속 박막 속으로 갈수록 급격히 감소하는 현상이 발생하고 이를 표면 프라즈몬 공명(SPR, Surface Plasmon Resonance)라고 한다. 그리고 입사한 광의 반사도가 급격하게 감소하는 각도를 표면 플라즈몬 공명각(Surface Plasmon Resonance Angle:
Figure pat00001
)라고 한다.
표면 플라즈몬 파는 입사면에 평행하게 진동하는 파로서 p-polarization 성분을 가지므로 표면 플라즈몬의 여기는 TM 편광된 전자기파에 의해 가능하다.
TM 편광된 전자기파의 조건을 이용하여 Maxwell 방정식을 전개하면 p-편광된 표면 플라즈몬 파의 분산 관계식이 얻어지고 입사광에 의해 금속표면과 시료 사이에서 여기된 표면 플라즈몬의 파수 벡터(
Figure pat00002
)로 표현을 하면 아래와 같이 수학식 1로 표현할 수 있다.
Figure pat00003
여기서
Figure pat00004
는 금속의 실수부 유전률이고,
Figure pat00005
는 시료의 유전율,
Figure pat00006
는 광속,
Figure pat00007
는 주파수를 나타낸다.
그리고
Figure pat00008
의 주파수를 가지고 시료의 내부를 전파하는 입사광의
Figure pat00009
는 아래의 수학식 2와 같이 표현된다.
Figure pat00010
여기에서
Figure pat00011
는 입사광의 주파수이며,
Figure pat00012
는 유전체 매질(glass)의 굴절률
Figure pat00013
는 광의 입사 각도이다.
도 1은 표면 플라즈몬 파수 벡터(
Figure pat00014
), 입사광의 파수 벡터(
Figure pat00015
), 소산파 파수 벡터
Figure pat00016
의 분산 곡선을 나타낸 그래프이다.
도 1을 참조하면 같은 시료에서의 입사광 주파수
Figure pat00017
는 항상 표면 플라즈몬 주파수
Figure pat00018
보다 크며, 어떤 점에서도 교차하지 않음을 볼 수 있다. 이것은 표면 플라즈몬 파와 입사광이 자연적으로는 공명을 이룰 수 없음을 나타낸다.
하지만, 굴절률이 높은 유전물질, 즉, 프리즘을 사용해 전반사 조건으로 광을 입사시키면 프리즘에 입사된 광의 파수 벡터는 아래의 수학식 3과 같고
Figure pat00019
프리즘의 빗면에 발생하는 소산파의 파수 벡터는 아래의 수학식 4와 같다.
Figure pat00020
여기서
Figure pat00021
는 프리즘의 유전율이며,
Figure pat00022
는 입사각이다.
도 1을 참조하면 소산파의 파수 벡터 (
Figure pat00023
) 곡선은 기울기가 매질 내에서 입사광의 파수 벡터(
Figure pat00024
)보다
Figure pat00025
만큼 작아져 표면 플라즈몬의 파수 벡터(
Figure pat00026
)의 분산 곡선과 입사광의 임의의 주파수에서 두 파수 벡터가 교차할 수 있다.
즉, 임의의 주파수
Figure pat00027
에서 아래의 수학식 5와 같은 조건일 경우, 임의의 주파수에서 입사광이 공명각(
Figure pat00028
)으로 프리즘에 입사될 때 금속 표면에 여기된 플라즈몬의 파수 벡터(
Figure pat00029
)와 소산파의 파수 벡터(
Figure pat00030
)가 같은 주파수를 가지므로 서로 공명을 일으킴을 의미한다.
Figure pat00031
이 때 입사광의 에너지 대부분은 표면 플라즈몬과 공명하여 금속 표면을 따라 진행하여 소실되어, 반사되는 광의 강도는 급격히 감소하게 된다. 또한 반사도를 입사각의 변화에 따라 측정하면, 표면 플라즈몬 공명각에서 반사도의 급격한 감소를 볼 수 있다. 즉, 입사광의 에너지가 표면에 존재하는 전자에 모두 흡수되므로 반사되는 광이 전혀 없는 현상이 발생하게 되고 표면의 플라즈몬 공명각과 물질의 굴절률은 아래의 수학식 6와 같이 유도 될 수 있다.
Figure pat00032
여기서, 표면 플라즈몬 공명각(
Figure pat00033
)은 시료의 유전율에 대한 함수이고, 또한 이렇게 얻어진 공명각을 통해 표면 물질의 굴절률
Figure pat00034
를 구할 수 있다.
표면 플라즈몬 공명이 일어나는 공명각, 즉 반사광이 최소가 되는 각도는 금속 박막 표면층 유전체 질량이 증가하거나 구조가 변형되면 결과적으로 유효 굴절률(Effective Refractive Index)이 변화하여 공명각이 달라지게 된다. 따라서 이러한 물질의 변화를 광학적인 방법으로 계측할 수 있는 SPR을 이용하면 금속 박막 표면층의 적절한 화학적 변형을 통해 다양한 생화학물질들 사이의 선택적 결합이나 분리와 같은 생화학적 반응을 공명각의 변화로 감지할 수 있어 SPR 센서는 고감도 생화학 센서로 활용할 수 있다. 일반적인 SPR 센서는 유전층 굴절률이 0.001이 변할 때 공명각의 변화가 0.1도 변하게 되면 이는 단위 mm 면적당 1ng 정도의 질량 변화에 해당한다.
표면 플라즈몬 공명은 금(gold), 은(silver), 구리(copper), 알루미늄(aluminum) 등과 같은 외부자극에 의해 전자 방출이 쉽고 음의 유전 상수를 갖는 금속들에서 잘 발생하는데, 그중에서 가장 예리한 피크치를 가지는 은(silver)과 금(gold)이 보편적으로 사용되고 있다.
표면 플라즈몬 공명은 바이오 센서에 활용되어 효소, 미생물, 항원-항체 등과 같이 분자 인식 기능을 가진 생체 분자를 적절한 전기ㅡ 물리ㅡ 화학 소자에 결합시켜 이들과 특이적으로 반응하는 생리적 지표 물질의 농도를 측정하는 데 사용될 수 있다. SPR 현상을 이용한 바이오 센서는 생명 공학, 환경, 신약개발, 식품 산업 등 여러 분야에서 다양하게 사용될 수 있고, 최근 바이오 칩의 등장과 함께 더욱 많은 관심이 SPR을 이용한 센서에 모여지고 있다. SPR을 이용한 센서는 무표지 방식을 사용하기 때문에 기존의 형광법을 이용한 단백질, DNA, RNA의 기능 연구 과정에서 필수적으로 사용되었던 표식자를 사용하지 않고도 다양한 생화학적 현상들을 높은 감도로 계측할 수 있다.
SPR을 이용한 바이오 센서가 무표지 방식을 사용함에도 불구하고 고감도 계측이 가능한 이유는 표면으로부터 수백 nm 이하의 범위 내에서 형성된 소산파의 샘플링 깊이(Sampling depth)가 기존의 다른 광학적인 방법에 비해 월등하게 작은 것에 있다. 즉, 표면에 고정된 측정 대상 물질과 소산파의 작용영역이 다른 광학적인 방법에 비해 매우 협소하여 소산파를 이용하면 극미량의 시료만으로도 물질 간의 상호작용이 쉽게 계측될 수 있다.
도 2는 SPR 현상을 이용한 항체(Antibody)와 항원(Antigen)의 상호작용을 측정하는 방법을 설명하기 위한 개념도이다.
도 2를 참조하면 프리즘 구조를 통해서 입사한 입사광은 특정 각도에서 표면 플라즈몬 공명 현상을 일으킬 수 있다. 프리즘 구조를 통해 입사된 입사광은 항체(Antibody)가 공유 결합된 센서 표면에서 SPR 현상을 일으킨다. 측정 대상 물질인 항원(Antigen)이 유로(Flow Cell)을 거쳐 흐르면 분석 대상 물질-리간드(Analyte-ligand) 화합물의 결합, 해리 과정에 따른 굴절률의 변화를 출사광의 변동에 기초하여 판단할 수 있다. 이러한 시간에 따른 출사광의 변동은 항체(Antibody)와 항원(Antigen)의 결합, 분리, 평행 상태에 따라 달라지며 이러한 실시간 반응 변화가 출사되는 광신호의 정보를 통해 탐지될 수 있다.
도 3은 SPR 현상을 이용한 센서의 항체(Antibody)와 항원(Antigen)의 상호작용에 따른 센서의 응답변화를 나타낸 SPR 센서그램(SPR Sensorgram)이다.
도 3을 참조하면, SPR 센서그램(SPR Sensorgram)을 이용해 측정 대상 물질의 상호작용 여부에 대한 동적인 분석이 가능하다. 예를 들어 측정 대상 물질의 상태가 변화함에 따라 시간에 따른 출사광을 탐지하는 탐지부의 응답이 변화하게 된다.
도 4는 SPR 현상을 이용한 센서표면의 금속막에 단백질을 고정하는 과정에 따른 공진 각의 변화를 측정 대상 물질의 반응 상태에 따라 나타내기 위한 그래프이다.
도 4의 상단에 도시된 그래프를 참조하면,
Figure pat00035
은 원래 측정 대상 물질과 측정 대상 물질과 반응하는 물질(이하, 항원과 항체라고 가정한다.)이 흡착되지 않았을 경우의 SPR이 일어나는 공명각이다. SPR 현상이 일어날 경우 입사된 빛이 반사되지 않고 금속 표면에서 반사 SPR 현상을 일으키기 때문에 출사되는 빛이 소멸되기 때문에 반사도(Reflectivity)가 음의 피크값을 가진다.
Figure pat00036
는 항원과 항체가 흡착되었을 경우, 이동된 SPR 공명각을 나타낸 것이다. 이러한 공명각의 변화를 보면, 표면 플라즈몬 공명 현상은 근접 표면에서 굴절률의 미세한 변화 및 생체 분자의 상호 작용에 의한 변화를 실시간 관찰할 수 있으므로 생체 시료 결합의 동적(Kinetic)분석에 유용하게 사용될 수 있다.
도 4의 하단은 측정 대상 물질과 측정 대상 물질과 반응하는 물질이 결합하는 정도에 따라 변화하는 SPR 각의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 4의 상단의 그래프와 도 4의 하단 그래프를 참조하면, 측정 대상 물질과 금속 표면에 구비된 측정 대상 물질과 반응하는 물질이 결합한 정도에 따라 표면 플라즈몬 공명각(Surface Plasmon Resonance Angle)이 변화하게 되어 공진이 일어나는 피크(Peak)값이 변화하는 것을 볼 수 있다.
마흐-젠더 간섭계 (Mach-Zehnder Interferometer)는 벌크-광학(Bulk-Optic) 형태로 구성할 수도 있고 기판 위에 도파로(Waveguide)를 생성하여 집적 광학 형태로 제작하거나, 광섬유 커플러(Directional Coupler) 등을 이용하여 제작할 수 있다.
도 5는 마흐-젠더 간섭계 (Mach-Zehnder Interferometer)의 일반적인 구조를 나타낸 개념도이다.
Mach-Zehnder 간섭계의 PD 출력은 아래 수학식 7과 같은 주파수의 함수이다(광원은 이상적인 Coherent 특성을 가정한다).
