KR20130108051A

KR20130108051A - Optical bio sensor, bio sensing system including the same, and method of fabricating the same

Info

Publication number: KR20130108051A
Application number: KR1020120123741A
Authority: KR
Inventors: 박윤동; 나경원; 서성동; 임동모
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2012-03-23
Filing date: 2012-11-02
Publication date: 2013-10-02
Also published as: KR101946456B1

Abstract

PURPOSE: An optical biosensor, a bio sensing system including the optical biosensor, and an optical biosensor manufacturing method are provided to minimize the optical biosensor by integrating a spectroscope including a plurality of ring-shaped resonators. CONSTITUTION: An optical biosensor includes a bio sensing unit (20) and a spectroscope (30). The bio sensing unit receives input optical signals and generates sensing optical signals having a wavelength changed by sensing a biomaterial. The spectroscope includes a plurality of ring-shaped resonators which divide the sensing optical signals according to a wavelength and generate a plurality of output optical signals respectively. The sensing optical signals are signals in which resonance wavelengths changed according to the concentration of the bio material is extracted from the wavelength components of the input optical signals or the resonance wavelengths are eliminated. [Reference numerals] (10) Light source; (20) Bio sensing unit; (30) Spectroscope; (40) Detecting unit

Description

Optical bio sensor, bio sensing system including the optical bio sensor, and manufacturing method of the optical bio sensor {Optical Bio Sensor, Bio Sensing System including the same, and Method of fabricating the same}

본 발명의 기술적 사상은 바이오 센서에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 광 바이오 센서, 상기 광 바이오 센서를 포함하는 바이오 센싱 시스템 및 상기 광 바이오 센서의 제조 방법에 관한 것이다.The technical idea of the present invention relates to a biosensor, and more particularly, to an optical biosensor, a bio sensing system including the optical biosensor, and a manufacturing method of the optical biosensor.

바이오 센서는 액체 또는 기체 상태에 있는 유기 물질이나 무기 물질의 농도를 측정하는 소자이다. 바이오 센서에는 압전 기반 바이오 센서, 광 바이오 센서, 전기화학 바이오 센서 등이 있다. 광 바이오 센서는 생물학적 요소가 탐지 대상 물질과 상호 작용해 바이오 물질의 농도를 광학적 현상으로 측정한다.Biosensors are devices that measure the concentration of organic or inorganic materials in the liquid or gaseous state. Biosensors include piezoelectric based biosensors, optical biosensors, and electrochemical biosensors. In optical biosensors, biological elements interact with a substance to be detected to measure the concentration of the biomaterial as an optical phenomenon.

본 발명의 기술적 사상이 해결하려는 과제는 구성 요소들을 집적화시킴으로써 작은 사이즈로 구현되어 휴대가 용이한 광 바이오 센서를 제공하는 데에 있다.The problem to be solved by the technical idea of the present invention is to provide an optical biosensor that is portable in a small size by integrating the components.

또한, 본 발명의 기술적 사상이 해결하려는 다른 과제는 구성 요소들을 집적화시킴으로써 작은 사이즈로 구현되어 휴대가 용이한 광 바이오 센서를 포함하는 바이오 센싱 시스템을 제공하는 데에 있다.Another object of the present invention is to provide a biosensing system including an optical biosensor which is small in size and easy to carry by integrating components.

또한, 본 발명의 기술적 사상이 해결하려는 다른 과제는 구성 요소들을 집적화시킴으로써 작은 사이즈로 구현되어 휴대가 용이한 광 바이오 센서의 제조 방법을 제공하는 데에 있다.In addition, another object of the present invention is to provide a method of manufacturing an optical biosensor, which is implemented in a small size and is easy to carry by integrating components.

본 발명의 기술적 사상에 따른 광 바이오 센서는 입력 광 신호를 수신하고, 바이오 물질의 센싱에 따라 변화되는 파장을 가지는 감지 광 신호를 생성하는 바이오 센싱부; 및 생성된 상기 감지 광 신호를 파장에 따라 분할하여 복수의 출력 광 신호들을 각각 생성하는 복수의 링 공진기들을 포함하는 분광기를 포함한다.According to an aspect of the inventive concept, an optical biosensor includes: a bio sensing unit configured to receive an input optical signal and to generate a sensing optical signal having a wavelength that changes according to sensing of a biomaterial; And a spectrometer including a plurality of ring resonators each of which generates the plurality of output optical signals by dividing the generated sensing optical signal according to a wavelength.

실시예들에 있어서, 상기 감지 광 신호는, 상기 입력 광 신호의 파장 성분에서, 상기 바이오 물질의 농도에 따라 변화되는 공진 파장이 추출된 신호이거나 상기 공진 파장이 소실된 신호일 수 있다. 실시예들에 있어서, 상기 바이오 센싱부는, 상기 입력 광 신호의 파장 성분에서 상기 공진 파장을 추출하는 링 공진기를 포함할 수 있다.In example embodiments, the sensing optical signal may be a signal from which a resonant wavelength, which is changed according to the concentration of the biomaterial, is extracted from the wavelength component of the input optical signal, or a signal from which the resonant wavelength is lost. In example embodiments, the bio-sensing unit may include a ring resonator extracting the resonant wavelength from the wavelength component of the input optical signal.

일 실시예에 있어서, 상기 바이오 센싱부는, 상기 입력 광 신호를 수신하는 제1 광 도파로; 상기 제1 광 도파로와의 간극을 통하여 상기 입력 광 신호의 파장에서 상기 공진 파장을 추출하는 링 공진기; 및 상기 링 공진기와의 간극을 통하여 인가된 상기 공진 파장을 상기 감지 광 신호로서 제공하는 제2 광 도파로를 포함할 수 있다.The bio-sensing unit may include: a first optical waveguide configured to receive the input optical signal; A ring resonator extracting the resonant wavelength from the wavelength of the input optical signal through a gap with the first optical waveguide; And a second optical waveguide for providing the resonance wavelength applied through the gap with the ring resonator as the sensing optical signal.

다른 실시예에 있어서, 상기 바이오 센싱부는, 상기 입력 광 신호를 수신하는 광 도파로; 및 상기 광 도파로와의 간극을 통하여 상기 입력 광 신호의 파장에서 상기 공진 파장을 소실시킴으로써 상기 감지 광 신호를 생성하고, 생성된 상기 감지 광 신호를 상기 광 도파로에 제공하는 링 공진기를 포함할 수 있다.In another embodiment, the bio-sensing unit, an optical waveguide for receiving the input optical signal; And a ring resonator configured to generate the sensing optical signal by dissipating the resonance wavelength at the wavelength of the input optical signal through a gap with the optical waveguide, and to provide the generated sensing optical signal to the optical waveguide. .

또 다른 실시예에 있어서, 상기 바이오 센싱부는, 상기 입력 광 신호를 수신하는 제1 광 도파로; 상기 입력 광 신호의 파장에서 공진 파장만을 추출하여, 상기 감지 광 신호로서 제공하는 공동 공진기; 및 상기 감지 광 신호를 수신하는 제2 광 도파로를 포함할 수 있다.In yet another embodiment, the bio-sensing unit includes: a first optical waveguide for receiving the input optical signal; A cavity resonator extracting only a resonant wavelength from a wavelength of the input optical signal and providing the detected resonant signal; And a second optical waveguide for receiving the sensing optical signal.

실시예들에 있어서, 상기 분광기는, 상기 감지 광 신호를 수신하는 제1 광 도파로; 상기 제1 광 도파로와의 간극을 통하여 상기 감지 광 신호의 파장에서 복수의 공진 파장들을 각각 추출하는 상기 복수의 링 공진기들; 및 상기 복수의 링 공진기들과의 간극을 통하여 상기 복수의 공진 파장들을 인가받아 상기 복수의 출력 광 신호들로 각각 제공하는 복수의 제2 광 도파로들을 포함할 수 있다.In some embodiments, the spectrometer further comprises: a first optical waveguide for receiving the sensing optical signal; The plurality of ring resonators each extracting a plurality of resonant wavelengths from the wavelength of the sensed optical signal through a gap with the first optical waveguide; And a plurality of second optical waveguides receiving the plurality of resonant wavelengths through the gaps with the plurality of ring resonators and providing the plurality of output optical signals, respectively.

실시예들에 있어서, 상기 복수의 링 공진기들은 서로 다른 공진 파장들을 각각 추출할 수 있다.In example embodiments, the plurality of ring resonators may extract different resonant wavelengths, respectively.

실시예들에 있어서, 상기 복수의 제2 광 도파로들은 말단에는 그레이팅 커플러(grating coupler)가 형성될 수 있다.In example embodiments, a grating coupler may be formed at an end of the plurality of second optical waveguides.

실시예들에 있어서, 상기 분광기는, 상기 감지 광 신호의 3dB 대역폭을 N 등분하여 대응되는 출력 파장 성분을 가지는 N개의 출력 광 신호들을 생성하는 N개의 링 공진기들을 포함할 수 있다.In example embodiments, the spectrometer may include N ring resonators generating N output optical signals having corresponding output wavelength components by dividing the 3dB bandwidth of the sensing optical signal by N equals.

실시예들에 있어서, 상기 바이오 센싱부 및 상기 분광기는 동일한 반도체 기판 상에 형성 또는 패키징될 수 있다.In example embodiments, the biosensor and the spectrometer may be formed or packaged on the same semiconductor substrate.

실시예들에 있어서, 상기 광 바이오 센서는 상기 복수의 출력 광 신호들을 전기적 신호들로 각각 변환하는 검출부를 더 포함할 수 있다. In example embodiments, the optical biosensor may further include a detector configured to convert the plurality of output optical signals into electrical signals, respectively.

실시예들에 있어서, 상기 검출부는, 상기 복수의 출력 광 신호들을 각각 수신하는 복수의 검출 소자들을 포함할 수 있다.In example embodiments, the detector may include a plurality of detection elements configured to receive the plurality of output optical signals, respectively.

실시예들에 있어서, 상기 복수의 검출 소자들은, 포토 다이오드, 포토 트랜지스터, TOF(Time of Flight) 센서, CMOS 센서, CCD 센서 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.In example embodiments, the plurality of detection elements may include at least one of a photo diode, a photo transistor, a time of flight (TOF) sensor, a CMOS sensor, and a CCD sensor.

실시예들에 있어서, 상기 바이오 센싱부, 상기 분광기 및 상기 검출부는 동일한 반도체 기판 상에 형성 또는 패키징될 수 있다.In example embodiments, the biosensor, the spectrometer, and the detector may be formed or packaged on the same semiconductor substrate.

실시예들에 있어서, 상기 광 바이오 센서는 상기 검출부로부터 출력된 상기 전기적 신호들을 기초로 하여 상기 바이오 물질의 농도를 결정하는 신호 처리부를 더 포함할 수 있다.In example embodiments, the optical biosensor may further include a signal processor configured to determine a concentration of the biomaterial based on the electrical signals output from the detector.

실시예들에 있어서, 상기 광 바이오 센서는 상기 입력 광 신호를 제공하는 광원을 더 포함할 수 있다.In example embodiments, the optical biosensor may further include a light source for providing the input optical signal.

본 발명의 기술적 사상에 따른 광 바이오 센서는 입력 광 신호로부터 바이오 물질의 존재 유무 또는 농도에 따라 변화되는 공진 파장을 가지는 감지 광 신호를 추출하는 바이오 센싱 링 공진기; 및 상기 감지 광 신호를 파장에 따라 분할하여 복수의 출력 광 신호들을 각각 추출하는 복수의 분광 링 공진기들을 포함한다.According to an aspect of the inventive concept, an optical biosensor includes: a bio-sensing ring resonator extracting a sensing optical signal having a resonance wavelength that varies according to the presence or concentration of a biomaterial from an input optical signal; And a plurality of spectral ring resonators for dividing the sensing optical signal according to a wavelength to extract a plurality of output optical signals, respectively.

실시예들에 있어서, 상기 복수의 출력 광 신호들을 전기적 신호들로 각각 변환함으로써, 상기 복수의 출력 광 신호들 각각의 인텐시티(intensity)를 제공하는 복수의 검출 소자들을 더 포함할 수 있다.In example embodiments, the apparatus may further include a plurality of detection elements that provide intensity of each of the plurality of output optical signals by converting the plurality of output optical signals into electrical signals, respectively.

본 발명의 기술적 사상에 따른 바이오 센싱 시스템은 바이오 물질이 유입 가능한 유로(fluidic channel); 및 상기 유로와 인접하게 배치된 개구부를 가지고, 광학적 특성을 기반으로 상기 바이오 물질의 존재 유무 또는 상기 바이오 물질의 농도를 감지하여 전기적 신호를 출력하는 바이오 센서 칩을 포함하고, 상기 바이오 센서 칩은, 입력 광 신호로부터 바이오 물질의 존재 유무 또는 농도에 따라 변화되는 파장을 가지는 감지 광 신호를 생성하는 바이오 센싱부; 및 생성된 상기 감지 광 신호를 파장에 따라 분할하여 복수의 출력 광 신호들을 각각 생성하는 복수의 링 공진기들을 포함하는 분광기를 포함한다.According to an aspect of the inventive concept, a biosensing system may include: a fluidic channel through which a biomaterial may be introduced; And a biosensor chip having an opening disposed adjacent to the flow path, the biosensor chip outputting an electrical signal by detecting the presence or absence of the biomaterial or the concentration of the biomaterial based on an optical characteristic, wherein the biosensor chip includes: A bio sensing unit configured to generate a sensing optical signal having a wavelength which is changed according to the presence or concentration of a biomaterial from an input optical signal; And a spectrometer including a plurality of ring resonators each of which generates the plurality of output optical signals by dividing the generated sensing optical signal according to a wavelength.