Figure pat00037
파워 전달함수는 아래의 수학식 8과 같다.
Figure pat00038
수학식 8에서 알 수 있듯이 마흐-젠더 간섭계는 주파수에 따른 코사인 형태의 전달함수를 갖는 필터가 될 수 있다.
이때 주파수 축 상의 주기는 아래 수학식 9와 같다.
Figure pat00039
한편 주파수가 아닌 파장변수로 출력을 표시하는 경우는 아래의 수학식 10과 같고
Figure pat00040
파장의 변화가 작은 범위에서의 출력의 변화는 도 7의 과정에 의하여 아래의 수학식 11과 같이 근사된다.
Figure pat00041
즉 Mach-Zehnder 간섭계의 출력은 입력된 광신호의 주파수(파장)의 변화에 대해서 코사인 함수 형태를 가지며 이러한 특성을 이용하여 광신호에 대한 필터의 역할을 수행할 수 있다.
이때 필터의 주기는
Figure pat00042
에 의해서 결정되므로 마흐 젠더 간섭계의 팔(Arm) 길이 차이나 굴절률을 변화시켜 조절이 가능하다.
바이오 센서를 제조함에 있어서 요구되는 사항은 안정성과 신뢰도이다. 즉, 바이오 센서를 개발함에 있어 감도의 심한 변화, 잡음 간섭에도 불구하고 센서의 검사 결과에 대한 안정성과 신뢰도를 보장할 수 있어야 한다.
또한 홈 네트워크를 이용한 홈 헬스 케어 시스템에 바이오 센서를 활용하기 위해서는 바이오 센서의 소형화, 간편화 및 휴대성 역시 바이오 센서 개발시 요구되는 사항이다.
바이오 센서의 Q-factor를 높이기 위해 구형(Microsphere), 토로이드(Toroid), Disk 타입의 입체형 링 공진기를 활용한 센서들이 연구되고 제품으로 양산되고 있으나 Microsphere, Toroid, Disk 타입의 공진기는 입체 형태를 가지기 때문에 센서의 제작 공정상 어려움이 많고 이러한 링 공진기를 활용한 바이오 센서는 구조상 크기가 매우 커질 수 밖에 없다. 또한 광원 및 광 탐지기와 같은 외부 모듈과의 집적화가 사실상 불가능하여 집적화된 소자가 아닌 프리즘을 이용한 벌크(Bulk) 타입의 바이오 센서 시스템으로 구현될 수 밖에 없어 활용도가 떨어진다.
따라서, 본 발명의 제1 목적은 센서의 감도를 높이고 집적 가능한 비대칭 형태의 마흐-젠더 간섭계를 가지는 링 공진기 센서를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 제2 목적은 이러한 비대칭 마흐-젠더 간섭계를 포함하는 링 공진기 센서를 구비한 자기 참조 도파로 센서를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 제3 목적은 이러한 비대칭 형태의 마흐-젠더 간섭계를 가지는 링 공진기 센서를 구비한 마이크로 공진기 센서를 제공하는 것이다.
상술한 본 발명의 제1 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 비대칭 마흐-젠더 간섭계를 포함하는 링 공진기 센서는 광원에서 광신호를 전달받아 적어도 두 개의 동일하지 않은 구조의 암을 통해 진행시키는 비대칭 마흐-젠더 간섭계와 상기 비대칭 마흐-젠더 간섭계의 적어도 하나의 암에서 광신호를 전달받아 상기 광신호의 특정 파장에서 공진하는 링 공진기를 포함할 수 있다. 상기 비대칭 마흐-젠더 간섭계를 포함하는 링 공진기 센서는 상기 링 공진기에 측정 대상 물질을 전달하는 유로부를 더 포함할 수 있다. 상기 유로부는 상기 측정 대상 물질의 이동성을 제어하기 위한 제어부, 상기 측정 대상 물질의 이동 시작점인 측정 대상 물질 저장부, 상기 측정 대상 물질의 이동 도착점인 측정 대상 물질 도착부를 더 포함할 수 있다. 상기 비대칭 마흐-젠더 간섭계를 포함하는 링 공진기 센서는 상기 비대칭 마흐-젠더 간섭계 및 링 공진기 중 적어도 하나에서 진행하는 광신호의 크기를 변화시킬 수 있다. 상기 링 공진기는 상기 비대칭 마흐-젠더 간섭계에서 진행하는 상기 광신호를 상기 링 공진기에 결합시키는 광결합 도파로, 상기 광결합 도파로로 결합된 광신호를 상기 링 공진기에서 진행시키는 주회 도파로, 상기 광결합 도파로로 결합된 상기 광신호를 상기 주회 도파로에서 진행되도록 상기 광신호의 진행 경로를 변경하는 광경로 변경수단을 포함할 수 있다. 상기 링 공진기는 상기 주회 도파로 및 상기 광경로 변경수단 중 적어도 하나에 측정 대상 물질을 탐지할 수 있는 센서부가 구비될 수 있다. 상기 광경로 변경수단에 구비된 센서부는 표면 플라즈몬 공명 현상을 이용하여 측정 대상 물질을 탐지할 수 있다. 상기 광경로 변경수단에 구비된 센서부는 다중 금속막 구조를 이용하여 측정 대상 물질을 탐지할 수 있다. 상기 링 공진기는 상기 광결합 도파로를 밑변으로 하고 상기 주회 도파로를 양변으로 하는 삼각형 형상일 수 있다. 상기 링 공진기는 상기 광결합 도파로를 밑변으로 하고 상기 주회 도파로를 나머지 세 변으로 하는 사각형 형상일 수 있다. 비대칭 마흐-젠더 간섭계는, 상기 링 공진기와 결합된 제1 암 및 상기 링 공진기와 결합되지 않은 제2 암을 포함할 수 있다. 상기 비대칭 마흐-젠더 간섭계는 상기 제1 암에서 출력되는 광신호와 상기 제2 암에서 출사되는 광신호의 크기가 동일하고 위상은 180도가 차이가 나도록 할 수 있다.
또한 상술한 본 발명의 제2 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 비대칭 마흐-젠더 간섭계를 포함하는 링 공진기 센서를 구비한 자기 참조 도파로 센서는 광원에서 발생된 광신호를 적어도 두 개의 도파로로 분기하는 자기 참조 도파로, 상기 비대칭 마흐-젠더 간섭계가 포함된 링 공진기 센서에 상기 자기 참조 도파로에서 분기된 광신호 중 적어도 하나의 광신호가 입사되어 측정 대상 물질을 탐지하는 제1 측정부, 상기 비대칭 마흐-젠더 간섭계가 포함된 링 공진기 센서에 상기 자기 참조 도파로에서 분기된 광신호 중 적어도 하나의 광신호가 입사되어 상기 제1 측정부에서 출사된 광신호와 비교하기 위한 광신호를 출사하는 제2 측정부를 포함하는 비대칭 마흐-젠더 간섭계를 포함할 수 있다. 상기 비대칭 마흐-젠더 간섭계를 포함하는 링 공진기 센서는 상기 비대칭 마흐-젠더 간섭계 및 링 공진기 중 적어도 하나에서 진행하는 광신호의 크기를 변화시킬 수 있다. 상기 비대칭 마흐-젠더 간섭계는 상기 링 공진기와 결합된 제1 암 및 상기 링 공진기와 결합되지 않은 제2 암을 포함할 수 있다. 상기 비대칭 마흐-젠더 간섭계는 상기 제1 암에서 출력되는 광신호와 상기 제2 암에서 출사되는 광신호의 크기가 동일하고 위상은 180도가 차이가 나도록 할 수 있다.
또한 상술한 본 발명의 제3 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 비대칭 마흐-젠더 간섭계를 포함하는 링 공진기 센서를 구비한 마이크로 공진기 센서는 광신호를 발생시켜 상기 링 공진기 센서에 전달하는 광원부, 상기 광원부에서 광신호를 전달받아 적어도 두 개의 동일하지 않은 구조의 암을 통해 진행시키는 비대칭 마흐-젠더 간섭계를 포함하는 링 공진기 센서, 상기 링 공진기 센서에서 출사된 광신호를 탐지하는 광 검출기를 포함하는 비대칭 마흐-젠더 간섭계를 포함할 수 있다. 상기 광원부는 광신호를 발생시키는 광원, 상기 광원에서 발생한 상기 광신호를 커플링하는 광 결합기, 상기 광 결합기를 통해 전달된 광신호 중 일정한 파장의 광신호를 필터링하는 파장 필터, 상기 파장 필터를 통해 필터링된 상기 광신호를 TM(Tranverse Magnetic) 모드 및 TE(Tranverse Electric) 모드 중 적어도 하나의 모드로 편광 시키는 회전 편광기를 포함하는 비대칭 마흐-젠더 간섭계를 포함할 수 있다. 상기 비대칭 마흐-젠더 간섭계를 포함하는 링 공진기 센서는 상기 비대칭 마흐-젠더 간섭계를 포함하는 링 공진기 센서를 구비한 마이크로 공진기 센서에 적어도 하나 포함할 수 있다. 상기 비대칭 마흐-젠더 간섭계는 상기 링 공진기와 결합된 제1 암 및 상기 링 공진기와 결합되지 않은 제2 암을 포함할 수 있다. 상기 비대칭 마흐-젠더 간섭계는 상기 제1 암에서 출력되는 광신호와 상기 제2 암에서 출사되는 광신호의 크기가 동일하고 위상은 180도가 차이가 나도록 할 수 있다. 비대칭 마흐-젠더 간섭계를 포함하는 링 공진기 마이크로 공진기 센서는, 상기 비대칭 마흐-젠더 간섭계 및 링 공진기 중 적어도 하나에서 진행하는 광신호의 크기를 변화시킬 수 있다. 비대칭 마흐-젠더 간섭계를 포함하는 링 공진기 마이크로 공진기 센서는, 광신호에 존재하는 노이즈를 감쇠시키는 미세 신호 검출 장치를 더 포함할 수 있다. 비대칭 마흐-젠더 간섭계를 포함하는 링 공진기 마이크로 공진기 센서는 집적화 회로로 구현될 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 비대칭 마흐-젠더 간섭계를 포함한 링 공진기 센서, 이러한 링 공진기를 구비한 자기 참조 도파로 센서 및 이러한 링 공진기 센서를 구비한 센서 장치에 따르면, 비대칭 마흐-젠더 간섭계를 사용하여 기존의 링 공진기 센서에 비해 향상된 감도를 가짐으로서 센서의 안정성을 향상시켰을 뿐만 아니라 링 공진기 센서를 이용한 센서를 구현시 집적화하여 제작할 수 있어 센서의 크기를 소형화할 수 있다.
도 1은 표면 플라즈몬 파수 벡터(), 입사광의 파수 벡터(
Figure pat00044
), 소산파 파수 벡터
Figure pat00045
의 분산 곡선을 나타낸 그래프이다.
도 2는 SPR 현상을 이용한 Antibody와 Antigen의 상호작용을 측정하는 방법을 설명하기 위한 개념도이다.
도 3은 SPR 현상을 이용한 센서의 Antibody와 Antigen의 상호작용에 따른 센서의 응답변화를 나타낸 SPR Sensorgram이다.