실시예들에 있어서, 상기 바이오 센서 칩은, 상기 복수의 출력 광 신호들을 전기적 신호들로 각각 변환하는 검출부를 더 포함할 수 있다.In example embodiments, the biosensor chip may further include a detector configured to convert the plurality of output optical signals into electrical signals, respectively.

본 발명의 기술적 사상에 따른 광 바이오 센서의 제조 방법은 기판 상에 클래딩층을 형성하는 단계; 상기 클래딩층 상에 코어층을 형성하는 단계; 및 상기 코어층을 패터닝하여 바이오 센싱 링 공진기, 복수의 분광 링 공진기들 및 복수의 광 도파로들을 형성하는 단계를 포함한다.According to an aspect of the present invention, a method of manufacturing an optical biosensor includes: forming a cladding layer on a substrate; Forming a core layer on the cladding layer; And patterning the core layer to form a bio sensing ring resonator, a plurality of spectral ring resonators, and a plurality of optical waveguides.

실시예들에 있어서, 상기 광 바이오 센서의 제조 방법은 상기 기판 상에 상기 클래딩층을 형성하는 단계를 수행하기 전에, 상기 기판에 복수의 검출 소자들을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.In example embodiments, the manufacturing method of the optical biosensor may further include forming a plurality of detection elements on the substrate before performing the forming of the cladding layer on the substrate.

실시예들에 있어서, 상기 복수의 광 도파로들은, 입력 광 신호를 수신하여 상기 바이오 센싱 링 공진기에 제공하는 제1 광 도파로; 상기 바이오 센싱 링 공진기로부터 감지 광 신호를 수신하여 상기 복수의 분광 링 공진기들에 제공하는 제2 광 도파로; 및 상기 복수의 분광 링 공진기로부터 복수의 출력 광 신호들을 각각 수신하는 복수의 제3 광 도파로들을 포함할 수 있다.The plurality of optical waveguides may include: a first optical waveguide for receiving an input optical signal and providing the input optical signal to the biosensor ring resonator; A second optical waveguide for receiving a sensing optical signal from the bio sensing ring resonator and providing the detected optical signal to the plurality of spectral ring resonators; And a plurality of third optical waveguides each receiving a plurality of output optical signals from the plurality of spectral ring resonators.

실시예들에 있어서, 광 바이오 센서의 제조 방법은 상기 복수의 제3 광 도파로들의 일단에 복수의 검출 소자들을 각각 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.In example embodiments, the manufacturing method of the optical biosensor may further include forming a plurality of detection elements at one end of the plurality of third optical waveguides, respectively.

본 발명의 기술적 사상에 따른 광 바이오 센서는 복수의 링 공진기들을 포함하는 분광기를 집적화함으로써 소형화할 수 있으며, 이에 따라, 휴대용 스마트 기기 등과 연동할 수 있으므로 사용자의 편의를 향상시킬 수 있다.The optical biosensor according to the spirit of the present invention can be miniaturized by integrating a spectrometer including a plurality of ring resonators. Accordingly, the optical biosensor can be linked with a portable smart device, thereby improving user convenience.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광 바이오 센서를 나타내는 블록도이다.
도 2는 도 1의 광 바이오 센서의 일 예를 상세하게 나타낸다.
도 3은 도 2의 바이오 센싱부를 더욱 상세하게 나타낸다.
도 4a 및 4b는 도 3의 바이오 센싱부에 포함되는 광 도파로의 예들을 나타낸다.
도 5a 및 5b는 도 3의 A-A' 선에 따른 단면도들로서, 도 5a는 표적 물질이 DNA인 경우를 나타내고, 도 5b는 표적 물질이 항체인 경우를 나타낸다.
도 6a는 도 3의 바이오 센싱부에서 표적 물질과 프로브 물질의 결합 전의 상태를 나타내고, 도 6b는 도 3의 바이오 센싱부에서 표적 물질과 프로브 물질이 결합 후의 상태를 나타내며, 도 6c는 도 6a 및 6b에서의 감지 광 신호를 나타낸다.
도 7은 도 2의 분광기의 일 예를 더욱 상세하게 나타낸다.
도 8은 도 7의 분광기에서 감지 광 신호의 스펙트럼 및 복수의 출력 광 신호들의 스펙트럼을 나타낸다.
도 9는 도 2의 분광기의 다른 예를 더욱 상세하게 나타낸다.
도 10은 도 7의 분광기를 포함하는 광 바이오 센서의 일 예의 일부를 나타내는 사시도이다.
도 11은 도 10의 그레이팅 커플러를 통한 광 커플링 원리를 나타낸다.
도 12는 도 7의 분광기를 포함하는 광 바이오 센서의 다른 예의 일부를 나타내는 사시도이다.
도 13은 도 2의 광 바이오 센서에서 생성되는 입력 광 신호, 감지 광 신호 및 복수의 출력 광 신호들의 스펙트럼을 나타내는 그래프이다.
도 14는 도 2의 광 바이오 센서에서 출력 광 신호의 파장 변화에 따른 인텐시티 변화를 나타내는 그래프이다.
도 15는 도 1의 광 바이오 센서의 다른 예를 상세하게 나타낸다.
도 16은 도 15의 바이오 센싱부를 더욱 상세하게 나타낸다.
도 17은 도 15의 광 바이오 센서에서 생성되는 입력 광 신호, 감지 광 신호 및 복수의 출력 광 신호들의 스펙트럼을 나타내는 그래프이다.
도 18은 도 1의 광 바이오 센서의 또 다른 예를 나타낸다.
도 19는 본 발명의 다른 실시예에 따른 광 바이오 센서를 나타내는 블록도이다.
도 20은 도 19의 신호 처리부를 더욱 상세하게 나타내는 블록도이다.
도 21 내지 24는 본 발명의 일 실시예에 따른 광 바이오 센서의 제조 방법을 설명하기 위하여 공정 순서에 따라 도시한 단면도들이다.
도 25는 본 발명의 일 실시예에 따른 광 바이오 센서의 제조 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 26은 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 센싱 시스템을 나타내는 블록도이다.1 is a block diagram illustrating an optical biosensor according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 illustrates an example of the optical biosensor of FIG. 1 in detail.
3 illustrates the bio-sensing unit of FIG. 2 in more detail.
4A and 4B illustrate examples of an optical waveguide included in the bio sensing unit of FIG. 3.
5A and 5B are cross-sectional views taken along line AA ′ of FIG. 3, and FIG. 5A shows a case where the target material is DNA, and FIG. 5B shows a case where the target material is an antibody.
FIG. 6A illustrates the state before the target material and the probe material are combined in the biosensor of FIG. 3, and FIG. 6B illustrates the state after the target material and the probe material are combined in the biosensor of FIG. 3. The sensing light signal in 6b is shown.
FIG. 7 shows an example of the spectrometer of FIG. 2 in more detail.
FIG. 8 illustrates a spectrum of a sensing optical signal and a spectrum of a plurality of output optical signals in the spectrometer of FIG. 7.
9 shows another example of the spectrometer of FIG. 2 in more detail.
10 is a perspective view illustrating a part of an example of an optical biosensor including the spectrometer of FIG. 7.
FIG. 11 illustrates the optical coupling principle through the grating coupler of FIG. 10.
12 is a perspective view illustrating a part of another example of the optical biosensor including the spectrometer of FIG. 7.
FIG. 13 is a graph illustrating a spectrum of an input optical signal, a sensing optical signal, and a plurality of output optical signals generated by the optical biosensor of FIG. 2.
FIG. 14 is a graph illustrating a change in intensity according to a wavelength change of an output optical signal in the optical biosensor of FIG. 2.
15 illustrates another example of the optical biosensor of FIG. 1.
FIG. 16 illustrates the bio sensing unit of FIG. 15 in more detail.
FIG. 17 is a graph illustrating a spectrum of an input optical signal, a sensing optical signal, and a plurality of output optical signals generated by the optical biosensor of FIG. 15.
18 illustrates another example of the optical biosensor of FIG. 1.
19 is a block diagram illustrating an optical biosensor according to another exemplary embodiment of the present invention.
20 is a block diagram illustrating in detail the signal processor of FIG. 19.
21 to 24 are cross-sectional views illustrating a manufacturing method of an optical biosensor according to an exemplary embodiment of the present invention.
25 is a flowchart illustrating a method of manufacturing an optical biosensor according to an embodiment of the present invention.
26 is a block diagram illustrating a bio sensing system according to an embodiment of the present invention.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명한다. 본 발명의 실시예는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 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 사용한다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하거나 축소하여 도시한 것이다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. Embodiments of the present invention are provided to more fully describe the present invention to those skilled in the art. The present invention is capable of various modifications and various forms, and specific embodiments are illustrated and described in detail in the drawings. It should be understood, however, that the invention is not intended to be limited to the particular forms disclosed, but includes all modifications, equivalents, and alternatives falling within the spirit and scope of the invention. Like reference numerals are used for similar elements in describing each drawing. In the accompanying drawings, the dimensions of the structures are enlarged or reduced from the actual dimensions for the sake of clarity of the present invention.

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 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terminology used herein is for the purpose of describing particular example embodiments only and is not intended to be limiting of the present invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise. In this application, the terms "comprises", "having", and the like are used to specify that a feature, a number, a step, an operation, an element, a part or a combination thereof is described in the specification, But do not preclude the presence or addition of one or more other features, integers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof.

또한, 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 목적으로 사용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위로부터 벗어나지 않으면서, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. Also, the terms first, second, etc. may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. The terms may be used for the purpose of distinguishing one component from another component. For example, without departing from the scope of the present invention, the first component may be referred to as a second component, and similarly, the second component may also be referred to as a first component.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
Unless otherwise defined, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs. Terms such as those defined in commonly used dictionaries are to be interpreted as having a meaning consistent with the contextual meaning of the related art and are to be interpreted as either ideal or overly formal in the sense of the present application Do not.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광 바이오 센서(1)를 나타내는 블록도이다.1 is a block diagram showing an optical biosensor 1 according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 광 바이오 센서(1)는 바이오 센싱부(bio sensing unit)(20), 분광기(spectrometer)(30) 및 검출부(detecting unit)(40)를 포함할 수 있다. 또한, 광 바이오 센서(1)는 광원을 더 포함할 수도 있다. 광 바이오 센서(1)는 바이오 물질들의 상호 작용, 구체적으로, 표적(target) 물질(예를 들어, 표적 DNA 또는 항원)과 프로브(probe) 물질(예를 들어, 프로브 DNA 또는 항체)의 결합에 따른 광학적 현상을 기초로 하여 바이오 물질의 존재 유무 또는 농도를 측정할 수 있다.Referring to FIG. 1, the optical biosensor 1 may include a bio sensing unit 20, a spectrometer 30, and a detecting unit 40. In addition, the optical biosensor 1 may further include a light source. The optical biosensor 1 is responsible for the interaction of biomaterials, specifically the binding of a target material (eg target DNA or antigen) to a probe material (eg probe DNA or antibody). Based on the optical phenomenon according to the presence or absence of the bio-material can be measured.

광원(10)은 입력 광 신호(Lin)를 생성하고, 생성된 입력 광 신호(Lin)를 바이오 센싱부(20)에 제공할 수 있다. 바이오 센싱부(20)는 입력 광 신호(Lin)를 수신하고, 바이오 물질의 센싱에 따라 변화되는 파장을 가지는 감지 광 신호(Ls)를 생성할 수 있다. 구체적으로, 감지 광 신호(Ls)는 입력 광 신호(Lin)의 파장 성분에서, 바이오 물질의 농도에 따라 변화되는 공진 파장이 추출된 광 신호이거나 공진 파장이 소실된 광 신호일 수 있다. The light source 10 may generate an input optical signal Lin and provide the generated input optical signal Lin to the biosensor 20. The bio-sensing unit 20 may receive an input optical signal Lin and generate a sensing optical signal Ls having a wavelength that changes according to sensing of the biomaterial. In detail, the sensing optical signal Ls may be an optical signal from which a resonant wavelength that is changed according to the concentration of the biomaterial is extracted from the wavelength component of the input optical signal Lin, or an optical signal of which the resonant wavelength is lost.

분광기(30)는 복수의 링 공진기들(미도시)을 포함할 수 있고, 복수의 링 공진기들은 감지 광 신호(Ls)를 파장에 따라 분할하여 복수의 출력 광 신호들(Lout1 내지 LoutN)을 각각 생성할 수 있다. 검출부(40)는 복수의 광 검출 소자들(미도시)을 포함할 수 있고, 복수의 광 검출 소자들은 복수의 출력 광 신호들(Lout1 내지 LoutN)을 전기적 신호들(Sout1 내지 SoutN)로 각각 변환할 수 있다.The spectrometer 30 may include a plurality of ring resonators (not shown), and the plurality of ring resonators divide the sensing optical signal Ls according to a wavelength to divide the plurality of output optical signals Lout1 to LoutN, respectively. Can be generated. The detector 40 may include a plurality of photodetectors (not shown), and the plurality of photodetectors respectively converts the plurality of output optical signals Lout1 to LoutN into electrical signals Sout1 to SoutN. can do.

일 실시예에서, 바이오 센싱부(20) 및 분광기(30)는 동일한 기판 상에 형성되거나 패키징될 수 있다. 다른 실시예에서, 바이오 센싱부(20), 분광기(30) 및 검출부(40)는 동일한 기판 상에 형성되거나 패키징될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 광원(10), 바이오 센싱부(20), 분광기(30) 및 검출부(40)는 동일한 기판 상에 형성되거나 패키징될 수 있다.In one embodiment, the bio sensing unit 20 and the spectrometer 30 may be formed or packaged on the same substrate. In another embodiment, the biosensor 20, the spectrometer 30, and the detector 40 may be formed or packaged on the same substrate. In another embodiment, the light source 10, the bio sensing unit 20, the spectrometer 30, and the detector 40 may be formed or packaged on the same substrate.