도 4는 SPR 현상을 이용한 센서표면의 금속막에 단백질을 고정하는 과정에 따른 공진 각의 변화를 측정 대상 물질의 반응 상태에 따라 나타내기 위한 그래프이다.
도 5는 마흐-젠더 간섭계 (Mach-Zehnder Interferometer)의 일반적인 구조를 나타낸 개념도이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 링 공진기 센서에 포함되는 링 공진기를 나타낸 개념도이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 광신호를 광결합 도파로에 결합시키는 방법을 나타낸 개념도이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 제2 광경로 변경수단(650)에 포함된 센서부(660-3)에 포함된 SPR 현상을 이용하기 위한 금속막 구조를 나타내기 위한 개념도이다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 금속막 구조에 따른 공진 특성을 나타낸 그래프이다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 링 공진기 센서에 포함되는 링 공진기를 나타낸 개념도이다.
도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 마흐-젠더 간섭계(Mach-Zehnder Interferometer)를 사용한 링 공진기 센서를 나타낸 개념도이다.
도 12는 본 발명의 일실시예에 따른 유로부를 포함한 링 공진기 센서를 나타낸 개념도이다.
도 13은 본 발명의 일실시예에 따른 광신호의 손실이 발생한 경우, 이득(Gain)을 줄 수 있는 도파로의 구조를 나타내는 것이다.
도 14는 본 발명의 일실시예에 따른 링 공진기와 마흐-젠더 간섭계를 결합한 경우 출력단에 전달되는 광신호의 크기를 나타낸 그래프이다.
도 15는 본 발명의 일실시예에 따른 링 공진기와 마흐-젠더 구조를 결합시켰을 때 마흐-젠더 간섭계의 양쪽 암에서 진행하는 광신호에 이득 또는 손실을 주지 않은 경우, 광신호의 파장에 따른 출력되는 광신호의 크기를 나타내는 그래프이다.
도 16은 본 발명의 일실시예에 따른 진행하는 광신호에 이득 또는 손실을 주고 링 공진기와 마흐-젠더 구조를 결합시켰을 때 파장에 따른 출력되는 광신호의 크기를 나타내는 그래프이다.
도 17은 본 발명의 일실시예에 따른 링 공진기를 포함한 링 공진기 센서의 구성에 따른 센서의 성능을 비교한 것을 나타낸 표이다.
도 18에서 도 21은 본 발명의 일실시예에 따른 각 링 공진기 센서의 타입에 따른 RI 감도 및 소멸치(Extinction)를 나타낸 그래프이다.
도 19는 비대칭 마흐-젠더 간섭계를 사용하지 않은 광경로 변경수단에 센서부를 형성한 SPR 현상을 이용한 링 공진기 센서의 RI 감도 및 소멸(Extinction)을 나타낸 그래프이다.
도 20은 본 발명의 일실시예에 따른 비대칭 마흐-젠더 간섭계를 사용한 도파로에 센서부를 형성한 링 공진기 센서의 RI 감도 및 소멸(Extinction)을 나타낸 그래프이다.
도 21은 본 발명의 일실시예에 따른 비대칭 마흐-젠더 간섭계를 사용한 도파로에 센서부를 형성한 링공진기 센서의 RI 감도 및 소멸(Extinction)을 나타낸 그래프이다.
도 22는 링 공진기 센서의 형태에 따른 측정 대상 물질의 변화에 따른 출력 파워의 변화 정도를 나타낸 그래프이다.
도 23은 본 발명의 일실시예에 따른 자기 참조 도파로를 사용한 링 공진기 센서를 나타낸 개념도이다.
도 24는 본 발명의 일실시예에 따른 링 공진기 센서를 직접화하여 구현한 센서를 나타낸 개념도이다.
도 25는 본 발명의 일실시예에 따른 복수의 링 공진기 센서를 구비한 센서를 나타낸 개념도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어"있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어"있다거나 "직접 접속되어"있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 이하, 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.
이하 본 발명의 실시예에서는 링 공진기는 광결합 도파로, 주회 도파로 및 전반사 미러를 포함하는 구조를 가리키는 용어로 사용될 수 있고, 링 공진기 센서는 링 공진기에 마흐-젠더 구조가 결합한 구조를 가리키는 용어로 사용될 수 있다. 또한 마이크로 공진기 센서 또는 센서는 링 공진기 센서에 광원, 광 탐지기, 편광기와 같은 외부 모듈을 포함한 구조를 가리키는 용어로 사용될 수 있다. 마이크로 공진기 센서 또는 센서는 생화학적 물질을 탐지하기 위해 사용될 수 있으나, 본 발명의 본질에서 벋어나지 않는 한 생화학적 물질을 탐지하는 목적 외에 다른 목적으로 사용하는 것도 가능하다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 링 공진기 센서에 포함되는 링 공진기를 나타낸 개념도이다.
도 6을 참조하면, 링 공진기(600)는 광결합 도파로(610), 제1 주회 도파로(620), 제2 주회 도파로(630), 제1 광경로 변경수단(640), 제2 광경로 변경수단(650), 제3 광경로 변경수단(660)을 포함하여 구성될 수 있다.
이하의 실시예에서 주회 도파로라는 용어는 제1 주회 도파로(620) 및 제2 주회도파로(630) 중 적어도 하나를 포함한 개념으로 사용할 수 있으며, 광경로 변경수단은 제1 광경로 변경수단(640), 제2 광경로 변경수단(650), 제3 광경로 변경수단(660) 중 적어도 하나를 포함하는 개념으로 사용할 수 있다.
광결합 도파로(610), 제1 주회 도파로(620), 제2 주회 도파로(630)는 광결합 도파로(610)를 밑변으로 하고 제1 주회 도파로(620), 제2 주회 도파로(630)를 동일한 길이로 하는 삼각형의 형상을 가질 수 있다.
하지만, 제1 주회 도파로(620), 제2 주회 도파로(630)를 동일한 길이로 하는 삼각형의 형상은 본 발명의 일실시예로서 즉, 본 발명의 본질에서 벋어나지 않는 한 제1 주회 도파로(620), 제2 주회 도파로(630)는 소정의 길이 차이를 가지고 광결합 도파로(610)와 결합되어 삼각형 형상을 가질 수도 있다.
광결합 도파로(610)는 마흐-젠더 간섭계를 통해 입사된 광신호를 링 공진기(600)에 결합시키기 위한 광결합 영역을 포함할 수 있다. 광결합 영역은 수직 결합 기법(Vertical Coupling)과 수평 결합 기법(Horizontal Coupling)을 이용한 방향성 결합기를 이용하는 방법 또는 다중 모드 간섭기(MMI, Multimode Interferometer)를 이용하여 광신호를 마흐-젠더 간섭계로부터 광결합 도파로(610)로 결합시키는 방법을 사용할 수 있다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 광신호를 광결합 도파로에 결합시키는 방법을 나타낸 개념도이다.
도 7의 상단은 방향성 결합 방법 중 수평 결합기법(Horizontal Coupling)을 사용하여 광신호를 광결합 도파로에 결합하는 방법을 나타내는 개념도이다. 도 7의 중단은 방향성 결합 방법 중 수직 결합기법(Vertical Coupling)을 사용하는 광신호 결합방법을 나타낸 것이고, 도 7의 하단은 다중 모드 간섭기(MMI)를 사용하여 광신호를 광결합 도파로 결합하는 방법을 나타내는 개념도이다.
도 7을 참조하면, 광원으로부터 광신호를 진행시켜 광결합 도파로에 전달하는 주도파로(710, 720, 730)을 통해 광신호를 광결합 도파로(740, 750, 760)에 결합시킬 수 있다.
하지만, 방향성 결합 방법 및 다중 모드 간섭기를 이용한 결합 방법은 광신호를 광결합 도파로에 결합하는 방법 중 일부의 실시예에 불과하고 본 발명의 본질에서 벋어나지 않는 한 광신호를 광결합 도파로에 결합하는 방법이 전술한 실시예에 제한되는 것은 아니다.
광결합 도파로(610)와 제1 주회 도파로(620)가 만나는 지점에는 광신호의 경로를 변경시킬 수 있는 제1 광경로 변경수단(640)이 결합되어 마흐 젠더 간섭계의 제1 암(Arm)으로부터 광 결합 도파로(610)로 결합된 광신호가 제1 주회 도파로(620)를 통해 진행될 수 있도록 광 신호의 진행 경로를 변경시킬 수 있다.
제1 주회 도파로(620)와 제2 주회 도파로(630)가 만나는 지점에는 제2 광경로 변경수단(650)이 결합되어 제1 주회 도파로(620)를 통해 전달된 광신호가 제2 주회 도파로(630)를 통해 진행될 수 있다.
제2 주회 도파로(630)와 광 결합 도파로(610)가 만나는 지점에는 제3 광경로 변경수단(660)이 결합되어 제2 주회 도파로(630)를 통해 진행된 광신호가 광결합 도파로(610)를 통해 진행될 수 있다.
광경로 변경수단(640, 650, 660)은 전반사 미러(Total Reflection Mirror)와 같이 광신호의 경로를 변경할 수 있는 수단으로 구현될 수 있지만, 광경로 변경수단은 전반사 미러에 한정되지 않고 본 발명의 본질에서 벋어나지 않는 한 전반사 미러 외의 광신호의 경로를 변경할 수 있는 다른 수단 역시 광경로 변경수단으로 사용될 수 있다.
광경로 변경수단을 구현시 구스-한센(Goos-Hnchen) 특성이 고려될 수 있다. 구스-한센 특성은 인덱스가 서로 다른 물질에서 광신호가 반사될 때 물질의 표면에서 광신호가 반사되는 것이 아니라 표면 깊이(Skin Depth) 만큼 들어간 후 반사하는 현상으로 실제의 반사된 광신호는 구스-한센 특성이 없이 반사되는 광신호보다 일정한 길이만큼 옆으로 이동되어 반사되는 것을 말한다. 따라서, 광경로 변경 수단을 제작시 이러한 구스-한센 특성을 고려하여 설계할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 측정 대상 물질을 탐지하기 위한 센서부(660-1, 660-2, 660-3)는 제1 주회 도파로(620), 제2 주회 도파로(630) 및 제2 광경로 변경수단(650) 중 적어도 하나에 위치할 수 있다.
제1 주회 도파로(620) 및 제2 주회 도파로(630) 중 적어도 하나에 포함된 센서부(660-1, 660-2)는 제1 주회 도파로(620) 및 제2 주회 도파로(630)를 진행하는 광신호가 측정 대상 물질과 효과적으로 반응할 수 있도록 계면처리가 될 수 있다.
센서부(660-1, 660-2)는 제1 주회 도파로(620) 및 제2 주회 도파로(630)의 전체 영역 또는 일부의 영역을 활용하여 형성될 수 있다.
제1 주회 도파로(620) 및 제2 주회 도파로(630)에 포함된 센서부(660-1, 660-2)는 측정 대상 물질과 광신호가 반응을 하게 되면, 링 공진기(600)를 통해 진행하는 광신호의 유효 굴절율이 변하게 되고 유효 굴절율의 변화에 따라 링 공진기(600)의 공진 조건이 변화하게 되어 출력되는 광신호의 정보가 변화하게 된다. 변화된 광신호의 정보를 기초로 측정 대상 물질에 대한 정보를 제공받을 수 있다.