일반적인 광 바이오 센서는 광학적 특성을 이용하여 바이오 물질을 감지한 광 신호의 파장을 분석하여 바이오 물질의 농도를 판단하므로, 파장을 분석하기 위한 분광계와 같은 장치가 필요하다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 광 바이오 센서(1)는 복수의 링 공진기들을 이용하여 분광기(30)를 구현함으로써, 광 바이오 센서(1)의 다른 구성 요소, 예를 들어, 바이오 센싱부(20)와 함께 분광기(30)를 집적화할 수 있다. 이에 따라, 분광계와 같은 별도의 장비를 이용하지 않고 광 바이오 센서(1)를 구현할 수 있으므로, 광 바이오 센서(1)를 소형화할 수 있고, 이로써, 광 바이오 센서(1)를 휴대용 스마트 기기 등과 연동시킬 수 있다.
Typical optical biosensors require a device such as a spectrometer to analyze the wavelength, since the optical characteristics of the optical signal are detected by analyzing the wavelength of the optical signal that senses the bio-material using optical characteristics. According to an embodiment of the present invention, the optical biosensor 1 implements the spectrometer 30 using a plurality of ring resonators, whereby other components of the optical biosensor 1, for example, a biosensor unit ( 20 can be integrated with the spectrometer 30. Accordingly, since the optical biosensor 1 can be implemented without using a separate equipment such as a spectrometer, the optical biosensor 1 can be miniaturized, thereby linking the optical biosensor 1 with a portable smart device. You can.

도 2는 도 1의 광 바이오 센서의 일 예(1a)를 상세하게 나타낸다.FIG. 2 shows an example 1a of the optical biosensor of FIG. 1 in detail.

도 2를 참조하면, 광 바이오 센서(1a)는 광원(10a), 바이오 센싱부(20a), 분광기(30a) 및 검출부(40a)를 포함할 수 있다. 이하에서는, 광 바이오 센서(1a)의 구성 요소들에 대하여 상술하기로 한다.Referring to FIG. 2, the optical biosensor 1a may include a light source 10a, a bio sensing unit 20a, a spectrometer 30a, and a detector 40a. Hereinafter, the components of the optical biosensor 1a will be described in detail.

광원(10a)은 입력 광 신호(Lin)를 생성하고, 생성된 입력 광 신호(Lin)를 바이오 센싱부(20a)에 제공할 수 있다. 구체적으로, 입력 광 신호(Lin)는 일정 범위의 파장 성분을 포함할 수 있는데, 예를 들어, 수십 내지 수백 나노미터 범위의 파장 성분을 포함할 수 있다. 예를 들어, 입력 광 신호(Lin)의 3dB 주파수는 845 nm 및 855 nm 일 수 있고, 이때, 3dB 대역폭(bandwidth) 또는 FWHM(full width at half maximum)는 10 nm 일 수 있다. 이는 입력 광 신호(Lin)의 일 예에 불과하며, 입력 광 신호(Lin)의 파형 및 파장 범위는 실시예에 따라 다양하게 변경될 수 있다.The light source 10a may generate an input optical signal Lin and provide the generated input optical signal Lin to the biosensing unit 20a. Specifically, the input optical signal Lin may include a range of wavelength components, for example, may include wavelength components in the range of tens to hundreds of nanometers. For example, the 3dB frequency of the input optical signal Lin may be 845 nm and 855 nm, where the 3dB bandwidth or full width at half maximum (FWHM) may be 10 nm. This is only an example of the input optical signal Lin, and the waveform and the wavelength range of the input optical signal Lin may be variously changed according to embodiments.

일 실시예에서, 광원(10a)은 ASE(Amplified Spontaneous Emission), 초 발광 LED(Super Luminescent LED)일 수 있다. 다른 실시예에서, 광원(10a)은 파장 조절기(미도시) 및 파장 가변 광원(미도시)을 포함할 수 있는데, 파장 가변 광원은 예를 들어, DFD(Distributed Feedback Laser Diode) 레이저일 수 있다. In one embodiment, the light source 10a may be an ASE (Amplified Spontaneous Emission) or a Super Luminescent LED. In another embodiment, the light source 10a may include a wavelength regulator (not shown) and a variable wavelength light source (not shown), which may be, for example, a Distributed Feedback Laser Diode (DFD) laser.

바이오 센싱부(20a)는 입력 광 신호(Lin)로부터 바이오 물질의 존재 유무 또는 농도에 따라 변화되는 파장을 가지는 감지 광 신호(Ls)를 생성할 수 있다. 구체적으로, 감지 광 신호(Ls)는 입력 광 신호(Lin)의 파장 성분에서, 바이오 물질의 농도에 상응하는 공진 파장이 추출된 광 신호일 수 있다. 본 실시예에서, 바이오 센싱부(20a)는 입력 광 신호(Lin)의 파장에서 공진 파장을 추출하는 링 공진기(RR0)를 포함할 수 있다. 바이오 센싱부(20a)의 구체적인 구성에 대해서는 이하에서 도 3 내지 6을 참조하여 상술하기로 한다.The biosensing unit 20a can generate a sensing optical signal Ls having a wavelength that varies depending on the presence or concentration of the bio-material from the input optical signal Lin. Specifically, the sensing optical signal Ls may be an optical signal in which the resonant wavelength corresponding to the concentration of the biomaterial is extracted from the wavelength component of the input optical signal Lin. In the present exemplary embodiment, the biosensor 20a may include a ring resonator RR0 that extracts a resonant wavelength from the wavelength of the input optical signal Lin. A detailed configuration of the bio sensing unit 20a will be described below with reference to FIGS. 3 to 6.

분광기(30a)는 복수의 링 공진기들(RR1 내지 RR11)을 포함할 수 있고, 복수의 링 공진기들(RR1 내지 RR11)은 감지 광 신호(Ls)를 파장에 따라 분할하여 복수의 출력 광 신호들(Lout1 내지 Lout11)을 각각 생성할 수 있다. 본 실시예에서, 복수의 링 공진기들은 11개의 링 공진기들(RR1 내지 RR11)을 포함할 수 있으나, 복수의 링 공진기들의 개수는 실시예에 따라 다양하게 변경될 수 있다. 분광기(30a)의 구체적인 구성에 대해서는 이하에서 도 7 내지 12를 참조하여 상술하기로 한다.The spectrometer 30a may include a plurality of ring resonators RR1 to RR11, and the plurality of ring resonators RR1 to RR11 divide the sensing optical signal Ls according to a wavelength to output a plurality of output optical signals. Each of Lout1 to Lout11 can be generated. In the present embodiment, the plurality of ring resonators may include eleven ring resonators RR1 to RR11, but the number of the plurality of ring resonators may be variously changed according to the embodiment. A detailed configuration of the spectrometer 30a will be described below with reference to FIGS. 7 to 12.

검출부(40a)는 복수의 광 검출 소자들(PD1 내지 PD11)을 포함할 수 있고, 복수의 광 검출 소자들(PD1 내지 PD11)은 복수의 출력 광 신호들(Lout11 내지 Lout11)을 전기적 신호들(Sout1 내지 Sout11)로 각각 변환할 수 있다. 이때, 복수의 광 검출 소자들(PD1 내지 PD11)은 복수의 링 공진기들(RR1 내지 RR11)과 각각 연결될 수 있고, 복수의 광 검출 소자들(PD1 내지 PD11)의 개수는 복수의 링 공진기들(RR1 내지 RR1)의 개수에 대응될 수 있다. 예를 들어, 복수의 광 검출 소자들(PD1 내지 PD11)은 포토 다이오드, 포토 트랜지스터, CCD 이미지 센서, CMOS 이미지 센서 또는 TOF(Time of Flight) 센서 등을 포함할 수 있다.
The detector 40a may include a plurality of photodetecting elements PD1 to PD11, and the plurality of photodetecting elements PD1 to PD11 may transmit a plurality of output optical signals Lout11 to Lout11 to electrical signals ( Sout1 to Sout11) can be converted respectively. In this case, the plurality of photodetectors PD1 to PD11 may be connected to the plurality of ring resonators RR1 to RR11, respectively, and the number of the plurality of photodetectors PD1 to PD11 may be the plurality of ring resonators ( It may correspond to the number of RR1 to RR1). For example, the plurality of photodetectors PD1 to PD11 may include a photo diode, a photo transistor, a CCD image sensor, a CMOS image sensor, a time of flight (TOF) sensor, or the like.

도 3은 도 2의 바이오 센싱부(20a)를 더욱 상세하게 나타낸다.3 illustrates the bio-sensing unit 20a of FIG. 2 in more detail.

도 3을 참조하면, 바이오 센싱부(20a)는 제1 광 도파로(PWG1), 링 공진기(RR0) 및 제2 광 도파로(PWG2)를 포함할 수 있다. 제1 광 도파로(PWG1), 링 공진기(RR0) 및 제2 광 도파로(PWG2)의 상부에는 유로(FLCH)가 위치할 수 있다. 링 공진기(RR0)의 상부에는 링 공진기(RR0)를 유로(FLCH)에 노출시킬 수 있는 개구부(OP)가 위치할 수 있다. 이때, 제1 및 제2 광 도파로들(PWG1, PWG2)은 직선 광 도파로일 수 있고, 링 공진기(RR0)는 원형 또는 레이스 트랙 형태의 광 도파로일 수 있다. Referring to FIG. 3, the biosensor 20a may include a first optical waveguide PWG1, a ring resonator RR0, and a second optical waveguide PWG2. The flow path FLCH may be positioned above the first optical waveguide PWG1, the ring resonator RR0, and the second optical waveguide PWG2. An opening OP capable of exposing the ring resonator RR0 to the flow path FLCH may be positioned above the ring resonator RR0. At this time, the first and second optical waveguides PWG1 and PWG2 may be a linear optical waveguide, and the ring resonator RR0 may be an optical waveguide of a circular or racetrack type.

링 공진기(RR0)는 제1 광 도파로(PWG1)와 제1 간극(d1)을 두고 위치할 수 있으며, 링 공진기(RR0)는 제2 광 도파로(PWG2)와 는 제2 간극(d2)을 두고 위치할 수 있다. 일 실시예에서, 링 공진기(RR0)는 제1 광 도파로(PWG1)와 수평으로 제1 간극(d1)을 두고 위치하고, 제2 광 도파로(PWG2)와 수평으로 제2 간극(d2)을 두고 위치할 수 있다. 다른 실시예에서, 링 공진기(RR0)는 제1 광 도파로(PWG1)와 수직으로 제1 간극(d1)을 두고 위치하고, 제2 광 도파로(PWG)와 수직으로 제2 간극(d2)을 두고 위치할 수도 있다.
The ring resonator RR0 may be positioned with the first optical waveguide PWG1 and the first gap d1, and the ring resonator RR0 may have a second gap d2 with the second optical waveguide PWG2. Can be located. In one embodiment, the ring resonator RR0 is positioned with the first gap d1 horizontally with the first optical waveguide PWG1 and is positioned with the second gap d2 horizontally with the second optical waveguide PWG2. can do. In another embodiment, the ring resonator RR0 is positioned with the first gap d1 perpendicular to the first optical waveguide PWG1 and positioned with the second gap d2 perpendicular to the second optical waveguide PWG. You may.

도 4a 및 4b는 도 3의 바이오 센싱부(20a)에 포함되는 광 도파로의 예들(PWG', PWG")을 나타낸다.4A and 4B show examples of optical waveguides PWG ′ and PWG ″ included in the biosensor 20a of FIG. 3.

도 4a를 참조하면, 광 도파로(PWG')는 광 신호가 전파되는 코어(CORE) 및 코어(CORE)를 둘러싸고 있는 클래딩(CLD)을 포함할 수 있다. 코어(CORE)의 굴절률(n1)은 클래딩(CLD)의 굴절률(n2)보다 높다. 따라서, 광 신호가 임계값 이상의 각도(θt)로 코어(CORE)에 입사되면, 전반사(total reflection)에 의해 광 신호는 외부로 방사되지 않고 구속된 상태로 코어(CORE)를 따라 진행될 수 있다.Referring to FIG. 4A, the optical waveguide PWG ′ may include a core CORE through which an optical signal propagates and a cladding CLD surrounding the core CORE. The refractive index n1 of the core CORE is higher than the refractive index n2 of the cladding CLD. Therefore, when the optical signal is incident on the core at an angle? T equal to or greater than a threshold value, the optical signal can be propagated along the core in a constrained state without total reflection due to total reflection.

도 4b를 참조하면, 광 도파로(PWG")는 반도체 기판(SUB) 상에 형성되는 실리콘 도파로로 구현될 수 있다. 반도체 기판(SUB) 상에 하부 클래딩층(LCLD)이 형성되고, 하부 클래딩층(LCLD)의 상부에 코어층(CORE)이 형성되고, 코어층(CORE)을 둘러싸는 상부 클래딩층(UCLD)이 형성될 수 있다. 그러나, 이는 본 발명의 일 실시예에 불과하며, 광 도파로(PWG")의 구성, 다시 말해, 각 층이 형성되는 순서 및 각 층의 형상은 다양하게 변경될 수 있다.Referring to FIG. 4B, the optical waveguide PWG ″ may be implemented as a silicon waveguide formed on the semiconductor substrate SUB. A lower cladding layer LCLD is formed on the semiconductor substrate SUB, and a lower cladding layer is formed. A core layer CORE may be formed on the LCLD, and an upper cladding layer UCLD surrounding the core layer CORE may be formed, but this is only an embodiment of the present invention, and an optical waveguide The configuration of (PWG ″), that is, the order in which each layer is formed and the shape of each layer may be variously changed.

코어층(CORE)은 실리콘(Si) 또는 실리콘 기반의 화합물(예를 들어, 실리콘 나이트라이드(SiN))을 포함할 수 있고, 하부 클래딩층(LCLD) 및 상부 클래딩층(UCLD)은 옥사이드(Oxide, Ox)를 포함할 수 있다. 실리콘(Si)의 굴절률은 대략 3.5이고, 옥사이드(Ox)의 굴절률은 대략 1.4이므로, 코어층(CORE)의 굴절률이 클래딩층들(LCLD, UCLD)의 굴절률보다 높다. 따라서, 광 신호가 임계값 이상의 각도로 코어층(CORE)에 입사되면, 코어층(CORE)과 클래딩층들(LCLD, UCLD)의 경계에서 전반사가 일어나 광 신호는 코어층(CORE)을 따라 전파될 수 있다.
The core layer CORE may include silicon (Si) or a silicon based compound (eg, silicon nitride (SiN)), and the lower cladding layer (LCLD) and the upper cladding layer (UCLD) may be oxides. , Ox). Since the refractive index of the silicon Si is approximately 3.5 and the refractive index of the oxide Ox is approximately 1.4, the refractive index of the core layer CORE is higher than that of the cladding layers LCLD and UCLD. Therefore, when the optical signal is incident on the core layer CORE at an angle equal to or greater than a threshold value, total reflection occurs at the boundary between the core layer CORE and the cladding layers LCLD and UCLD, and the optical signal propagates along the core layer CORE. Can be.

다시 도 3을 참조하면, 광원(10a)으로부터 인가되어 전반사에 의해 제1 광 도파로(PWG1)를 진행하는 입력 광 신호(Lin)의 파장에서 링 공진기(RR0)의 공진 조건에 부합하는 파장, 다시 말해, 공진 파장(λr)이 링 공진기(RR0)로 전이된다. 이어서, 공진 파장(λr)은 링 공진기(RR0)를 통해 전파되다가 제2 광 도파로(PWG2)로 전이되어 감지 광 신호(Ls)로서 출력된다. Referring back to FIG. 3, the wavelength corresponding to the resonance condition of the ring resonator RR0 at the wavelength of the input optical signal Lin applied from the light source 10a and traveling through the first optical waveguide PWG1 by total reflection, again. In other words, the resonant wavelength lambda r is transferred to the ring resonator RR0. Subsequently, the resonant wavelength λ r propagates through the ring resonator RR0, is transferred to the second optical waveguide PWG2, and is output as the sensing optical signal Ls.

그러므로, 바이오 센싱부(20a)에서 생성된 감지 광 신호(Ls)는 입력 광 신호(Lin)에서 공진 파장(λr)이 추출된 광 신호이다. 이때, 공진 파장(λr)은 바이오 센싱부(20a)에 의해 감지되는 바이오 물질의 농도에 따라 변화될 수 있다. 따라서, 감지 광 신호(Ls)의 파장 성분은 바이오 물질의 농도에 따라 변화될 수 있다.Therefore, the sensing optical signal Ls generated by the biosensor 20a is an optical signal from which the resonance wavelength λr is extracted from the input optical signal Lin. In this case, the resonance wavelength λr may change according to the concentration of the biomaterial detected by the biosensor 20a. Therefore, the wavelength component of the sensing light signal Ls may vary depending on the concentration of the biomaterial.

보다 상세하게는, 링 공진기(RR0)의 상부에는 외부 물질, 예를 들어, 감지하고자 하는 바이오 물질과의 접촉을 위한 개구부(OP)가 형성된다. 반도체 기판 상에 반도체 소자나 회로 등이 형성된 후에는, 반도체 소자나 회로 등을 외부 물질로부터 보호하기 위한 패시베이션층이 형성될 수 있는데, 링 공진기(RR0)의 상부에 패시베이션 물질을 도포하지 않음으로써 개구부(OP)를 형성할 수 있다. 바이오 물질을 포함하는 유체 또는 기체는, 광 바이오 센서(1a)의 외부에 위치하고 개구부(OP)와 맞닿아 있는, 유로(Fluidic Channel, FLCH)를 통해 유입되어, 개구부(OP)를 통해 링 공진기(RR0)와 접촉될 수 있다.
More specifically, an opening OP is formed on the ring resonator RR0 for contact with an external material, for example, a biomaterial to be detected. After the semiconductor element or the circuit is formed on the semiconductor substrate, a passivation layer for protecting the semiconductor element or the circuit from an external material may be formed, the opening by not applying the passivation material on top of the ring resonator (RR0) (OP) can be formed. The fluid or gas containing the biomaterial is introduced through a flow channel (FLCH), which is located outside the optical biosensor 1a and is in contact with the opening OP, and through the opening OP, the ring resonator ( RR0).

도 5a 및 5b는 도 3의 A-A' 선에 따른 단면도들로서, 도 5a는 표적 물질이 DNA인 경우를 나타내고, 도 5b는 표적 물질이 항체인 경우를 나타낸다.5A and 5B are cross-sectional views taken along line AA ′ of FIG. 3, where FIG. 5A shows a case where the target material is DNA, and FIG. 5B shows a case where the target material is an antibody.

도 5a를 참조하면, 제1 광 도파로(PWG1)의 코어층(CORE1), 제2 광 도파로(PWG2)의 코어층(CORE2) 및 링 공진기(RR0)의 코어층(CORE0)은 동일한 레이어에 형성되어 수평하게 위치할 수 있다. 이때, 링 공진기(RR0)는 제1 및 제2 광 도파로들(PWG1, PWG2)과 수평 방향으로 소정의 간극을 두고 위치할 수 있다. 제1 및 제2 광 도파로들(PWG1, PWG2)의 상부에는 패시베이션층(PSV)이 형성되고, 링 공진기(RR0)의 상부에는 패시베이션층(PSV)이 형성되지 않고 개구부(OP)가 형성될 수 있다.Referring to FIG. 5A, the core layer CORE1 of the first optical waveguide PWG1, the core layer CORE2 of the second optical waveguide PWG2, and the core layer CORE0 of the ring resonator RR0 are formed in the same layer. Can be positioned horizontally. At this time, the ring resonator RR0 may be positioned with a predetermined gap in the horizontal direction from the first and second optical waveguides PWG1 and PWG2. A passivation layer PSV is formed on the first and second optical waveguides PWG1 and PWG2 and an opening OP is formed on the ring resonator RR0 without forming the passivation layer PSV have.

도 5b를 참조하면, 제1 및 제2 광 도파로들(PWG1, PWG2)의 코어층들(CORE1, CORE2)은 하부 레이어(예를 들어, 하부 클래딩층(LCLD)의 내부)에 형성되고, 링 공진기(RR0)의 코어층(CORE0)은 상부 레이어(예를 들어, 하부 클래딩층(LCLD)의 상부))에 형성될 수 있다. 이와 같이, 제1 및 제2 광 도파로들(PWG1, PWG2)의 코어층들(CORE1, CORE2) 및 링 공진기(RR0)의 코어층(CORE0)은 서로 다른 레이어들 상에 형성되어 수직으로 위치할 수 있다. 이때, 링 공진기(RR0)는 제1 및 제2 광 도파로들(PWG1, PWG2)과 수직 방향으로 소정의 간극을 두고 위치할 수 있다.Referring to FIG. 5B, core layers CORE1 and CORE2 of the first and second optical waveguides PWG1 and PWG2 are formed in a lower layer (eg, inside the lower cladding layer LCLD), and a ring The core layer CORE0 of the resonator RR0 may be formed in an upper layer (eg, an upper portion of the lower cladding layer LCLD). As described above, the core layers CORE1 and CORE2 of the first and second optical waveguides PWG1 and PWG2 and the core layer CORE0 of the ring resonator RR0 are formed on different layers and positioned vertically . At this time, the ring resonator RR0 may be positioned with a predetermined gap in the vertical direction from the first and second optical waveguides PWG1 and PWG2.

도 5a 및 5b를 참조하면, 링 공진기(RR0)의 코어층(CORE0)의 표면에는 측정하고자 하는 바이오 물질, 다시 말해, 표적 물질에 따른 수용체가 고정되어 있다. 수용체는 생물학적 또는 물리화학적 방법으로 링 공진기(RR0)의 코어층(CORE0)의 표면에 고정될 수 있다. 도 5a의 예에서, 표적 물질은 DNA(TDNA)이고, 이에 따른 수용체는 프로브 DNA(PDNA)이다. 한편, 도 5b의 예에서, 표적 물질은 항체(Ag)이고, 이에 따른 수용체는 항원(Ab)이다.5A and 5B, a biomaterial to be measured, that is, a receptor according to a target material is fixed to the surface of the core layer CORE0 of the ring resonator RR0. The receptor can be immobilized on the surface of the core layer (COREO) of the ring resonator (RR0) in a biological or physicochemical way. In the example of FIG. 5A, the target material is DNA (TDNA), and thus the receptor is probe DNA (PDNA). On the other hand, in the example of FIG. 5B, the target substance is an antibody (Ag), and thus the receptor is an antigen (Ab).

수용체(Ab, PDAN)에 표적 물질, 즉, 바이오 물질(Ag, TDNA)이 결합되면, 링 공진기(RR0)의 코어(CORE0)의 유효 굴절률이 변화되고, 링 공진기(RR0)의 공진 파장(λr)은 코어(CORE0)의 유효 굴절률에 따라 변화될 수 있다. 공진 파장(λr)은 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.When the target substance (Ag, TDNA) is coupled to the receptor (Ab, PDAN), the effective refractive index of the core (COREO) of the ring resonator (RR0) is changed and the resonance wavelength of the ring resonator ) Can be changed according to the effective refractive index of the core (COREO). The resonance wavelength? R can be expressed by Equation (1).

[수학식 1][Equation 1]

여기서, neff는 유효 굴절률이고, R은 링 공진기(RR0)의 반경을 나타내며, m은 정수이다. 수학식 1을 참조하면, 공진 파장(λr)은 유효 굴절률(neff)에 비례한다. 그러므로, 유효 굴절률(neff)이 증가하거나 감소하면, 이에 따라 링 공진기(RR0)의 공진 파장(λr)도 증가하거나 감소한다.Here, neff is the effective refractive index, R is the radius of the ring resonator RR0, and m is an integer. Referring to Equation (1), the resonant wavelength lambda r is proportional to the effective refractive index neff. Therefore, when the effective refractive index neff increases or decreases, the resonant wavelength? R of the ring resonator RR0 also increases or decreases.

예를 들어, 수용체(Ag, PDNA)와 바이오 물질(Ab, TDNA)이 결합하기 전 링 공진기의 유효 굴절률이 n0이고 공진 파장(λr)이 λ0 일 경우, 수용체와 바이오 물질이 결합되면, 링 공진기의 유효 굴절률은 n1, n2, n3, ...로 증가하고 , 공진 파장(λr)은 λ0, λ2, λ3, ...으로 변화될 수 있다. 수용체(Ag, PDNA)와 바이오 물질(Ag, TDNA)의 결합 정도는 바이오 물질의(Ab, TDNA)의 농도에 따라 달라지므로 결국, 공진 파장(λr)은 바이오 물질의 농도에 따라 달라질 수 있다.
For example, if the effective refractive index of the ring resonator is n0 and the resonance wavelength λr is λ0 before the receptors (Ag, PDNA) and the biomaterials (Ab, TDNA) are combined, the ring resonator is combined when the receptor and the biomaterial are combined. The effective refractive index of is increased to n1, n2, n3, ..., and the resonance wavelength λr can be changed to λ0, λ2, λ3, .... Since the degree of binding of the receptors (Ag, PDNA) and the biomaterials (Ag, TDNA) depends on the concentration of the biomaterials (Ab, TDNA), the resonance wavelength (λr) may eventually change depending on the concentration of the biomaterial.

도 6a는 도 3의 바이오 센싱부(20a)에서 표적 물질과 프로브 물질의 결합 전의 상태를 나타내고, 도 6b는 도 3의 바이오 센싱부(20a)에서 표적 물질과 프로브 물질이 결합 후의 상태를 나타내며, 도 6c는 도 6a 및 6b에서의 감지 광 신호(Ls)를 나타낸다.6A illustrates a state before the target material and the probe material are combined in the biosensor 20a of FIG. 3, and FIG. 6B illustrates a state after the target material and the probe material are combined in the biosensor 20a of FIG. 3. FIG. 6C shows the sensing light signal Ls in FIGS. 6A and 6B.

도 6a를 참조하면, 제1 광 도파로(PWG1)에 일정 대역폭의 파장(Δλ)을 가지는 입력 광 신호(Lin)가 입사되면, 입력 광 신호(Lin)는 제1 광 도파로(PWG1)를 따라서 진행한다. 이때 제1 광 도파로(PWG1)와 링 공진기(RR0)와의 간극(d1)을 통하여 상기 일정 대역폭의 파장(Δλ) 중 공진 파장(λr0)이 링 공진기(RR0)로 전이된다. 그리고, 링 공진기(RR0)와 제2 광 도파로(PWG2)와의 간극(d2)을 통하여 공진 파장(λr0)이 다시 제2 광 도파로(PWG2)로 전이되어 감지 광 신호(Ls)로서 출력된다. 이때, 프로브 DNA(PDNA)와 표적 DNA(TDNA)의 결합이 없는 경우의 링 공진기(RR0)의 공진 파장(λr)은 λr0이다. Referring to FIG. 6A, when an input optical signal Lin having a wavelength Δλ having a predetermined bandwidth enters the first optical waveguide PWG1, the input optical signal Lin travels along the first optical waveguide PWG1. do. At this time, the resonance wavelength? R0 of the wavelength? ?? of the constant bandwidth is transferred to the ring resonator RR0 through the gap d1 between the first optical waveguide PWG1 and the ring resonator RR0. Then, the resonant wavelength? R0 is transferred to the second optical waveguide PWG2 again through the gap d2 between the ring resonator RR0 and the second optical waveguide PWG2 and output as the sensing optical signal Ls. At this time, the resonant wavelength lambda r of the ring resonator RR0 in the absence of the probe DNA (PDNA) and the target DNA (TDNA) is lambda r0.