제2 광경로 변경수단(650)에 포함된 센서부(660-3)는 표면 플라즈몬 공명(SPR, Surface Plasmon Resonance)을 이용하여 측정 대상 물질의 변화를 탐지 할 수 있다.
이뿐만 아니라, 제2 광경로 변경수단(650)에 포함된 센서부(660-3)는 표면 플라즈몬 공명이 아닌 소산파(Evanescent Wave)를 사용하여 측정 대상 물질의 변화를 탐지할 수도 있다.
센서부(660-3)는 제2 광경로 변경수단(650)의 광신호가 반사되는 면의 반대쪽 면에 위치할 수 있다.
측정 대상 물질이 센서부에 위치한 측정 대상 물질과 반응하는 리셉터와 반응하는 경우, 제2 광경로 변경수단(650)에 입사된 광신호가 표면 플라즈몬 공명을 일으키는 공진 조건이 변화하게 되고 광신호의 공진각이 변화하게 된다. 이러한 공진각의 변화에 따라 출력단에서 최소 파워를 가지는 파장 값이 변화한다. 공진각 또는 최소 파워를 가지는 파장값 뿐만 아니라 측정 대상 물질과 리셉터의 반응에 의한 다른 변화된 정보가 있는 경우, 이러한 변화된 정보 중 적어도 하나에 대한 정보를 얻음으로써 측정 대상 물질의 변화에 대한 정보를 제공받을 수 있다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 제2 광경로 변경수단(650)에 포함된 센서부(660-3)에 포함된 SPR 현상을 이용하기 위한 금속막 구조를 나타내기 위한 개념도이다. 도 8의 실시예는 표면 플라즈몬 공명 현상을 위한 하나의 실시예로서 본 발명의 범위는 도 8에 도시된 실시예에 제한되지 않는다.
도 8을 참조하면, 금속막은 금(Au)과 같이 하나의 금속으로 이루어진 단일 금속막 구조(800), 금(Au)과 은(Ag)으로 이루어진 다중 금속막 구조(810)으로 이루어 질 수 있다.
금(Au)과 은(Ag)은 금속막을 구현하기 위한 일실시예이고 금(Au)과 은(Ag)이 아닌 다른 금속의 조합을 사용하여 단일 금속막 구조 또는 다중 금속막 구조를 구현할 수 있다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 금속막 구조에 따른 공진 특성을 나타낸 그래프이다.
도 9를 참조하면, 상단의 두 개의 그래프는 단일 금속막 구조일 때의 공진곡선이고, 하단의 두 개의 그래프는 다중 금속막 구조일 때의 공진 특성을 나타낸 그래프이다.
그래프를 참조하면, 다중 금속막 구조일 때가 더욱 날카로운 공진 조건을 가지고 급격한 위상 변화를 가짐을 볼 수 있다. 즉, 다중 금속막 구조를 가질 경우, 센서부의 감도가 더욱 향상될 수 있다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 링 공진기 센서에 포함되는 링 공진기를 나타낸 개념도이다.
도 10을 참조하면, 링 공진기(1000)는 광결합 도파로(1010), 제1 주회 도파로(1020), 제2 주회 도파로(1030), 제3 주회 도파로(1040), 제1 광경로 변경수단(1050), 제2 광경로 변경수단(1060), 제3 광경로 변경수단(1070) 및 제4 광경로 변경수단(1080)을 포함하여 구성될 수 있다.
이하의 실시예에서 주회 도파로라는 용어는 제1 주회 도파로(1020), 제2 주회 도파로(1030) 및 제3 주회 도파로(1040) 중 적어도 하나를 포함한 개념으로 사용할 수 있으며, 광경로 변경수단은 제1 광경로 변경수단(1050), 제2 광경로 변경수단(1060), 제3 광경로 변경수단(1070), 제4 광경로 변경수단(1080) 중 적어도 하나를 포함하는 개념으로 사용할 수 있다.
광결합 도파로(1010), 제1 주회 도파로(1020), 제2 주회 도파로(1030), 제3 주회 도파로(1040)는 광결합 도파로(1010)를 밑변으로 하고 제1 주회 도파로(1020), 제2 주회 도파로(1030), 제3 주회 도파로(1040)를 나머지 변으로 하는 사각형의 형상을 가질 수 있다.
광결합 도파로(1010)는 마흐-젠더 간섭계를 통해 입사된 광신호를 링 공진기(1000)에 결합시키기 위한 광결합 영역을 포함할 수 있다. 광결합 영역은 수직 결합 기법(Vertical Coupling)과 수평 결합 기법(Horizontal Coupling)를 이용한 방향성 결합기를 이용하는 방법 또는 다중모드 간섭기(MMI, Multimode Interferometer)를 이용하여 광신호를 마흐-젠더 간섭계로부터 광결합 도파로로 결합시키는 방법을 사용할 수 있다.
하지만, 방향성 결합 방법 및 다중 모드 간섭기를 이용한 결합 방법은 광신호를 광결합 도파로에 결합하는 방법 중 일부의 실시예에 불과하고 본 발명의 본질에서 벋어나지 않는 한 광신호를 광결합 도파로에 결합하는 방법이 전술한 실시예에 제한되는 것은 아니다.
광결합 도파로(1010)와 제1 주회 도파로(1020)가 만나는 지점에는 광신호의 경로를 변경시킬 수 있는 제1 광경로 변경수단(1050)이 결합되어 마흐 젠더 간섭계로부터 광 결합 도파로(1010)로 결합된 광신호가 제1 주회 도파로(1020)로 진행될 수 있도록 광 신호의 경로를 변경시킬 수 있다.
제1 주회 도파로(1020)와 제2 주회 도파로(1030)가 만나는 지점에는 제2 광경로 변경수단(1060)이 결합되어 제1 주회 도파로(1020)를 통해 전달된 광신호가 제2 주회 도파로(1030)로 진행될 수 있다.
제2 주회 도파로(1030)와 제3 주회 도파로(1040)가 만나는 지점에는 제3 광경로 변경수단(1070)이 결합되어 제2 주회 도파로(1030)를 통해 진행된 광신호가 제3 주회 도파로(1040)로 진행될 수 있다.
제3 주회 도파로(1040)와 광결합 도파로(1010)가 만나는 지점에는 제4 광경로 변경수단(1080)이 결합되어 제3 주회 도파로(1040)를 통해 진행된 광신호가 광결합 도파로(1050)로 진행될 수 있다.
광경로 변경수단은 전반사 미러(Total Reflection Mirror)와 같이 광신호의 경로를 변경할 수 있는 수단으로 구현될 수 있지만, 광경로 변경수단은 전반사 미러에 한정되지 않고 본 발명의 본질에서 벋어나지 않는 한 전반사 미러 외의 광신호의 경로를 변경할 수 있는 다른 수단 역시 광경로 변경수단으로 사용될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 측정 대상 물질을 탐지하기 위한 센서부(1090)는 제1 주회 도파로(1020), 제2 주회 도파로(1030) 및 제3 주회 도파로(1040) 중 적어도 하나에 위치할 수 있다.
제1 주회 도파로(1020), 제2 주회 도파로(1030) 및 제3 주회 도파로(1040)중 적어도 하나에 포함된 센서부(1090)는 주회 도파로를 진행하는 광신호가 측정 대상 물질과 효과적으로 반응할 수 있도록 계면처리가 될 수 있다.
센서부(1090)는 주회 도파로의 전부 또는 일부에 형성될 수 있고, 측정 대상 물질과 광신호가 반응을 하게 되면, 링 공진기(1000)를 통해 진행하는 광신호의 유효 굴절율이 변하게 되고 유효 굴절율의 변화에 따라 링 공진기(1000)의 공진 조건이 변화하게 되어 출력되는 광신호의 정보가 변화하게 된다. 변화된 광신호의 정보를 기초로 측정 대상 물질에 대한 정보를 제공받을 수 있다.
이하의 본 발명의 실시예에서는, 설명의 편의상 사각형의 링 공진기를 제외한 삼각형 형태의 링 공진기를 포함한 링 공진기 센서 및 센서에 대해 기술하지만, 삼각형 형태의 링 공진기를 활용한 링공진기 센서 및 센서에 본 발명의 권리범위가 제한되는 것은 아니고, 전술한 사각형 형태의 링 공진기를 포함한 링 공진기 센서 및 센서 또한 본 발명의 권리범위에 포함될 수 있다.
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 마흐-젠더 간섭계(Mach-Zehnder Interferometer)를 사용한 링 공진기 센서를 나타낸 개념도이다.
도 11을 참조하면, 링 공진기 센서는 링 공진기(1110), 마흐-젠더 간섭계(1120), 센서부(1130), 유로부(미도시)를 포함하여 구성될 수 있다.
유로부는 측정 대상물질이 기체일 때 또는 측정 대상 물질이 유로부를 지나지 않고 링 공진기를 사용해 측정할 수 있는 경우에는 링 공진기 센서의 구성에 포함되지 않을 수 있다.
링 공진기(1110)는 도 6 또는 도 10에서 전술한 바와 동일한 구성으로 구현될 수 있다. 마흐 젠더 간섭계(1120)을 통해 진행된 광신호는 광결합 도파로(1110-1)를 통해 링 공진기(1110)에 결합될 수 있다.
센서부(1130)는 링 공진기(1110)의 주회 도파로 중 적어도 하나의 주회 도파로 및 광경로 변경 수단의 반대편 중 적어도 한 부분에 위치할 수 있다.
유로부는 측정 대상 물질을 흘려주어 링 공진기(1110)의 센서부(1130)에 결합시키기 위해 사용될 수 있다. 유로부는 기체 또는 액체와 같은 유동성을 가지는 측정 대상 물질이 유로부의 내부에 구비된 일정한 공간을 통해 진행될 수 있다. 유로부는 주회 도파로에 측정 대상 물질을 탐지하기 위한 개구부가 센서부인 경우, 개구부에 측정 대상 물질을 접촉시키기 위한 형태로 구현될 수 있고 광 경로 변경 수단의 광 신호가 반사되는 면의 반대편에 센서부가 형성되어 있는 경우, 광 경로 변경 수단의 광 신호가 반사되는 면의 반대편에 센서부에 측정 대상 물질을 접촉시키기 위한 형태로 구현될 수 있다.
도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 유로부를 포함한 링 공진기 센서를 나타낸 개념도이다.
도 12를 참조하면, 도 12의 상단 왼쪽 부분의 개념도는 측정 대상 물질이 제1 주회 도파로 및 제2 주회도파로의 개구부에 접촉할 수 있도록 유로부를 형성한 것을 나타낸다.
유로부(1200)는 측정 대상 물질 저장부(1210), 측정 대상 물질 도착부(1220), 제어부(1230)가 포함될 수 있다.
측정 대상 물질 저장부(1210), 측정 대상 물질 도착부(1220), 제어부(1230)를 포함한 구성은 유로부(1200)의 하나의 실시예로서 본 발명의 실시예에 따른 유로부(1200)는 측정 대상 물질을 흘려주는 역할을 하는 경우 본 발명의 권리범위에 포함된다.