도 6b를 참조하면, 프로브 DNA(PDNA)와 표적 DNA(TDNA)가 결합하면, 링 공진기(RR0)의 굴절률이 변경되고, 이에 따라, 공진 파장은 λr0에서 λr0'으로 변경된다. 이때, 표적 DNA(TDNA)의 농도에 따라 링 공진기(RR0)의 굴절율이 변경되고, 이에 따라, 공진 파장도 변경될 수 있다.Referring to FIG. 6B, when the probe DNA (PDNA) and the target DNA (TDNA) bind, the refractive index of the ring resonator RR0 is changed, and thus the resonance wavelength is changed from λr0 to λr0 '. At this time, the refractive index of the ring resonator RR0 is changed according to the concentration of the target DNA (TDNA), so that the resonant wavelength can also be changed.

도 6c를 참조하면, 프로브 DNA(PDNA)와 표적 DNA(TDNA)의 결합에 의해 공진 파장이 λr0에서 λr0'으로 변경됨에 따라, 감지 광 신호(Ls)는 Lλr0에서 Lλr0'로 변경되는 것을 알 수 있다.
Referring to FIG. 6C, as the resonance wavelength is changed from λr0 to λr0 ′ by the coupling of the probe DNA (PDNA) and the target DNA (TDNA), it can be seen that the detection light signal Ls is changed from Lλr0 to Lλr0 ′. have.

도 7은 도 2의 분광기의 일 예(30a')를 더욱 상세하게 나타낸다.FIG. 7 shows an example 30a 'of the spectrometer of FIG. 2 in more detail.

도 7을 참조하면, 분광기(30a')는 제2 광 도파로(PWG2), 복수의 링 공진기들(RR1 내지 RR11) 및 복수의 제3 광 도파로들(PWG3_1 내지 PWG3_11)을 포함할 수 있다. 구체적으로, 분광기(30a')는 감지 광 신호(Ls)의 3dB 대역폭을 N 등분하여 대응되는 출력 파장 성분을 가지는 N개의 출력 광 신호들을 각각 생성하는 N개의 링 공진기들(RR1 내지 RR11)을 포함할 수 있다. 본 실시예에서, N은 11일 수 있으나, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 링 공진기들의 개수는 다양하게 변경될 수 있다.Referring to FIG. 7, the spectrometer 30a ′ may include a second optical waveguide PWG2, a plurality of ring resonators RR1 to RR11, and a plurality of third optical waveguides PWG3_1 to PWG3_11. Specifically, the spectrometer 30a 'includes N ring resonators RR1 to RR11 each generating N output optical signals having corresponding output wavelength components by N equaling the 3 dB bandwidth of the sensing optical signal Ls. can do. In the present embodiment, N may be 11, but the present invention is not limited thereto, and the number of ring resonators may be variously changed.

제2 광 도파로(PWG2) 및 복수의 제3 광 도파로들(PWG3)은 직선 광 도파로일 수 있고, 복수의 링 공진기들(RR1 내지 RR11)은 원형 또는 레이스 트랙 형태의 광 도파로일 수 있다. 본 실시예에서, 복수의 제3 광 도파로들(PWG3_1 내지 PWG3_11)은 제2 광 도파로(PWG2)에 대해 수직으로 배치될 수 있다.The second optical waveguide PWG2 and the plurality of third optical waveguides PWG3 may be linear optical waveguides, and the plurality of ring resonators RR1 to RR11 may be circular or race track type optical waveguides. In the present embodiment, the plurality of third optical waveguides PWG3_1 to PWG3_11 may be disposed perpendicularly to the second optical waveguide PWG2.

복수의 링 공진기들(RR1 내지 RR11)은 제2 광 도파로(PWG2)와 제3 간극(d3)을 두고 위치할 수 있다. 그러나, 다른 실시예에서, 복수의 링 공진기들(RR1 내지 RR11)의 각각은 제2 광 도파로(PWG2)와 서로 다른 간극을 두고 위치할 수도 있다. 또한, 복수의 링 공진기들(RR1 내지 RR11)의 각각은 대응되는 제3 광 도파로(PWG3_1 내지 PWG3_11)와 제4 간극(d4)을 두고 위치할 수 있다. 그러나, 다른 실시예에서, 복수의 링 공진기들(RR1 내지 RR11)의 각각은 대응되는 제3 광 도파로(PWG3_1 내지 PWG3_11)와 서로 다른 간극을 두고 위치할 수도 있다.The plurality of ring resonators RR1 to RR11 may be positioned with the second optical waveguide PWM2 and the third gap d3. However, in another embodiment, each of the plurality of ring resonators RR1 to RR11 may be positioned with a different gap from the second optical waveguide PWG2. In addition, each of the plurality of ring resonators RR1 to RR11 may be positioned with a corresponding third optical waveguide PWG3_1 to PWG3_11 and a fourth gap d4. However, in another embodiment, each of the plurality of ring resonators RR1 to RR11 may be positioned with a different gap from the corresponding third optical waveguides PWG3_1 to PWG3_11.

일 실시예에서, 복수의 링 공진기들(RR1 내지 RR11)은 제2 광 도파로(PWG2)와 수평으로 제3 간극(d3)을 두고 위치하고, 대응되는 제3 광 도파로(PWG3_1 내지 PWG3_11)와 수평으로 제4 간극(d4)을 두고 위치할 수 있다. 다른 실시예에서, 복수의 링 공진기들(RR1 내지 RR11)은 제2 광 도파로(PWG2)와 수직으로 제3 간극(d3)을 두고 위치하고, 대응되는 제3 광 도파로(PWG3_1 내지 PWG3_11)와 수직으로 제4 간극(d4)을 두고 위치할 수 있다. In one embodiment, the plurality of ring resonators RR1 to RR11 are positioned with the third gap d3 horizontally with the second optical waveguide PWG2 and horizontally with the corresponding third optical waveguides PWG3_1 to PWG3_11. The fourth gap d4 may be positioned. In another embodiment, the plurality of ring resonators RR1 to RR11 are positioned with the third gap d3 perpendicular to the second optical waveguide PWG2 and perpendicular to the corresponding third optical waveguides PWG3_1 to PWG3_11. The fourth gap d4 may be positioned.

복수의 링 공진기들, 즉, 제1 내지 제11 링 공진기들(RR1 내지 RR11) 각각의 공진 파장은 서로 다를 수 있다. 예를 들어, 제1 링 공진기(RR1)의 공진 파장(λr1)이 가장 작고, 제11 링 공진기(RR11)의 공진 파장(λr11)이 가장 클 수 있다. 이때, 제1 내지 제11 링 공진기들(RR1 내지 RR11) 중 인접한 두 링 공진기들 사이의 공진 파장의 차이는 모두 동일할 수 있다.
Resonant wavelengths of each of the plurality of ring resonators, that is, the first to eleventh ring resonators RR1 to RR11 may be different from each other. For example, the resonant wavelength λr1 of the first ring resonator RR1 may be the smallest, and the resonant wavelength λr11 of the eleventh ring resonator RR11 may be the largest. In this case, the difference in resonant wavelength between two adjacent ring resonators among the first to eleventh ring resonators RR1 to RR11 may be the same.

도 8은 도 7의 분광기(30a')에서 감지 광 신호(Ls)의 스펙트럼 및 복수의 출력 광 신호들(Lout1 내지 Lout11)의 스펙트럼을 나타낸다.FIG. 8 shows the spectrum of the sensing light signal Ls and the spectrum of the plurality of output light signals Lout1 to Lout11 in the spectrometer 30a 'of FIG. 7.

도 8을 참조하면, 분광기(30a')는 감지 광 신호(Ls)의 3dB 대역폭을 기준으로 감지 광 신호(Ls)를 분할하여 복수의 출력 광 신호들(Lout1 내지 Lout11)을 생성할 수 있다. 구체적으로, 분광기(30a')는 감지 광 신호(Ls)의 3dB 대역폭을 (N-1)로 나눔으로써, N개의 출력 광 신호들(Lout1 내지 Lout11)을 생성할 수 있다. N개의 출력 광 신호들(Lout1 내지 Lout11)의 가우시안(Gaussian) 정점을 연결하면, 감지 광 신호(Ls)의 3dB 대역폭에 해당하는 파형을 얻을 수 있다. Referring to FIG. 8, the spectrometer 30a ′ may generate a plurality of output optical signals Lout1 to Lout11 by dividing the sensing optical signal Ls based on the 3dB bandwidth of the sensing optical signal Ls. Specifically, the spectrometer 30a 'may generate N output optical signals Lout1 to Lout11 by dividing the 3dB bandwidth of the sensing optical signal Ls by (N-1). When the Gaussian peaks of the N output optical signals Lout1 to Lout11 are connected, a waveform corresponding to the 3 dB bandwidth of the sensing optical signal Ls may be obtained.

본 실시예에서, 감지 광 신호(Ls)의 3dB 주파수는 849.75 nm, 850.25 nm이고, 3dB 대역폭은 0.5 nm이며, N은 11일 수 있다. 이때, 분광기(30a')는 감지 광 신호(Ls)의 3dB 대역폭인 0.5 nm를 10(즉, N-1)으로 나눔으로써, 각 출력 광 신호의 정점 간의 간격이 0.05 nm인 제1 내지 제11 출력 광 신호들(Lout1 내지 Lout11)을 생성할 수 있다. 이때, 제1 출력 광 신호(Lout1)의 정점은 849.75 nm, 제2 출력 광 신호(Lout2)의 정점은 849.80 nm, 제11 출력 광 신호(Lout11)의 정점은 850.25 nm일 수 있다.
In this embodiment, the 3dB frequency of the sensing light signal Ls is 849.75 nm, 850.25 nm, the 3dB bandwidth is 0.5 nm, and N may be 11. At this time, the spectrometer 30a 'divides 0.5 nm, which is the 3 dB bandwidth of the sensing optical signal Ls, by 10 (that is, N-1), so that the interval between the vertices of each output optical signal is 0.05 nm. Output optical signals Lout1 to Lout11 may be generated. In this case, the peak of the first output optical signal Lout1 may be 849.75 nm, the peak of the second output optical signal Lout2 may be 849.80 nm, and the peak of the eleventh output optical signal Lout11 may be 850.25 nm.

도 9는 도 2의 분광기의 다른 예(30a")를 더욱 상세하게 나타낸다.FIG. 9 shows another example 30a "of the spectrometer of FIG. 2 in more detail.

도 9를 참조하면, 분광기(30a")는 제2 광 도파로(PWG2), 복수의 링 공진기들(RR1 내지 RR11) 및 복수의 제3 광 도파로들(PWG3_1' 내지 PWG3_11')을 포함할 수 있다. 구체적으로, 분광기(30a")는 감지 광 신호(Ls)의 3dB 대역폭을 N 등분하여 대응되는 출력 파장 성분을 가지는 N개의 출력 광 신호들을 각각 생성하는 N개의 링 공진기들을 포함할 수 있다. 본 실시예에서, N은 11일 수 있으나, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 링 공진기들의 개수는 다양하게 변경될 수 있다.Referring to FIG. 9, the spectrometer 30a ″ may include a second optical waveguide PWG2, a plurality of ring resonators RR1 to RR11, and a plurality of third optical waveguides PWG3_1 ′ to PWG3_11 ′. Specifically, the spectrometer 30a "may include N ring resonators, each N-dividing the 3dB bandwidth of the sensing optical signal Ls to produce N output optical signals having corresponding output wavelength components. In the present embodiment, N may be 11, but the present invention is not limited thereto, and the number of ring resonators may be variously changed.

제2 광 도파로(PWG2) 및 복수의 제3 광 도파로들(PWG3_1' 내지 PWG3_11')은 직선 광 도파로일 수 있고, 복수의 링 공진기들(RR1 내지 RR11)은 원형 또는 레이스 트랙 형태의 광 도파로일 수 있다. 본 실시예에서, 복수의 제3 광 도파로들(PWG3_1' 내지 PWG3_11')은 제2 광 도파로(PWG2)와 평행하게 배치될 수도 있다.The second optical waveguide PWG2 and the plurality of third optical waveguides PWG3_1 'to PWG3_11' may be linear optical waveguides, and the plurality of ring resonators RR1 to RR11 may be circular or race track optical waveguides. Can be. In the present exemplary embodiment, the plurality of third optical waveguides PWG3_1 ′ to PWG3_11 ′ may be disposed in parallel with the second optical waveguide PWG2.

복수의 링 공진기들(RR1 내지 RR11)은 제2 광 도파로(PWG2)와 제3 간극(d3)을 두고 위치할 수 있다. 그러나, 다른 실시예에서, 복수의 링 공진기들(RR1 내지 RR11)의 각각은 제2 광 도파로(PWG2)와 서로 다른 간극을 두고 위치할 수도 있다. 또한, 복수의 링 공진기들(RR1 내지 RR11)의 각각은 대응되는 제3 광 도파로(PWG3_1' 내지 PWG3_11')와 제4 간극(d4')을 두고 위치할 수 있다. 그러나, 다른 실시예에서, 복수의 링 공진기들(RR1 내지 RR11)의 각각은 대응되는 제3 광 도파로(PWG3_1' 내지 PWG3_11')와 서로 다른 간극을 두고 위치할 수도 있다.The plurality of ring resonators RR1 to RR11 may be positioned with the second optical waveguide PWM2 and the third gap d3. However, in another embodiment, each of the plurality of ring resonators RR1 to RR11 may be positioned with a different gap from the second optical waveguide PWG2. In addition, each of the plurality of ring resonators RR1 to RR11 may be disposed to have a corresponding third optical waveguide PWG3_1 ′ to PWG3_11 ′ and a fourth gap d4 ′. However, in another embodiment, each of the plurality of ring resonators RR1 to RR11 may be positioned with a different gap from the corresponding third optical waveguides PWG3_1 ′ to PWG3_11 ′.