제어부(1230)는 측정 대상 물질 저장부(1210)와 측정 대상 물질의 도착부(1220)에 전압을 걸어 유로부(1200)를 통해서 흐르는 측정 대상 물질의 이동 속도를 제어할 수 있다.
측정 대상 물질의 이동시키고 측정 대상 물질이 이동하는 속도를 제어하기 위해서 전압 뿐만 아니라 기타 물리적인 압력을 이용하거나 모세관 현상과 같은 생물학적 원리를 사용할 수 있으므로 제어부(1230)는 측정 대상 물질의 이동 및 이동 속도를 제어하기 위한 경우 전압이 아닌 다른 변수를 제어하는 역할을 수행할 수 있다.
또한 제어부(1230)를 통해 측정 대상 물질에 전압을 걸어 측정 대상 물질에 복수에 물질이 혼합되어 있는 경우 혼합물의 이동 속도를 다르게 하여 시간 차를 두어 링 공진기 센서에서 혼합물을 측정할 수 있도록 하는 것도 가능하다.
이하의 유로부에도 측정 대상 물질 저장부(1210), 측정 대상 물질 도착부(1220), 제어부(1200)와 같은 구성부가 포함될 수 있으나, 설명의 편의상 이하의 도 12의 개념도에서는 유로부의 위치만을 도시한다.
도 12의 상단 오른쪽 부분의 개념도는 측정 대상 물질이 제1 주회 도파로 및 제2 주회 도파로 각각으로 유입되어 하나의 통로로 빠져나가는 유로부를 나타낸 것이다.
도 12의 하단 왼쪽 부분의 개념도는 주회 도파로 중 하나의 개구부만을 이용하여 측정 대상 물질을 탐지할 수 있도록 하나의 주회 도파로의 개구부만을 측정 대상 물질이 지날 수 있도록 유로부를 구현한 것을 나타낸다.
도 12 하단 오른쪽 부분의 개념도는 제2 광 경로 변경 수단의 광신호가 반사되는 면의 반대쪽 측면에 센서부가 형성되어 있을 경우 센서부에 측정 대상 물질을 흘려주기 위해 형성된 유로부를 나타낸다.
도 12에 나타난 유로부의 형태는 본 발명에서 유로부를 구현하는 하나의 실시예에 불과할 뿐이고, 유로부의 형태가 도 12의 형태로 제한되는 것은 아니다. 유로부가 본 발명의 본질, 즉, 센서부에 측정 대상 물질을 접촉시키기 위해 구현하는 형태인 경우 본 발명의 권리범위에 포함될 수 있다. 사각형 형태의 링 공진기가 포함된 링 공진기 센서인 경우, 센서부에 유로부를 구현하는 형태는 링 공진기 형상의 차이가 있으므로 도 12의 실시예와 다를 수 있지만, 본 발명의 권리 범위에 포함될 수 있다.
도 11을 참조하면, 마흐-젠더 간섭계(1120)는 제1 암(Arm)(1120-1) 및 제2 암(Arm)(1120-2)을 포함하여 구성될 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 마흐- 젠더 간섭계(1120)는 두 개의 암(Arm)(1120-1, 1120-2)으로 구성되어 있으나, 마흐-젠더 간섭계(1120)는 두 개의 암(Arm) 이상의 암의 개수를 포함하여 구현될 수 있다. 이하, 본 발명의 실시예에서는 설명의 편의상 두 개의 암(1120-1, 1120-2)을 가진 마흐-젠더 간섭계(1120)를 기준으로 개시되지만, 두 개 이상의 암을 가진 마흐-젠더 간섭계도 본 발명의 실시예에 포함될 수 있다.
마흐-젠더 간섭계(1120)는 링 공진기(1110)의 광결합 도파로(1110-1)와 결합될 수 있는 제1 암(1120-1) 및 링 공진기(1110)의 광결합 도파로(1110-1)와 결합되지 않는 제2 암(1120-2)으로 구현될 수 있다. 하지만, 이하, 후술할 자기 참조 도파로를 사용하는 경우 마흐-젠더 간섭계(1120)의 제2 암(1120-2)도 링 공진기(1110)의 광결합 도파로(1110-1)와 결합된 형태를 가질 수 있다.
제1 암(1120-1)과 제2 암(1120-2)은 동일하지 않은 형태를 가진다. 센서의 감도를 높이기 위해 제1 암(1120-1)에서 출력되는 광신호와 제2 암(1120-2)에서 출력되는 광신호는 특정 파장에서 파워의 크기는 유사하고 180도에 가까운 위상 차이를 가지고 있어야 한다. 이상적으로는 제1 암(1120-1)과 제2 암(1120-2)에서 출력되는 광신호는 파워의 크기가 동일하고 180도의 위상차가 있어야 하지만, 제1 암(1120-1)과 제2 암(1120-2)의 구현시 일정한 오차 범위의 값을 가질 수 있고 양 암에서 나오는 광신호의 파워가 일정한 범위의 오차값를 가질 수 있고 또한 양 암에서 나오는 광신호의 파워는 180도의 위상차에서 일정한 범위의 오차값을 가질 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예와 본원의 청구항에 기재된 에 따른 마흐-젠더 간섭계의 양쪽 암에서 나오는 광신호의 180도의 위상차 및 동일한 파워값이라는 것은 이상적인 경우를 가정한 것이고 마흐-젠더 간섭계의 양쪽 암에서 나오는 광신호가 180도의 위상차에서 일정한 오차범위를 가진 경우 및 마흐-젠더 간섭계의 양쪽 암에서 나오는 광신호가 동일한 파워값에서 일정한 오차범위를 가진 경우도 또한 본 발명의 권리범위에 포함될 수 있다.
제1 암(1120-1)에서 나오는 광신호 파워의 크기와 제2 암(1120-2)에서 나오는 광신호 파워의 크기는 출력되는 광신호를 검출하는 부분에서는 동일한 크기의 파워를 가지도록 조절될 수 있다.
제1 암(1120-1)에서 출력되는 광신호는 링 공진기를 거쳐서 출력되는 광신호이기 때문에 광신호의 크기 손실이 제2 암(1120-2)에 비해서 클 수 있다. 따라서, 양 쪽 암(1120-1, 1120-2)에서 출력되는 광신호의 크기를 동일한 크기로 조정하기 위해서는 제1 암(1120-1)에서 발생한 광신호의 손실을 이득(Gain)을 주거나, 제2 암(1120-2)에서 출력되는 광신호에 감쇠(Attenuation)을 주어 제1 암(1120-1)과 제2 암(1120-2)에서 출력되는 광신호의 크기를 동일한 크기로 만들 수 있다.
도 13은 본 발명의 일실시예에 따른 광신호의 손실이 발생한 경우, 이득(Gain)을 줄 수 있는 도파로의 구조를 나타내는 것이다.
도 13을 참조하면, 좌측 상단은 이득을 얻을 수 있는 활성 영역(Active Region)을 포함한 도파로를 구현한 경우 파장에 따른 파워를 나타내는 그래프이고, 우측 상단은 일반적인 활성 영역(Active Region)을 포함하지 않는 도파로를 구현한 경우의 파워의 크기를 나타낸 그래프이다. 그래프를 보면 도파로에 활성 영역(Active Region)이 포함되는 경우, 손실된 광신호에 이득을 줄 수 있다. 따라서, 링 공진기에 의해 광신호의 손실이 발생한 제1 암에서 출력되는 신호는 제1 암 또는 링 공진기에 포함된 도파로의 활성 영역을 통해 광신호의 파워를 증가시킬 수 있다.
이뿐만 아니라, 제2 암에서 진행하는 광신호에 손실을 주어 제1 암에서 발생하는 파워의 크기와 동일하게 하는 것도 가능하다. 광신호의 손실은 광신호의 도파로 진행에 따른 손실, 전류의 인가를 통한 흡수계수 및 굴절률 변화 조절에 따라 발생할 수 있는데, 이러한 손실을 발생시켜 제1 암과 제2 암에서 출력되는 광신호의 파워를 동일하게 조정하는 것도 가능하다.
마흐-젠더 간섭계의 양쪽 암에서 진행하는 광신호의 파워의 크기를 조정하기 위해 마흐-젠더 간섭계의 제1 암을 지나는 광신호에만 이득을 주고, 제2 암을 지나는 광신호에는 손실을 주지 않는 방법 또는 제1 암을 지나는 광신호에는 이득을 주지 않고 제2 암을 지나는 광신호에만 손실을 주는 방법을 이용할 수도 있으나, 제1 암을 지나는 광신호에 이득을 주고 동시에 제2 암을 지나는 광신호에는 손실을 주는 방법 또한 사용될 수 있다. 그리고, 광신호에 이득을 주는 방법 및 광신호에 손실을 주는 방법은 전술한 실시예에 제한되는 것이 아니라, 본 발명의 본질에 벋어나지 않는 한 다양한 방법이 사용될 수 있고 이 또한, 본 발명의 권리범위에 속할 수 있다.
도 14는 본 발명의 일실시예에 따른 링 공진기와 마흐-젠더 간섭계를 결합한 경우 출력단에 전달되는 광신호의 크기를 나타낸 그래프이다.
도 14의 그래프는 링 공진기만을 사용한 경우, 링 공진기에서 출력되는 파장에 따른 광신호의 크기를 나타내는 그래프(1400)와 마흐-젠더 간섭계만을 사용한 경우, 출력되는 파장에 따른 광신호의 크기를 나타내는 그래프(1410)를 포함한다.
링 공진기만을 사용한 경우, 링 공진기에서 출력되는 파장에 따른 광신호의 크기를 나타내는 그래프(1400)을 참조하면, 링 공진기는 공진이 발생하는 광신호의 일정한 파장 영역에서 출력되는 광신호의 크기가 최소값(Peak Value)를 가진다. 마흐-젠더 간섭계만을 사용한 경우, 출력되는 파장에 따른 광신호의 크기를 나타내는 그래프(1410)는 마흐-젠더 간섭계는 마흐-젠더 간섭계에 포함된 암을 통해 진행된 빛이 동일한 크기를 가지고 서로 180도의 위상차를 가지는 경우, 출력되는 광신호의 크기가 최소값(Peak Value)를 가진다.
도 15는 본 발명의 일실시예에 따른 링 공진기와 마흐-젠더 구조를 결합시켰을 때 마흐-젠더 간섭계의 양쪽 암에서 진행하는 광신호에 이득 또는 손실을 주지 않은 경우, 광신호의 파장에 따른 출력되는 광신호의 크기를 나타내는 그래프이다.
도 15의 그래프는 광신호의 증폭 또는 감쇠 없이 링 공진기만을 사용한 경우, 링 공진기에서 출력되는 파장에 따른 광신호의 크기를 나타내는 그래프(1500)와 광신호의 증폭 또는 감쇠 없이 링공진기와 마흐-젠더 간섭계를 결합한 경우 출력되는 파장에 따른 광신호의 크기를 나타내는 그래프(1510)를 포함한다.
마흐-젠더 구조의 한쪽 암을 주회한 광신호와 다른 쪽 암을 주회하고 출력된 광신호의 크기가 일치하는 지점에서 피크 값을 가지게 되고 도 14의 그래프를 보면 링 공진기와 마흐-젠더 간섭계는 파워가 동일한 지점이 양쪽에 존재하기 때문에 도 15의 그래프는 피크값이 두 개인 곡선이 된다. 즉, 광신호의 증폭 또는 감쇠 없이 링 공진기만을 사용한 경우, 링 공진기에서 출력되는 파장에 따른 광신호의 크기를 나타내는 그래프(1510)는 두 개의 피크값을 가진다.
도 16은 본 발명의 일실시예에 따른 진행하는 광신호에 이득 또는 손실을 주고 링 공진기와 마흐-젠더 구조를 결합시켰을 때 파장에 따른 출력되는 광신호의 크기를 나타내는 그래프이다.
도 16의 그래프는 광신호의 증폭 또는 감쇠 없이 링 공진기만을 사용한 경우, 링 공진기에서 출력되는 파장에 따른 광신호의 크기를 나타내는 그래프(1600)와 광신호의 증폭 또는 감쇠를 주고 링 공진기와 마흐-젠더 간섭계를 결합한 경우 출력되는 파장에 따른 광신호의 크기를 나타내는 그래프(1610)를 포함한다.
도 16을 참조하면, 마흐-젠더 간섭계에 10 데시벨(dB)의 감쇠를 주었을 경우, 마흐-젠더 간섭계의 양쪽 도파로에서 출력되는 광신호는 180도의 위상차를 가지고 파워 크기가 동일하게 되고 일정한 파장에서 감쇠되는 광신호의 피크값은 마흐-젠더 구조를 사용하지 않고 링 공진기만을 사용한 구조 및 광신호에 이득 또는 손실을 주지 않고 링 공진기와 마흐-젠더 구조를 결합시킨 구조보다 훨씬 작은 값을 가지게 된다.
상대적으로 특정 파장에서 광신호의 감쇠가 많이 일어나 작은 피크값을 가지는 경우 광신호의 출력 변화가 커지게 되므로 광신호를 검출하는 광 검출부에서는 광신호의 변화를 쉽게 감지할 수 있기 때문에 결과적으로 센서의 감도가 향상될 수 있다.
도 17은 본 발명의 일실시예에 따른 링 공진기를 포함한 링 공진기 센서의 구성에 따른 센서의 성능을 비교한 것을 나타낸 표이다.
도 17의 표를 참조하면, 표에서 성능을 분석한 링 공진기 타입은 표의 좌측 위에서부터 삼각형 형태의 링 공진기로 센서부가 개구부에 형성된 구조, 삼각형 형태의 링 공진기가 광 경로 변경 수단의 반대편에 생성된 구조, 마흐-젠더 간섭계를 포함한 삼각형 형태의 링 공진기 센서로서 센서부가 개구부에 구비된 구조, 마흐-젠더 간섭계를 포함한 삼각형 형태의 링 공진기 센서로서 센서부가 전반사 미러의 반대편에 생성된 구조, SPR 현상을 이용한 삼각형 형태의 링 공진기 센서, SPR 현상을 이용한 마흐-젠더 구조를 포함한 삼각형 형태의 링 공진기 센서로 나누어질 수 있다. 각 링 공진기 센서에 사용되는 마흐-젠더 구조는 본 발명의 일실시예에 따른 비대칭 형태의 마흐-젠더 구조를 사용할 수 있다.
표의 좌측에서 두 번째는 각 링공진기 타입에 따른 특정 파장에서 광신호가 감쇠되는 정도(Extinction) 즉, 피크(Peak)의 크기를 데시벨 단위를 사용하여 나타낸 것이다. 이 값은 피크값이 얼마나 변화하는지를 나타낸 값으로서 피크값이 많이 변할수록 광신호의 변화를 감지하기가 상대적으로 쉬워진다. 따라서 감쇠 정도가 클수록 감도가 좋은 센서가 될 수 있다.
표의 좌측에서 세 번째는 반사 인덱스 감도(RI Sensitivity, Reflective Index Sensitivity)를 나타낸 것이다. 단위는 nm/RIU로서 Reflective Index Unit이 변함에 따라 최소 피크값을 가지는 파장이 몇 nm 이동했는지를 나타낸다. 측정 대상 물질이 센서부와 반응을 하는 경우, 최저 광신호 파워를 나타내는 파장이 이동하게 되는데 그 이동되는 파장의 변화 값이 클수록 측정 대상 물질의 반응 정도를 탐지하기가 상대적으로 쉽기 때문에 큰 값을 가진 센서일수록 우수한 감도를 가지는 센서이다.
표의 가장 우측은 파워 감도(Power Sensitivity)를 나타낸 것이다. 측정 대상 물질의 변화에 따라 출력되는 파워의 변화의 정도를 나타내는 것이다. 고정된 파장 길이에서 단위 인덱스 변화에 따른 공진 피크 이동에 의한 출력 파워의 변화량을 나타낸다. 단위는 물질이
Figure pat00046
만큼 변화할 때 변화하는 파워의 크기를 데시벨(dB)단위로 표현한 것으로 단위는 dB/
Figure pat00047
를 사용한다. 출력 감도의 값은 클수록 측정 대상 물질을 상대적으로 더 잘 감지할 수 있으므로 우수한 감도를 가지는 센서이다.
도 17의 표를 참조하면, 소멸치(Extinction)에서 가장 좋은 값을 가지는 센서는 마흐-젠더 간섭계를 가진 삼각형 구조의 링 공진기 센서로서 센서부가 도파로에 구비되어 있는 센서, 마흐-젠더 간섭계를 가진 삼각형 구조의 링 공진기 센서로서 센서부가 광경로 변경 수단의 반대쪽 측면에 형성된 센서, 마흐-젠더 구조를 가진 SPR 현상을 이용한 삼각형 구조의 센서가 25dB 크기의 광신호 출력 변화를 가지면서 가장 우수한 센서의 성능을 보인다. 즉, 도 17의 표를 참조하면 공통적으로 비대칭의 마흐-젠더 간섭계 구조를 사용하는 링 공진기 센서가 소멸치(Extinction)에서 가장 좋은 성능을 보이는 것을 알 수 있다.
RI 감도에서 가장 좋은 값을 가지는 센서는 비대칭 마흐-젠더 간섭계를 가진 SPR 현상을 이용한 삼각형 형상의 링 공진기 센서로서,
Figure pat00048
nm의 값을 가진다.
도 18에서 도 21은 본 발명의 일실시예에 따른 각 링 공진기 센서의 타입에 따른 RI 감도 및 소멸치(Extinction)를 나타낸 그래프이다.
도 18은 비대칭 마흐-젠더 간섭계를 사용하지 않은 도파로에 센서부를 형성한 링 공진기 센서의 RI 감도 및 소멸치(Extinction)를 나타낸 그래프이다.
도 18를 참조하면, 도 17에 나타난 표와 같이 소멸이 되는 정도는 18dB의 크기를 가지고 RI 감도는 측정 대상 물질이
Figure pat00049
만큼 변화함에 따라 최소 피크값을 가지는 파장의 길이가 47pm만큼 이동하는 것을 볼 수 있다.
도 19는 비대칭 마흐-젠더 간섭계를 사용하지 않은 광경로 변경수단에 센서부를 형성한 SPR 현상을 이용한 링 공진기 센서의 RI 감도 및 소멸(Extinction)을 나타낸 그래프이다.
도 19를 참조하면, 도 17에 나타난 표와 같이 광신호가 소멸이 되는 정도는 20dB의 크기를 가지고 RI 감도는 측정 대상 물질이
Figure pat00050
만큼 변화함에 따라 최소 피크값을 가지는 파장의 길이가 422pm만큼 이동하는 것을 볼 수 있다.
도 20은 본 발명의 일실시예에 따른 비대칭 마흐-젠더 간섭계를 사용한 도파로에 센서부를 형성한 링 공진기 센서의 RI 감도 및 소멸(Extinction)을 나타낸 그래프이다.
도 20을 참조하면 도 18에 나타난 표와 같이 소멸이 되는 정도는 25dB이고 RI 감도는 측정 대상 물질이
Figure pat00051
만큼 변화함에 따라 최소 피크값을 가지는 파장의 길이가 47pm만큼 이동하는 것을 볼 수 있다.
도 21은 본 발명의 일실시예에 따른 비대칭 마흐-젠더 간섭계를 사용한 도파로에 센서부를 형성한 링공진기 센서의 RI 감도 및 소멸(Extinction)을 나타낸 그래프이다.
도 21을 참조하면 도 17에 나타난 표와 같이 소멸이 되는 정도는 25dB의 크기를 가지고 RI 감도는 측정 대상 물질이
Figure pat00052
만큼 변화함에 따라 최소 피크값을 가지는 파장의 길이가 424pm만큼 이동하는 것을 볼 수 있다.
파워 감도(Power Sensitivity)에서 가장 큰 값을 가지는 센서는 비대칭 마흐-젠더 구조를 가지는 삼각형 형상의 링 공진기 센서로서 24.56/3.26
Figure pat00053
의 값을 가진다.
도 22는 링 공진기 센서의 형태에 따른 측정 대상 물질의 변화에 따른 출력 파워의 변화 정도를 나타낸 그래프이다.
도 22를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 곡선인 비대칭 마흐젠더 구조를 사용한 삼각형 형태의 링 공진기 센서로서 광경로 변경수단의 반대편에 센서부가 형성된 링 공진기 센서가 측정 대상 물질의 변화에 따라 가장 많은 변화의 정도를 가지는 것을 확인할 수 있다.
도 17의 표 및 도 20내지 도 22의 그래프를 통해 알 수 있듯이 본 발명의 일실시예에 따른 비대칭 마흐-젠더 구조를 가진 삼각형 형태의 링 공진기 센서는 매우 높은 Q-factor를 가진 센서이고 비대칭 마흐-젠더 구조를 가진 삼각형 형태의 링 공진기 센서에서 SPR을 사용하여 측정 대상 물질을 탐지하는 센서의 경우 매우 높은 감도(Sensitivity)를 가진 센서인 것을 확인할 수 있다. 즉, 비대칭 마흐-젠더 간섭계를 포함한 링 공진기 센서는 기존의 센서들 보다 우수한 감도를 가진다.
도 23은 본 발명의 다른 실시예에 따른 자기 참조 도파로를 사용한 링 공진기 센서를 나타낸 개념도이다.
도 23을 참조하면, 자기 참조 도파로를 사용한 링 공진기 센서는 자기 참조 도파로(2300), 제1 측정부(2310), 제2 측정부(2320)를 포함할 수 있다.
차동 증폭기(2330), 신호 처리부(2340)는 링 공진기 센서를 사용하여 센서를 구현시 포함될 수 있다.
자기 참조 도파로(2300)는 제1 도파로(2300-1)와 제2 도파로(2300-2)를 포함하여 구성되고, 제1 도파로(2300-1)에는 실제로 측정 대상 물질을 센서부를 통해 측정하는 비대칭 마흐-젠더 구조를 가지고 있는 링 공진기 센서가 구현되고 제2 도파로(2300-2)는 측정 대상 물질을 측정하는 것이 아닌 측정 대상 물질이 없이 링 공진기의 광신호 출력을 전달받는 링 공진기 센서를 포함한다. 제2 도파로(2300-2)에서 출력되는 광신호는 제1 도파로(2300-1)에서 출력되는 광신호와 비교하기 위한 기준 광신호의 역할을 할 수 있다.