일 실시예에서, 복수의 링 공진기들(RR1 내지 RR11)은 제2 광 도파로(PWG2)와 수평으로 제3 간극(d3)을 두고 위치하고, 대응되는 제3 광 도파로(PWG3_1' 내지 PWG3_11')와 수평으로 제4 간극(d4)을 두고 위치할 수 있다. 다른 실시예에서, 복수의 링 공진기들(RR1 내지 RR11)은 제2 광 도파로(PWG2)와 수직으로 제3 간극(d3)을 두고 위치하고, 대응되는 제3 광 도파로(PWG3_1' 내지 PWG3_11')와 수직으로 제4 간극(d4)을 두고 위치할 수 있다. In one embodiment, the plurality of ring resonators RR1 to RR11 are positioned with the third gap d3 horizontally with the second optical waveguide PWG2, and correspond to the corresponding third optical waveguides PWG3_1 ′ to PWG3_11 ′. The fourth gap d4 may be positioned horizontally. In another embodiment, the plurality of ring resonators RR1 to RR11 are positioned with the third gap d3 perpendicular to the second optical waveguide PWG2, and correspond to the corresponding third optical waveguides PWG3_1 ′ to PWG3_11 ′. The fourth gap d4 may be vertically positioned.

복수의 링 공진기들, 즉, 제1 내지 제11 링 공진기들(RR1 내지 RR11) 각각의 공진 파장은 서로 다를 수 있다. 예를 들어, 제1 링 공진기(RR1)의 공진 파장(λr1)이 가장 작고, 제11 링 공진기(RR11)의 공진 파장(λr11)이 가장 클 수 있다. 이때, 제1 내지 제11 링 공진기들(RR1 내지 RR11) 중 인접한 두 링 공진기들 사이의 공진 파장의 차이는 모두 동일할 수 있다. 복수의 출력 광 신호들(Lout1 내지 Lout11)의 스펙트럼은 도 8와 실질적으로 유사할 수 있으므로, 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
Resonant wavelengths of each of the plurality of ring resonators, that is, the first to eleventh ring resonators RR1 to RR11 may be different from each other. For example, the resonant wavelength λr1 of the first ring resonator RR1 may be the smallest, and the resonant wavelength λr11 of the eleventh ring resonator RR11 may be the largest. In this case, the difference in resonant wavelength between two adjacent ring resonators among the first to eleventh ring resonators RR1 to RR11 may be the same. Since the spectrum of the plurality of output optical signals Lout1 to Lout11 may be substantially similar to that of FIG. 8, a detailed description thereof will be omitted.

도 10은 도 7의 분광기(30a')를 포함하는 광 바이오 센서의 일 예(1a')의 일부를 나타내는 사시도이다.FIG. 10 is a perspective view illustrating a part of an example 1a ′ of the optical biosensor including the spectrometer 30a ′ of FIG. 7.

도 10을 참조하면, 광 바이오 센서(1a')는 기판(SUB)의 상부 영역에 복수의 광 검출 소자들(예를 들어, 포토 다이오드들)(PD1, PD2)이 배치되고, 그 위에 하부 클래딩층(LCLD)이 배치되며, 그 위에 복수의 링 공진기들(RR1, RR2)의 코어층들 및 복수의 제3 광 도파로들(PWG3_1, PWG3_2)의 코어층들이 배치될 수 있다. 이하에서는, 편의상, 복수의 링 공진기들(RR1, RR2)의 코어층들을 복수의 링 공진기들(RR1, RR2)로 지칭하고, 복수의 제3 광 도파로들(PWG3_1, PWG3_2)의 코어층들을 복수의 제3 광 도파로들(PWG3_1, PWG3_2)이라고 지칭하기로 한다.Referring to FIG. 10, in the optical biosensor 1a ′, a plurality of photodetecting elements (eg, photodiodes) PD1 and PD2 are disposed in an upper region of the substrate SUB, and a lower cladding is disposed thereon. The layer LCLD may be disposed, and the core layers of the plurality of ring resonators RR1 and RR2 and the core layers of the third optical waveguides PWG3_1 and PWG3_2 may be disposed thereon. Hereinafter, for convenience, core layers of the plurality of ring resonators RR1 and RR2 are referred to as a plurality of ring resonators RR1 and RR2, and core layers of the plurality of third optical waveguides PWG3_1 and PWG3_2 are provided. The third optical waveguides PWG3_1 and PWG3_2 will be referred to.

편의상 도 10에서는 바이오 센싱부(20a)를 구성하는 제1 및 제2 광 도파로들(PWG1, PWG2) 및 링 공진기(RR0)를 도시하지 않았다. 일 실시예에서, 제2 광 도파로(PWG2)는 복수의 제3 광 도파로들(PWG3_1, PWG3_2)에 대해 수직으로 배치될 수 있다. 그러나, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 제2 광 도파로(PWG2)와 복수의 제3 광 도파로들(PWG3_1, PWG3_2)의 배치 관계는 다양하게 변경될 수 있다.For convenience, the first and second optical waveguides PWG1 and PWG2 and the ring resonator RR0 constituting the biosensor 20a are not illustrated in FIG. 10. In an embodiment, the second optical waveguide PWG2 may be disposed perpendicular to the plurality of third optical waveguides PWG3_1 and PWG3_2. However, the present invention is not limited thereto, and the arrangement relationship between the second optical waveguide PWG2 and the plurality of third optical waveguides PWG3_1 and PWG3_2 may be variously changed.

본 실시예에서, 복수의 제3 광 도파로들(PWG3_1, PWG3_2)들의 말단에는 그레이팅 커플러들(G1, G2)이 형성될 수 있다. 그레이팅 커플러들(G1, G2)은 복수의 제3 광 도파로들(PWG3_1, PWG3_2)의 양단에 그레이팅, 즉, 격자를 형성함으로써 구현할 수 있다. 그레이팅 커플러들(G1, G2)은 광이 격자를 만나면서 회절하는 특성을 이용하여 광을 송수신할 수 있고, 격자의 간격을 조절함으로써 광을 필터링할 수도 있다.In the present embodiment, the grating couplers G1 and G2 may be formed at the ends of the third optical waveguides PWG3_1 and PWG3_2. The grating couplers G1 and G2 may be implemented by forming a grating, that is, a grating, at both ends of the plurality of third optical waveguides PWG3_1 and PWG3_2. The grating couplers G1 and G2 may transmit / receive light by using a characteristic that light diffracts as it meets a grating, and may filter the light by adjusting a distance between the gratings.

그레이팅 커플러(G1, G2)에 형성되는 격자의 사이즈, 즉 격자의 주기는 입사되는 광의 폭(w)과 파수 벡터(k-vector)에 의해 결정될 수 있다. 그에 따라, 그레이팅 커플러(G1, G2)에 적절한 격자가 형성됨으로써, 해당 입사광이 높은 광 커플링 효율을 가지고 그레이팅 커플러(G1, G2)에 광 결합할 수 있다. 그레이팅 커플러(G1, G2)로 광이 커플링하기 위한 조건은 이하에서 도 11을 참조하여 설명하기로 한다.
The size of the grating formed on the grating couplers G1 and G2, that is, the period of the grating, may be determined by the width w of the incident light and the wave number k-vector. As a result, an appropriate grating is formed in the grating couplers G1 and G2, so that the incident light can be optically coupled to the grating couplers G1 and G2 with high optical coupling efficiency. Conditions for coupling light to the grating couplers G1 and G2 will be described below with reference to FIG. 11.

도 11은 도 10의 그레이팅 커플러를 통한 광 커플링 원리를 나타낸다.FIG. 11 illustrates the optical coupling principle through the grating coupler of FIG. 10.

도 11을 참조하면, 우선, 입사광이 높은 광 커플링 효율로 그레이팅 커플러에 광 결합하기 위해서는 그 위상이 일치하여야 한다. 그러한 위상 매칭 조건은 아래의 수학식 2와 같이 나타난다.Referring to FIG. 11, first, phases of the incident light must coincide in order to optically couple the grating coupler with high optical coupling efficiency. Such a phase matching condition is expressed by Equation 2 below.

[수학식 2]&Quot; (2) "

βν = β0 + ν2π/Λβν = β0 + ν2π / Λ

여기서, ν는 정수이고, Λ는 그레이팅의 주기를 나타내며, βν는 ν번째 모드의 위상을 나타내며, β0은 기본(fundamental) 모드의 위상을 나타낸다.Here, ν is an integer, Λ represents a period of grating, βν represents a phase of the ν-th mode, and β0 represents a phase of the fundamental mode.

또한, 입사광이 도파로로 구속되기 위한 조건인 가이딩 조건(guiding condition)은 아래의 수학식 3과 같이 나타난다.In addition, a guiding condition, which is a condition for the incident light to be confined to the waveguide, is expressed by Equation 3 below.

[수학식 3]&Quot; (3) "

αm = κn3sinθm =(2π/λ0n3)sinθmαm = κn3sinθm = (2π / λ0n3) sinθm

여기서, m는 정수이고, λ0 기본 모드 광의 파장을 나타내며, κ는 파수로서 파장의 역수이다. 또한, αm는 m번째 모드 광의 굴절율 조건 값이고, θm는 m번째 모드 광의 입사각도이다. 한편, 도 11에서, w는 입사된 광의 폭을 나타내고, n1은 하부 클래드층의 굴절율을 나타내고, n2는 코어층의 굴절율을 나타내며, n3는 도파로 외부 또는 상부 클래드층의 굴절율을 나타낸다. 입사광이 도파로에 가이딩되기 위해서는 κn3 < αm < κn2의 관계를 만족해야 한다.
Where m is an integer, represents the wavelength of lambda 0 basic mode light, and κ is the inverse of the wavelength as the wave number. Is the refractive index condition value of the m-th mode light, and? M is the incident angle of the m-th mode light. Meanwhile, in FIG. 11, w denotes the width of incident light, n1 denotes the refractive index of the lower clad layer, n2 denotes the refractive index of the core layer, and n3 denotes the refractive index of the waveguide external or upper cladding layer. In order for the incident light to be guided to the waveguide, the relationship of κn3 <αm <κn2 must be satisfied.

도 12는 도 7의 분광기(30a')를 포함하는 광 바이오 센서의 다른 예(1a")의 일부를 나타내는 사시도이다.FIG. 12 is a perspective view showing a part of another example 1a "of the optical biosensor including the spectrometer 30a 'of FIG.

도 12를 참조하면, 광 바이오 센서(1a")는 기판(SUB) 상에 하부 클래딩층(LCLD)이 배치되며, 그 위에 복수의 링 공진기들(RR1, RR2)의 코어층들 및 복수의 제3 광 도파로들(PWG3_1, PWG3_2)의 코어층들이 배치될 수 있다. 이하에서는, 편의상, 복수의 링 공진기들(RR1, RR2)의 코어층들을 복수의 링 공진기들(RR1, RR2)로 지칭하고, 복수의 제3 광 도파로들(PWG3_1, PWG3_2)의 코어층들을 복수의 제3 광 도파로들(PWG3_1, PWG3_2)이라고 지칭하기로 한다.Referring to FIG. 12, a lower cladding layer LCLD is disposed on a substrate SUB in an optical biosensor 1a ″, and the core layers and the plurality of first layers of the plurality of ring resonators RR1 and RR2 are disposed thereon. The core layers of the three optical waveguides PWG3_1 and PWG3_2 may be disposed. Hereinafter, for convenience, the core layers of the plurality of ring resonators RR1 and RR2 are referred to as the plurality of ring resonators RR1 and RR2. The core layers of the plurality of third optical waveguides PWG3_1 and PWG3_2 will be referred to as the plurality of third optical waveguides PWG3_1 and PWG3_2.

편의상 도 12에서는 바이오 센싱부(20a)를 구성하는 제1 및 제2 광 도파로들(PWG1, PWG2) 및 링 공진기(RR0)를 도시하지 않았다. 일 실시예에서, 제2 광 도파로(PWG2)는 복수의 제3 광 도파도들(PWG3_1, PWG3_2)에 대해 수직으로 배치될 수 있다. 그러나, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 제2 광 도파로(PWG2)와 복수의 제3 광 도파로들(PWG3_1, PWG3_2)의 배치 관계는 다양하게 변경될 수 있다.For convenience, the first and second optical waveguides PWG1 and PWG2 and the ring resonator RR0 constituting the biosensor 20a are not illustrated in FIG. 12. In an embodiment, the second optical waveguide PWG2 may be disposed perpendicular to the plurality of third optical waveguides PWG3_1 and PWG3_2. However, the present invention is not limited thereto, and the arrangement relationship between the second optical waveguide PWG2 and the plurality of third optical waveguides PWG3_1 and PWG3_2 may be variously changed.

본 실시예에서, 복수의 제3 광 도파로들(PWG3_1, PWG3_2)의 일단에는 광 검출 소자들(PD1, PD2)이 각각 배치될 수 있다. 일 실시예에서, 광 검출 소자들(PD1, PD2)은 PN 접합으로 구현되는 포토 다이오드일 수 있다. 다른 실시예에서, 광 검출 소자들(PD1, PD2)은 금속-반도체 접합에 의한 쇼트키 다이오드일 수도 있다. 또 다른 실시예에서, 광 검출 소자들(PD1, PD2)은 P층과 N층 사이에 I층을 끼운 PIN 포토 다이오드일 수도 있다. 그러나, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 광 검출 소자들(PD1, PD2)의 구성은 다양하게 변경될 수 있다.
In the present exemplary embodiment, the photodetecting elements PD1 and PD2 may be disposed at one end of the plurality of third optical waveguides PWG3_1 and PWG3_2, respectively. In one embodiment, the photodetectors PD1 and PD2 may be photodiodes implemented with PN junctions. In another embodiment, the photodetecting elements PD1, PD2 may be Schottky diodes by metal-semiconductor junction. In another embodiment, the photodetectors PD1 and PD2 may be PIN photodiodes with an I layer sandwiched between the P and N layers. However, the present invention is not limited thereto, and the configuration of the photodetecting elements PD1 and PD2 may be variously changed.

도 13은 도 2의 광 바이오 센서(1a)에서 생성되는 입력 광 신호(Lin), 감지 광 신호(Ls) 및 복수의 출력 광 신호들(Lout1 내지 Lout11)의 스펙트럼을 나타내는 그래프이다.FIG. 13 is a graph illustrating spectra of an input optical signal Lin, a sensing optical signal Ls, and a plurality of output optical signals Lout1 to Lout11 generated by the optical biosensor 1a of FIG. 2.

도 13을 참조하면, 광원(10a)는 일정한 파장 범위(Δλ)를 가지는 입력 광 신호(Lin)를 생성하고, 생성된 입력 광 신호(Lin)는 제1 광 도파로(PWG1)에 제공될 수 있다. 예를 들어, 파장 범위(Δλ)는 10 nm일 수 있고, 이는 845 nm에서 855 nm까지의 범위일 수 있다. 다른 실시예에서, 입력 광 신호(Lin)는 가우시안 파형을 가질 수도 있다.Referring to FIG. 13, the light source 10a may generate an input optical signal Lin having a predetermined wavelength range Δλ, and the generated input optical signal Lin may be provided to the first optical waveguide PWG1. . For example, the wavelength range Δλ may be 10 nm, which may range from 845 nm to 855 nm. In another embodiment, the input optical signal Lin may have a Gaussian waveform.

바이오 센싱부(20a)는 입력 광 신호(Lin)로부터 링 공진기(RR0)의 공진 파장(λr)이 추출된 감지 광 신호(Ls)를 생성하고, 생성된 감지 광 신호(Ls)는 제2 광 도파로(PWG2)에 제공될 수 있다. 예를 들어, 감지 광 신호(Ls)의 3dB 주파수는 849.75 nm, 850.25 nm일 수 있고, 3dB 대역폭은 0.5 nm일 수 있다.The bio-sensing unit 20a generates a sensing optical signal Ls from which the resonant wavelength λr of the ring resonator RR0 is extracted from the input optical signal Lin, and the generated sensing optical signal Ls is a second light. It may be provided to the waveguide PWG2. For example, the 3 dB frequency of the sensing light signal Ls may be 849.75 nm, 850.25 nm, and the 3 dB bandwidth may be 0.5 nm.

분광기(30a)는 감지 광 신호(Ls)를 파장에 따라 분할하여 복수의 출력 광 신호들(Lout)을 각각 생성할 수 있다. 구체적으로, 분광기(30a)는 감지 광 신호(Ls)의 3dB 대역폭을 N 등분하여 대응되는 출력 파장 성분을 가지는 N개의 출력 광 신호들을 생성하는 N개의 링 공진기들을 포함할 수 있다. 이때, 복수의 출력 광 신호들(Lout)의 정점을 연결하면, 감지 광 신호(Ls)의 파형을 얻을 수 있다.
The spectrometer 30a may generate the plurality of output optical signals Lout by dividing the sensing optical signal Ls according to the wavelength. Specifically, the spectrometer 30a may include N ring resonators that N divide the 3dB bandwidth of the sensing optical signal Ls by N to generate N output optical signals having corresponding output wavelength components. In this case, when the peaks of the plurality of output optical signals Lout are connected, a waveform of the sensing optical signal Ls may be obtained.

도 14는 도 2의 광 바이오 센서(1a)에서 출력 광 신호의 파장 변화에 따른 인텐시티 변화를 나타내는 그래프이다.14 is a graph illustrating a change in intensity according to a wavelength change of an output optical signal in the optical biosensor 1a of FIG. 2.

도 14를 참조하면, 바이오 물질의 상호 작용으로, 다시 말해, 프로브 물질과 표적 물질의 결합에 의해 바이오 센싱부(20a)에 포함된 링 공진기(RR0)의 공진 파장(λr)이 Δλ만큼 변화할 수 있고, 이에 따라, 감지 광 신호(Ls)의 파장도 Δλ만큼 변화할 수 있으며, 출력 광 신호(Lout)의 파장도 Δλ만큼 변화할 수 있다. 따라서, 검출부(40a)에서 검출되는 인텐시티 변화로부터 공진 파장(λr)의 변화량을 측정할 수 있으며, 이로써, 바이오 물질의 농도를 판단할 수 있다.
Referring to FIG. 14, the resonance wavelength λr of the ring resonator RR0 included in the biosensing unit 20a may change by Δλ due to the interaction of the biomaterial, that is, the combination of the probe material and the target material. Accordingly, the wavelength of the sensing optical signal Ls may also vary by Δλ, and the wavelength of the output optical signal Lout may also vary by Δλ. Therefore, the amount of change in the resonance wavelength λr can be measured from the intensity change detected by the detector 40a, thereby determining the concentration of the biomaterial.

도 15는 도 1의 광 바이오 센서의 다른 예(1b)를 상세하게 나타낸다.FIG. 15 shows another example 1b of the optical biosensor of FIG. 1 in detail.

도 15를 참조하면, 광 바이오 센서(1b)는 광원(10b), 바이오 센싱부(20b), 분광기(30b) 및 검출부(40b)를 포함할 수 있다. 본 실시예에 따른 광 바이오 센서(1b)는 도 2의 광 바이오 센서(1a)의 변형 실시예이다.Referring to FIG. 15, the optical biosensor 1b may include a light source 10b, a bio sensing unit 20b, a spectrometer 30b, and a detector 40b. The optical biosensor 1b according to the present embodiment is a modified embodiment of the optical biosensor 1a of FIG. 2.

광원(10b)은 입력 광 신호(Lin)를 생성하고, 생성된 입력 광 신호(Lin)를 바이오 센싱부(20b)에 제공할 수 있다. 구체적으로, 입력 광 신호(Lin)는 일정 범위의 파장 성분을 포함할 수 있는데, 예를 들어, 수십 내지 수백 나노미터 범위의 파장 성분을 포함할 수 있다. 예를 들어, 입력 광 신호(Lin)의 3dB 주파수는 845 nm 및 855 nm 일 수 있고, 이때, 3dB 대역폭 또는 FWHM는 10 nm 일 수 있다. 이는 입력 광 신호(Lin)의 일 예에 불과하며, 입력 광 신호(Lin)의 파형 및 파장 범위는 실시예에 따라 다양하게 변경될 수 있다.The light source 10b may generate an input optical signal Lin, and provide the generated input optical signal Lin to the biosensor 20b. Specifically, the input optical signal Lin may include a range of wavelength components, for example, may include wavelength components in the range of tens to hundreds of nanometers. For example, the 3 dB frequency of the input optical signal Lin may be 845 nm and 855 nm, where the 3 dB bandwidth or FWHM may be 10 nm. This is only an example of the input optical signal Lin, and the waveform and the wavelength range of the input optical signal Lin may be variously changed according to embodiments.

바이오 센싱부(20b)는 입력 광 신호(Lin)로부터 바이오 물질의 존재 유무 또는 농도에 따라 변화되는 파장을 가지는 감지 광 신호(Ls)를 생성할 수 있다. 구체적으로, 감지 광 신호(Ls)는 입력 광 신호(Lin)의 파장 성분에서, 바이오 물질의 농도에 상응하는 공진 파장이 소실된 광 신호일 수 있다. 본 실시예에서, 바이오 센싱부(20b)는 입력 광 신호(Lin)의 파장에서 공진 파장을 소실하는 링 공진기(RR0)를 포함할 수 있다. 바이오 센싱부(20b)의 구체적인 구성에 대해서는 이하에서 도 16을 참조하여 상술하기로 한다.The bio-sensing unit 20b may generate a sensing light signal Ls having a wavelength that varies according to the presence or concentration of the biomaterial from the input light signal Lin. In detail, the sensing optical signal Ls may be an optical signal in which the resonance wavelength corresponding to the concentration of the biomaterial is lost in the wavelength component of the input optical signal Lin. In the present exemplary embodiment, the biosensor 20b may include a ring resonator RR0 that loses the resonance wavelength at the wavelength of the input optical signal Lin. A detailed configuration of the bio sensing unit 20b will be described below with reference to FIG. 16.

분광기(30b)는 복수의 링 공진기들(RR1 내지 RR11)을 포함할 수 있고, 복수의 링 공진기들(RR1 내지 RR11)은 감지 광 신호(Ls)를 파장에 따라 분할하여 복수의 출력 광 신호들(Lout1 내지 Lout11)을 각각 생성할 수 있다. 본 실시예에서, 복수의 링 공진기들은 11개의 링 공진기들(RR1 내지 RR11)을 포함할 수 있으나, 복수의 링 공진기들의 개수는 실시예에 따라 다양하게 변경될 수 있다. The spectrometer 30b may include a plurality of ring resonators RR1 to RR11, and the plurality of ring resonators RR1 to RR11 divide the sensing optical signal Ls according to a wavelength to output a plurality of output optical signals. Each of Lout1 to Lout11 can be generated. In the present embodiment, the plurality of ring resonators may include eleven ring resonators RR1 to RR11, but the number of the plurality of ring resonators may be variously changed according to the embodiment.

검출부(40b)는 복수의 광 검출 소자들(PD1 내지 PD11)을 포함할 수 있고, 복수의 광 검출 소자들(PD1 내지 PD11)은 복수의 출력 광 신호들(Lout11 내지 Lout11)을 전기적 신호들(Sout1 내지 Sout11)로 각각 변환할 수 있다. 이때, 복수의 광 검출 소자들(PD1 내지 PD11)은 복수의 링 공진기들(RR1 내지 RR11)과 각각 연결될 수 있고, 복수의 광 검출 소자들(PD1 내지 PD11)의 개수는 복수의 링 공진기들(RR1 내지 RR1)의 개수에 대응될 수 있다. 예를 들어, 복수의 광 검출 소자들(PD1 내지 PD11)은 포토 다이오드, 포토 트랜지스터, CCD 이미지 센서, CMOS 이미지 센서 또는 TOF 센서 등을 포함할 수 있다.
The detector 40b may include a plurality of photodetecting elements PD1 to PD11, and the plurality of photodetecting elements PD1 to PD11 may transmit a plurality of output optical signals Lout11 to Lout11 to electrical signals ( Sout1 to Sout11) can be converted respectively. In this case, the plurality of photodetectors PD1 to PD11 may be connected to the plurality of ring resonators RR1 to RR11, respectively, and the number of the plurality of photodetectors PD1 to PD11 may be the plurality of ring resonators ( It may correspond to the number of RR1 to RR1). For example, the plurality of light detection elements PD1 to PD11 may include a photo diode, a photo transistor, a CCD image sensor, a CMOS image sensor, a TOF sensor, or the like.

도 16은 도 15의 바이오 센싱부(20b)를 더욱 상세하게 나타낸다.FIG. 16 illustrates the bio sensing unit 20b of FIG. 15 in more detail.

도 16을 참조하면, 바이오 센싱부(20b)는 제1 도파로(PWG1) 및 링 공진기(RR0)를 포함할 수 있다. 제1 광 도파로(PWG1) 및 링 공진기(RR0)의 상부에는 유로(FLCH)가 위치할 수 있다. 링 공진기(RR0)의 상부에는 링 공진기(RR0)를 유로(FLCH)에 노출시킬 수 있는 개구부(OP)가 위치할 수 있다. 이때, 제1 광 도파로(PWG1)는 직선 광 도파로일 수 있고, 링 공진기(RR0)는 원형 또는 레이스 트랙 형태의 광 도파로일 수 있다. Referring to FIG. 16, the biosensor 20b may include a first waveguide PWG1 and a ring resonator RR0. A flow path FLCH may be positioned on the first optical waveguide PWG1 and the ring resonator RR0. An opening OP capable of exposing the ring resonator RR0 to the flow path FLCH may be positioned above the ring resonator RR0. In this case, the first optical waveguide PWG1 may be a linear optical waveguide, and the ring resonator RR0 may be an optical waveguide having a circular or race track shape.

링 공진기(RR0)는 제1 광 도파로(PWG1)와 제1 간극(d1)을 두고 위치할 수 있다. 일 실시예에서, 링 공진기(RR0)는 제1 광 도파로(PWG1)와 수평으로 제1 간극(d1)을 두고 위치할 수 있다. 다른 실시예에서, 링 공진기(RR0)는 제1 광 도파로(PWG1)와 수직으로 제1 간극(d1)을 두고 위치할 수도 있다.The ring resonator RR0 may be positioned with the first optical waveguide PWM1 and the first gap d1. In an embodiment, the ring resonator RR0 may be positioned to have a first gap d1 horizontally with the first optical waveguide PWM1. In another embodiment, the ring resonator RR0 may be positioned with the first gap d1 perpendicular to the first optical waveguide PWM1.