제1 측정부(2310)는 비대칭 마흐-젠더 구조를 포함한 링 공진기 센서의 형태로 구현될 수 있고, 제1 측정부(2310)는 실제로 측정 대상 물질을 링 공진기에 구현된 센서부에 접촉시켜 광신호를 출력할 수 있다.
제2 측정부(2320)는 비대칭 마흐-젠더 구조를 포함한 링 공진기 센서의 형태로 구현될 수 있고, 제1 측정부(2310)와 달리 실제 측정 대상 물질이 아닌 실제 측정 대상 물질이 없는 검사 용액만을 링 공진기의 센서부에 접촉시켜 광신호를 출력할 수 있다.
차동 증폭기(2330)는 제1 측정부(2310)에서 출력된 광신호와 제2 측정부(2320)에서 출력된 광신호를 증폭하여 상대적인 광신호의 차이를 증폭하기 위해 사용될 수 있다.
신호 처리부(2340)는 제1 측정부(2310)에서 출력된 광신호와 제2 측정부(2320)에서 출력된 광신호를 분석하기 위해서 사용될 수 있다.
자기 참조 도파로(2300)를 사용하는 경우, 제2 측정부(2320)에서 제1 측정부(2310)에서 출력된 광신호와 상대적으로 비교 분석할 수 있는 제2 기준 신호가 생성되므로, 측정 대상 물질의 온도 변화와 무관하게 측정 대상 물질의 굴절률 및 농도를 정확하게 측정할 수 있다. 따라서, 자기 참조 도파로(2300)를 사용하는 시스템은 별도의 온도 유지 장치가 필요가 없으므로 링공진기 센서를 제작시 소형화할 수 있다.
도 24는 본 발명의 다른 실시예에 따른 링 공진기 센서를 직접화하여 구현한 마이크로 공진기 센서를 나타낸 개념도이다.
도 24를 참조하면, 마이크로 공진기 센서(2400)는 광원(2410), 광 결합기(2415, Optical Coupler), 파장 필터(2420, Wavelength Filter), 회전 편광기(2430, Polarization Rotator), 광 검출기(2440 , Photo Detector), 링 공진기 센서(2450), 미세 신호 검출 장치(2460)를 포함하여 구성될 수 있다. 마이크로 공진기 센서(2400)는 단일 웨이퍼상에 집적화된 광집적화회로(Photonic Integrated Circuit)로 구현될 수 있다.
광원(2410), 광 결합기(2415, Optical Coupler), 파장 필터(2420, Wavelength Filter), 회전 편광기(2430, Polarization Rotation Polarizer)는 광원부로서 광원(2410), 광 결합기(2415, Optical Coupler), 파장 필터(2420, Wavelength Filter), 회전 편광기(2430, Polarization Rotation Polarizer)중 적어도 두 개의 구성부가 결합되어 하나의 모듈로 구현될 수 있다. 즉, 광원(2410), 파장 필터(2420, Wavelength Filter), 광 결합기(2415, Optical Coupler), 회전 편광기(2430, Polarization Rotation Polarizer)가 적어도 하나의 모듈로 구현된 형태는 본 발명의 권리범위에 포함된다. 또한, 본 발명의 본질에서 벋어나지 않는 한 광원(2410), 광 결합기(2415, Optical Coupler), 파장 필터(2420, Wavelength Filter), 회전 편광기(2430, Polarization Rotation Polarizer)중 적어도 하나가 제외된 형태의 광원부로도 구현될 수 있다. 이하 본 발명의 실시예에서는 설명의 편의상 하나의 모듈로 구현되지 않은 각 구성부로 나누어 개시한다.
광원(2410)는 레이져 다이오드(LD, Laser Diode, 이하 LD라고 한다), LED(Light Emitting Diode), SOA(Semiconductor Optical Amplifier)와 같은 광신호를 발생시킬 수 있는 모듈로서 구현될 수 있다.
광 결합기(2415, Optical Coupler)는 광원(2410)에서 발생한 광신호를 커플링(Coupling)하여 파장 필터(2420)에 전달하는 역할을 할 수 있다.
파장 필터(2420)는 광원(2410)으로부터 발생하는 광신호 중 일정한 파장 영역의 광신호만을 선택적으로 이용할 수 있도록 필터링할 수 있다. LED 또는 SOA와 같은 광원(2410)에서 출력되는 광신호는 넓은 파장 영역의 광신호를 발생시키기 때문에 측정 대상 물질을 탐지하기 위해 필요한 영역의 광신호만을 선택적으로 필터링하기 위해 파장 필터(2420)를 사용할 수 있다.
회전 편광기(2430)는 파장 필터(2420)를 통해 출사된 광신호 중 TM(Tranverse Magnetic)모드 또는 TE(Transverse Electric)모드를 가지는 광신호만을 링 공진기 센서(2450)에 입사시키기 위해 사용될 수 있다.
링 공진기 센서의 전반사 미러를 사용하여 측정 대상 물질을 탐지할 경우, TE 모드를 사용하고 링 공진기 센서의 개구부를 사용하여 측정 대상 물질을 탐지할 경우는 TM 모드를 사용할 수 있다. 즉, 링 공진기 센서에서 측정 대상 물질을 탐지하는 부위에 따라 광신호의 진행 모드는 회전 편광기(2430)에 의해 변화될 수 있다.
링 공진기 센서(2450)에 포함되는 링 공진기는 도 8 또는 도 12에서 전술한 바와 동일한 구성으로 구현될 수 있다. 따라서, 링 공진기 센서(2450)는 마흐-젠더 간섭계와 링 공진기, 유로부를 포함하여 구현될 수 있다. 마흐-젠더 간섭계는 출력단에서 마흐-젠더 간섭계의 제1 암과 제2 암을 통해서 출력된 광신호의 위상 차이가 180도가 될 수 있도록 마흐-젠더 간섭계의 각 암의 구조를 다르게 하여 구현될 수 있다.
링 공진기 센서(2450)에 포함되는 유로부는 도 24에 나타난 형태로 측정 대상 물질을 흘려주는 입력부와 측정 대상 물질이 링 공진기에 포함되는 센서부를 거쳐서 나오는 출력부를 포함하여 구성될 수 있다. 유로부는 도 24에 도시된 형태의 유로부 뿐만 아니라 도 12에 나타난 형태로 구현될 수 있다. 하지만, 도 12에 도시된 유로부의 형태는 유로부를 구현하는 하나의 실시예에 불과할 뿐이고, 유로부의 형태가 도 12의 형태로 제한되는 것은 아니다. 본 발명의 본질, 즉, 센서부에 측정 대상 물질을 접촉시키기 위해 구현하는 형태인 경우 본 발명의 권리범위에 포함될 수 있다. 또한, 측정 대상 물질에 따라 링 공진기 센서(2450)는 유로부를 포함하지 않을 수 있다.
광 검출기(2440)는 링 공진기 센서(2450)에서 출력된 광신호를 검출하는 부분으로서 출력된 광신호의 정보를 기초로 측정 대상 물질과 관련된 정보를 제공받을 수 있도록 링 공진기 센서(2450)로부터 출력된 광신호를 검출할 수 있다.
미세 신호 검출 장치(2460)는 회로 내부에서 발생한 노이즈의 영향을 감쇠시키기 위해 마이크로 공진기 센서에 포함될 수 있다.
마이크로 공진기 센서(2400)는 구현시 필요에 따라 미세 신호 검출 장치(2460)를 포함하지 않은 구성을 가질 수 있다.
미세 신호 검출 장치는 가변 수정 발진기(Variable Crystal Ocillator, VCO), 주파수 혼합기, 위상 고정 루프, 필터기 및 검출기와 같은 구성부를 포함할 수 있다. 이러한 구성부 중 일부는 필요에 따라 포함되지 않을 수 있다.
가변 수정 발진기는 검출대상 신호와 주파수가 동일한 기준 신호를 생성하여 주파수 혼합기에 보낸다. 여기서, 가변 수정 발진기는 미세 신호 검출 장치에 포함되는 하나의 예이며, 함수 발생기 등을 이용하여 기준 신호를 생성하여 주파수 혼합기에 보낼 수 있다. 주파수 혼합기는 검출대상 신호와 가변 수정 발진기로부터 기준 신호를 입력받아 각각의 주파수를 혼합한 신호를 출력하여 필터기에 보내고 필터기는 주파수 혼합기를 통해 받은 신호에서 특정성분만을 추출할 수 있다. 검출기는 추출된 특정 성분 신호 중 적어도 하나를 선택적으로 이용하여 검출대상 신호를 검출할 수 있다.
미세 신호 검출 장치를 링공진기 출력단에 구현함으로써 마이크로 공진기 센서의 측정 감도를 더욱 향상시킬 수 있다. 복수의 링 공진기 센서가 포함된 구조의 경우 경우 하나의 링 공진기 센서당 1개씩의 미세 신호 검출 장치가 포함되도록 설계할 수 있다.
설명의 편의상 하나의 비대칭 마흐-젠더 간섭계를 포함한 링 공진기 센서가 포함된 센서를 개시하였으나, 마이크로 공진기 센서를 구현시 자기 참조 도파로를 사용하여 적어도 2개의 링공진기 센서를 포함한 구조 역시 외부 모듈과 센서로 함께 구현될 수 있다.
도 25는 본 발명의 다른 실시예에 따른 복수의 링 공진기 센서를 구비한 마이크로 공진기 센서를 나타낸 개념도이다.
복수의 링 공진기를 포함한 센서(2500)는 하나의 측정 대상 물질을 이용해 하나의 측정 대상 물질에 포함된 복수의 구성 물질을 검출하기 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 하나의 혈액 샘플을 사용해 다수의 질병인자를 검출하는 용도로 사용될 수 있다. 하지만, 마이크로 공진기 센서(2500)의 용도는 복수의 구성 물질을 검출하기 위한 목적에 제한되는 것이 아니라 단일 인자 검출 또는 하나의 링 공진기는 측정 대상 물질을 흘리지 않아 기준 신호를 발생시키기 위해 사용되는 용도로도 활용될 수 있다. 마이크로 공진기 센서(2500)는 집적화하여 구현될 수 있다.
광원(2510), 파장 필터(2520, Wavelength Filter), 광 결합기(2515, Optical Coupler), 편광 회전 편광기(2530, Polarization Rotation Polarizer), 미세 신호 검출 장치(2550)는 도 24에서 개시된 구성과 동일할 수 있다.
복수의 링 공진기를 포함한 마이크로 공진기 센서(2500)는 복수의 측정 결과를 얻어내기 위해 사용될 수 있다. 복수의 링 공진기 센서(2540)에 포함되는 링 공진기는 삼각형 형태의 링 공진기로 센서부가 개구부에 형성된 구조, 삼각형 형태의 링 공진기가 광 경로 변경 수단의 반대편에 생성된 구조, 마흐-젠더 간섭계를 포함한 삼각형 형태의 링 공진기 센서로서 센서부가 개구부에 구비된 구조, 마흐-젠더 간섭계를 포함한 삼각형 형태의 링 공진기 센서로서 센서부가 전반사 미러의 반대편에 생성된 구조, SPR 현상을 이용한 삼각형 형태의 링 공진기 센서, SPR 현상을 이용한 마흐-젠더 구조를 포함한 삼각형 형태의 링 공진기 센서 등 다양한 링 공진기 중 적어도 하나가 복수의 링 공진기 센서에 구비될 수 있다. 즉, 본 발명의 실시예에 따른 구조인 비대칭 마흐-젠더 간섭계를 사용한 링 공진기가 복수의 링 공진기 센서 중 적어도 하나에 구현되고 비대칭 마흐-젠더 간섭계를 사용하지 않은 링 공진기 센서가 나머지 복수의 링 공진기 센서 중 하나에 구현되는 것이 가능하다.
유로부의 형태는 복수의 링 공진기 센서를 포함한 링 공진기의 센서부의 위치 및 형태에 따라 개별적으로 다른 형상을 가지고 구현될 수 있다.
이상 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (24)

  1. 비대칭 마흐-젠더 간섭계를 포함하는 링 공진기 센서에 있어서,
    광원에서 광신호를 전달받아 적어도 두 개의 동일하지 않은 구조의 암을 통해 진행시키는 비대칭 마흐-젠더 간섭계; 및
    상기 비대칭 마흐-젠더 간섭계의 적어도 하나의 암에서 광신호를 전달받아 상기 광신호의 특정 파장에서 공진하는 링 공진기를 포함하는 비대칭 마흐-젠더 간섭계를 포함하는 링 공진기 센서.
  2. 제1항에 있어서, 상기 비대칭 마흐-젠더 간섭계를 포함하는 링 공진기 센서는,
    상기 링 공진기에 측정 대상 물질을 전달하는 유로부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 비대칭 마흐-젠더 간섭계를 포함하는 링 공진기 센서.
  3. 제2항에 있어서, 상기 유로부는,
    상기 측정 대상 물질의 이동성을 제어하기 위한 제어부;
    상기 측정 대상 물질의 이동 시작점인 측정 대상 물질 저장부;및
    상기 측정 대상 물질의 이동 도착점인 측정 대상 물질 도착부를 더 포함하는 비대칭 마흐-젠더 간섭계를 포함하는 링 공진기 센서.
  4. 제1항에 있어서, 상기 비대칭 마흐-젠더 간섭계를 포함하는 링 공진기 센서는,
    상기 비대칭 마흐-젠더 간섭계 및 링 공진기 중 적어도 하나에서 진행하는 광신호의 크기를 변화시키는 것을 특징으로 하는 비대칭 마흐-젠더 간섭계를 포함하는 링 공진기 센서.
  5. 제1항에 있어서, 상기 링 공진기는,
    상기 비대칭 마흐-젠더 간섭계에서 진행하는 상기 광신호를 상기 링 공진기에 결합시키는 광결합 도파로;
    상기 광결합 도파로로 결합된 광신호를 상기 링 공진기에서 진행시키는 주회 도파로; 및
    상기 광결합 도파로로 결합된 상기 광신호를 상기 주회 도파로에서 진행되도록 상기 광신호의 진행 경로를 변경하는 광경로 변경수단을 포함하는 비대칭 마흐-젠더 간섭계를 포함하는 링 공진기 센서.
  6. 제5항에 있어서, 상기 링 공진기는
    상기 주회 도파로 및 상기 광경로 변경수단 중 적어도 하나에 측정 대상 물질을 탐지할 수 있는 센서부가 구비된 것을 특징으로 하는 비대칭 마흐-젠더 간섭계를 포함하는 링 공진기 센서.
  7. 제6항에 있어서, 상기 광경로 변경수단에 구비된 센서부는,
    표면 플라즈몬 공명 현상을 이용하여 측정 대상 물질을 탐지하는 것을 특징으로 하는 비대칭 마흐-젠더 간섭계를 포함하는 링 공진기 센서.
  8. 제6항에 있어서, 상기 광경로 변경수단에 구비된 센서부는,
    다중 금속막 구조를 이용하여 측정 대상 물질을 탐지하는 것을 특징으로 하는 비대칭 마흐-젠더 간섭계를 포함하는 링 공진기 센서.
  9. 제5항에 있어서, 상기 링 공진기는,
    상기 광결합 도파로를 밑변으로 하고 상기 주회 도파로를 양변으로 하는 삼각형 형상인 것을 특징으로 하는 비대칭 마흐-젠더 간섭계를 포함하는 링 공진기 센서.
  10. 제 5항에 있어서, 상기 링 공진기는,
    상기 광결합 도파로를 밑변으로 하고 상기 주회 도파로를 나머지 세 변으로 하는 사각형 형상인 것을 특징으로 하는 비대칭 마흐-젠더 간섭계를 포함하는 링 공진기 센서.
  11. 제1항에 있어서, 상기 비대칭 마흐-젠더 간섭계는,
    상기 링 공진기와 결합된 제1 암; 및
    상기 링 공진기와 결합되지 않은 제2 암을 포함하는 비대칭 마흐-젠더 간섭계를 포함하는 링 공진기 센서.
  12. 제1항에 있어서, 상기 비대칭 마흐-젠더 간섭계는,
    상기 제1 암에서 출력되는 광신호와 상기 제2 암에서 출사되는 광신호의 크기가 동일하고 위상은 180도가 차이가 나도록 하는 것을 특징으로 하는 비대칭 마흐-젠더 간섭계를 포함하는 링 공진기 센서.
  13. 비대칭 마흐-젠더 간섭계를 포함하는 링 공진기 센서를 구비한 자기 참조 도파로 센서에 있어서,
    광원에서 발생된 광신호를 적어도 두 개의 도파로로 분기하는 자기 참조 도파로;
    상기 비대칭 마흐-젠더 간섭계가 포함된 링 공진기 센서에 상기 자기 참조 도파로에서 분기된 광신호 중 적어도 하나의 광신호가 입사되어 측정 대상 물질을 탐지하는 제1 측정부;및
    상기 비대칭 마흐-젠더 간섭계가 포함된 링 공진기 센서에 상기 자기 참조 도파로에서 분기된 광신호 중 적어도 하나의 광신호가 입사되어 상기 제1 측정부에서 출사된 광신호와 비교하기 위한 광신호를 출사하는 제2 측정부를 포함하는 비대칭 마흐-젠더 간섭계를 포함하는 링 공진기 센서를 구비한 자기 참조 도파로 센서.
  14. 제13항에 있어서, 상기 비대칭 마흐-젠더 간섭계를 포함하는 링 공진기 센서는,
    상기 비대칭 마흐-젠더 간섭계 및 링 공진기 중 적어도 하나에서 진행하는 광신호의 크기를 변화시키는 것을 특징으로 하는 비대칭 마흐-젠더 간섭계를 포함하는 링 공진기 센서를 구비한 자기 참조 도파로 센서.
  15. 제13항에 있어서, 상기 비대칭 마흐-젠더 간섭계는,
    상기 링 공진기와 결합된 제1 암; 및
    상기 링 공진기와 결합되지 않은 제2 암을 포함하는 비대칭 마흐-젠더 간섭계를 포함하는 링 공진기 센서를 구비한 자기 참조 도파로 센서.
  16. 제13항에 있어서, 상기 비대칭 마흐-젠더 간섭계는,
    상기 제1 암에서 출력되는 광신호와 상기 제2 암에서 출사되는 광신호의 크기가 동일하고 위상은 180도가 차이가 나도록 하는 것을 특징으로 하는 링 공진기 센서를 구비한 자기 참조 도파로 센서.
  17. 비대칭 마흐-젠더 간섭계를 포함하는 링 공진기 센서를 구비한 마이크로 공진기 센서에 있어서,
    광신호를 발생시켜 상기 링 공진기 센서에 전달하는 광원부;
    상기 광원부에서 광신호를 전달받아 적어도 두 개의 동일하지 않은 구조의 암을 통해 진행시키는 비대칭 마흐-젠더 간섭계를 포함하는 링 공진기 센서;및
    상기 링 공진기 센서에서 출사된 광신호를 탐지하는 광 검출기를 포함하는 비대칭 마흐-젠더 간섭계를 포함하는 링 공진기 센서를 구비한 마이크로 공진기 센서.
  18. 제17항에 있어서, 상기 광원부는,
    광신호를 발생시키는 광원;
    상기 광원에서 발생한 상기 광신호를 커플링하는 광 결합기;
    상기 광 결합기를 통해 전달된 광신호 중 일정한 파장의 광신호를 필터링하는 파장 필터; 및
    상기 파장 필터를 통해 필터링된 상기 광신호를 TM(Tranverse Magnetic) 모드 및 TE(Tranverse Electric) 모드 중 적어도 하나의 모드로 편광 시키는 회전 편광기를 포함하는 비대칭 마흐-젠더 간섭계를 포함하는 링 공진기 센서를 구비한 마이크로 공진기 센서.
  19. 제17항에 있어서, 상기 비대칭 마흐-젠더 간섭계를 포함하는 링 공진기 센서는,
    상기 비대칭 마흐-젠더 간섭계를 포함하는 링 공진기 센서를 구비한 마이크로 공진기 센서에 적어도 하나 포함되는 것을 특징으로 하는 비대칭 마흐-젠더 간섭계를 포함하는 링 공진기 센서를 구비한 마이크로 공진기 센서.
  20. 제17항에 있어서, 상기 비대칭 마흐-젠더 간섭계는,
    상기 링 공진기와 결합된 제1 암; 및
    상기 링 공진기와 결합되지 않은 제2 암을 포함하는 비대칭 마흐-젠더 간섭계를 포함하는 링 공진기 센서를 구비한 마이크로 공진기 센서.
  21. 제17항에 있어서, 상기 비대칭 마흐-젠더 간섭계는,
    상기 제1 암에서 출력되는 광신호와 상기 제2 암에서 출사되는 광신호의 크기가 동일하고 위상은 180도가 차이가 나도록 하는 것을 특징으로 하는 비대칭 마흐-젠더 간섭계를 포함하는 링 공진기 센서를 구비한 마이크로 공진기 센서.
  22. 제17항에 있어서, 비대칭 마흐-젠더 간섭계를 포함하는 링 공진기 마이크로 공진기 센서는,
    상기 비대칭 마흐-젠더 간섭계 및 링 공진기 중 적어도 하나에서 진행하는 광신호의 크기를 변화시키는 것을 특징으로 하는 비대칭 마흐-젠더 간섭계를 포함하는 링 공진기 센서를 구비한 마이크로 공진기 센서.
  23. 제17항에 있어서, 비대칭 마흐-젠더 간섭계를 포함하는 링 공진기 마이크로 공진기 센서는,
    광신호에 존재하는 노이즈를 감쇠시키는 미세 신호 검출 장치를 더 포함하는 비대칭 마흐-젠더 간섭계를 포함하는 링 공진기 센서를 구비한 마이크로 공진기 센서.
  24. 제17항에 있어서, 비대칭 마흐-젠더 간섭계를 포함하는 링 공진기 마이크로 공진기 센서는,
    집적화 회로로 구현되는 것을 특징으로 하는 비대칭 마흐-젠더 간섭계를 포함하는 링 공진기 센서를 구비한 마이크로 공진기 센서.
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