광원(10b)으로부터 인가되어 전반사에 의해 제1 광 도파로(PWG1)를 진행하는 입력 광 신호(Lin)의 파장에서 링 공진기(RR0)의 공진 조건에 부합하는 파장, 다시 말해, 공진 파장(λr)이 링 공진기(RR0)로 전이되어 소실된다. 입력 광 신호(Lin)의 파장에서 공진 파장(λr)이 소실된 광 신호는 계속하여 제1 광 도파로(PWG1)로 진행하여 감지 광 신호(Ls)로서 출력된다. The wavelength corresponding to the resonance condition of the ring resonator RR0 at the wavelength of the input optical signal Lin applied from the light source 10b and propagating through the first optical waveguide PWG1 by total reflection, that is, the resonance wavelength λr. Transition to this ring resonator RR0 is lost. The optical signal in which the resonance wavelength? R is lost at the wavelength of the input optical signal Lin continues to the first optical waveguide PWM1 and is output as the sensing optical signal Ls.

그러므로, 바이오 센싱부(20b)에서 생성된 감지 광 신호(Ls)는 입력 광 신호(Lin)에서 공진 파장(λr)이 소실된 광 신호이다. 이때, 공진 파장(λr)은 바이오 센싱부(20b)에 의해 감지되는 바이오 물질의 농도에 따라 변화될 수 있다. 따라서, 감지 광 신호(Ls)의 파장 성분은 바이오 물질의 농도에 따라 변화될 수 있다.
Therefore, the sensing optical signal Ls generated by the biosensor 20b is an optical signal in which the resonance wavelength λ r is lost from the input optical signal Lin. In this case, the resonance wavelength λr may change according to the concentration of the biomaterial detected by the biosensor 20b. Therefore, the wavelength component of the sensing light signal Ls may vary depending on the concentration of the biomaterial.

도 17은 도 15의 광 바이오 센서(1b)에서 생성되는 입력 광 신호(Lin), 감지 광 신호(Ls) 및 복수의 출력 광 신호들(Lout1 내지 Lout11)의 스펙트럼을 나타내는 그래프이다.FIG. 17 is a graph illustrating a spectrum of an input optical signal Lin, a sensing optical signal Ls, and a plurality of output optical signals Lout1 to Lout11 generated by the optical biosensor 1b of FIG. 15.

도 17을 참조하면, 광원(10b)는 일정한 파장 범위(Δλ)를 가지는 입력 광 신호(Lin)를 생성하고, 생성된 입력 광 신호(Lin)는 제1 광 도파로(PWG1)에 제공될 수 있다. 예를 들어, 파장 범위(Δλ)는 10 nm일 수 있고, 이는 845 nm에서 855 nm까지의 범위일 수 있다. 다른 실시예에서, 입력 광 신호(Lin)는 가우시안 파형을 가질 수도 있다.Referring to FIG. 17, the light source 10b may generate an input optical signal Lin having a predetermined wavelength range Δλ, and the generated input optical signal Lin may be provided to the first optical waveguide PWG1. . For example, the wavelength range Δλ may be 10 nm, which may range from 845 nm to 855 nm. In another embodiment, the input optical signal Lin may have a Gaussian waveform.

바이오 센싱부(20b)는 입력 광 신호(Lin)로부터 링 공진기(RR0)의 공진 파장(λr)이 소실된 감지 광 신호(Ls)를 생성하고, 생성된 감지 광 신호(Ls)는 계속하여 제1 광 도파로(PWG1)를 진행될 수 있다. The bio-sensing unit 20b generates a sensing optical signal Ls from which the resonance wavelength λr of the ring resonator RR0 is lost from the input optical signal Lin, and the generated sensing optical signal Ls continues to be generated. One optical waveguide PWG1 may proceed.

분광기(30b)는 감지 광 신호(Ls)를 파장에 따라 분할하여 복수의 출력 광 신호들(Lout)을 각각 생성할 수 있다. 구체적으로, 분광기(30b)는 감지 광 신호(Ls)의 파장 범위를 N 등분하여 대응되는 출력 파장 성분을 가지는 N개의 출력 광 신호들을 생성하는 N개의 링 공진기들을 포함할 수 있다. 이때, 복수의 출력 광 신호들(Lout)의 정점을 연결하면, 감지 광 신호(Ls)의 파형을 얻을 수 있다.
The spectrometer 30b may generate the plurality of output optical signals Lout by dividing the sensing optical signal Ls according to the wavelength. Specifically, the spectrometer 30b may include N ring resonators that generate N output optical signals having corresponding output wavelength components by dividing the wavelength range of the sensing optical signal Ls by N equals. In this case, when the peaks of the plurality of output optical signals Lout are connected, a waveform of the sensing optical signal Ls may be obtained.

도 18은 도 1의 광 바이오 센서의 또 다른 예(1c)를 나타낸다.FIG. 18 shows another example 1c of the optical biosensor of FIG. 1.

도 18을 참조하면, 광 바이오 센서(1c)는 광원(10c), 바이오 센싱부(20c), 분광기(30c) 및 검출부(40c)를 포함할 수 있다. 본 실시예에 따른 광 바이오 센서(1c)는 도 2의 광 바이오 센서(1a)의 변형 실시예이다.Referring to FIG. 18, the optical biosensor 1c may include a light source 10c, a biosensor 20c, a spectrometer 30c, and a detector 40c. The optical biosensor 1c according to the present embodiment is a modified embodiment of the optical biosensor 1a of FIG. 2.

광원(10c)은 입력 광 신호(Lin)를 생성하고, 생성된 입력 광 신호(Lin)를 바이오 센싱부(20c)에 제공할 수 있다. 구체적으로, 입력 광 신호(Lin)는 일정 범위의 파장 성분을 포함할 수 있는데, 예를 들어, 수십 내지 수백 나노미터 범위의 파장 성분을 포함할 수 있다. 예를 들어, 입력 광 신호(Lin)의 3dB 주파수는 845 nm 및 855 nm 일 수 있고, 이때, 3dB 대역폭 또는 FWHM는 10 nm 일 수 있다. 이는 입력 광 신호(Lin)의 일 예에 불과하며, 입력 광 신호(Lin)의 파형 및 파장 범위는 실시예에 따라 다양하게 변경될 수 있다.The light source 10c may generate an input optical signal Lin, and provide the generated input optical signal Lin to the biosensor 20c. Specifically, the input optical signal Lin may include a range of wavelength components, for example, may include wavelength components in the range of tens to hundreds of nanometers. For example, the 3 dB frequency of the input optical signal Lin may be 845 nm and 855 nm, where the 3 dB bandwidth or FWHM may be 10 nm. This is only an example of the input optical signal Lin, and the waveform and the wavelength range of the input optical signal Lin may be variously changed according to embodiments.

바이오 센싱부(20c)는 입력 광 신호(Lin)로부터 바이오 물질의 존재 유무 또는 농도에 따라 변화되는 파장을 가지는 감지 광 신호(Ls)를 생성할 수 있다. 구체적으로, 감지 광 신호(Ls)는 입력 광 신호(Lin)의 파장 성분에서, 바이오 물질의 농도에 상응하는 공진 파장이 추출된 광 신호일 수 있다. The biosensing unit 20c can generate the sensing optical signal Ls having a wavelength that varies depending on the presence or concentration of the bio-material from the input optical signal Lin. Specifically, the sensing optical signal Ls may be an optical signal in which the resonant wavelength corresponding to the concentration of the biomaterial is extracted from the wavelength component of the input optical signal Lin.

본 실시예에서, 바이오 센싱부(20c)는 제1 광 도파로(PWG1), 공동 공진기(CVRES) 및 제2 광 도파로(PWG2)를 포함할 수 있다. 이때, 공동 공진기(CVRES)는 입력 광 신호(Lin)의 파장에서 공진 파장만을 추출하여, 감지 광 신호(Ls)로서 제2 광 도파로(PWG2)에 제공할 수 있다.In the present embodiment, the bio-sensing unit 20c may include a first optical waveguide PWG1, a cavity resonator CVRES, and a second optical waveguide PWG2. At this time, the cavity resonator CVRES may extract only the resonance wavelength at the wavelength of the input optical signal Lin and provide the resonance wavelength as the sensing optical signal Ls to the second optical waveguide PWG2.

공동 공진기(CVRES)는 두 개의 브레그 반사부들(Distributed Bragg Reflectors)(DBR1, DBR2) 및 공동(CAV)을 포함할 수 있다. 브레그 반사부들(DBR1, DBR2)은 입력 광 신호(Lin)의 파장에서 특정 파장을 반사한다. 이에 따라, 두 개의 브레그 반사부들(DBR1, DBR2) 및 공동(CAV)이 결합하여 공진기로 동작할 수 있다. 이로써, 공진 조건에 부합하는 공진 파장만이 감지 광 신호(Ls)로 생성되어 제2 광 도파로(PWG2)로 출력된다.The cavity resonator CVRES may include two Bragg reflectors DBR1 and DBR2 and a cavity CAV. The reflectors DBR1 and DBR2 reflect specific wavelengths at the wavelength of the input optical signal Lin. Accordingly, the two bregrance reflectors DBR1 and DBR2 and the cavity CAV can be coupled to operate as a resonator. Thus, only the resonance wavelength corresponding to the resonance condition is generated as the detection optical signal Ls and output to the second optical waveguide PWG2.

도시되지는 않았으나, 공동(CAV)의 상부에는 개구부가 형성될 수 있다. 이에 따라, 공동(CAV)의 상부에 측정하고자 하는 바이오 물질에 대응되는 수용체가 부착되고, 수용체가 바이오 물질과 결합되면, 결합 정도에 따라, 다시 말해, 바이오 물질의 농도에 따라 공동 공진기(CVRES)의 유효 굴절률이 변화할 수 있다. 따라서, 바이오 물질의 농도에 따라 공진 파장이 변화되어, 감지 광 신호(Ls)의 파장 성분이 변화하게 된다. Although not shown, an opening may be formed in the upper portion of the cavity CAV. Accordingly, when the receptor corresponding to the biomaterial to be measured is attached to the upper part of the cavity (CAV), and the receptor is bound to the biomaterial, the cavity resonator (CVRES) depends on the degree of binding, that is, the concentration of the biomaterial. The effective refractive index of may change. Therefore, the resonant wavelength is changed according to the concentration of the biomaterial, and the wavelength component of the sensing light signal Ls is changed.

분광기(30c)는 복수의 링 공진기들(RR1 내지 RR11)을 포함할 수 있고, 복수의 링 공진기들(RR1 내지 RR11)은 감지 광 신호(Ls)를 파장에 따라 분할하여 복수의 출력 광 신호들(Lout1 내지 Lout11)을 각각 생성할 수 있다. 본 실시예에서, 복수의 링 공진기들은 11개의 링 공진기들(RR1 내지 RR11)을 포함할 수 있으나, 복수의 링 공진기들의 개수는 실시예에 따라 다양하게 변경될 수 있다. The spectrometer 30c may include a plurality of ring resonators RR1 to RR11, and the plurality of ring resonators RR1 to RR11 divide the sensing optical signal Ls according to a wavelength to output a plurality of output optical signals. Each of Lout1 to Lout11 can be generated. In the present embodiment, the plurality of ring resonators may include eleven ring resonators RR1 to RR11, but the number of the plurality of ring resonators may be variously changed according to the embodiment.

검출부(40c)는 복수의 광 검출 소자들(PD1 내지 PD11)을 포함할 수 있고, 복수의 광 검출 소자들(PD1 내지 PD11)은 복수의 출력 광 신호들(Lout11 내지 Lout11)을 전기적 신호들(Sout1 내지 Sout11)로 각각 변환할 수 있다. 이때, 복수의 광 검출 소자들(PD1 내지 PD11)은 복수의 링 공진기들(RR1 내지 RR11)과 각각 연결될 수 있고, 복수의 광 검출 소자들(PD1 내지 PD11)의 개수는 복수의 링 공진기들(RR1 내지 RR1)의 개수에 대응될 수 있다. 예를 들어, 복수의 광 검출 소자들(PD1 내지 PD11)은 포토 다이오드, 포토 트랜지스터, CCD 이미지 센서, CMOS 이미지 센서 또는 TOF 센서 등을 포함할 수 있다.
The detector 40c may include a plurality of photodetecting elements PD1 to PD11, and the plurality of photodetecting elements PD1 to PD11 may transmit a plurality of output optical signals Lout11 to Lout11 to electrical signals ( Sout1 to Sout11) can be converted respectively. In this case, the plurality of photodetectors PD1 to PD11 may be connected to the plurality of ring resonators RR1 to RR11, respectively, and the number of the plurality of photodetectors PD1 to PD11 may be the plurality of ring resonators ( It may correspond to the number of RR1 to RR1). For example, the plurality of light detection elements PD1 to PD11 may include a photo diode, a photo transistor, a CCD image sensor, a CMOS image sensor, a TOF sensor, or the like.

도 19는 본 발명의 다른 실시예에 따른 광 바이오 센서(1')를 나타내는 블록도이다.19 is a block diagram showing an optical biosensor 1 'according to another embodiment of the present invention.

도 19를 참조하면, 광 바이오 센서(1')는 광원(10), 바이오 센싱부(20), 분광기(30), 검출부(40) 및 신호 처리부(50)를 포함할 수 있다. 본 실시예에 따른 광 바이오 센서(1')는 도 1의 광 바이오 센서(1)의 변형 실시예이다. 본 실시예에 따른 광 바이오 센서(1')에 포함된 구성 요소들 중 일부는, 도 1의 광 바이오 센서(1)에 포함된 구성 요소들과 실질적으로 동일하다. 동일한 구성 요소는 동일한 참조 번호로 표시되며, 도 1의 광 바이오 센서(1)와 동일한 구성 요소들에 대해서는 반복하여 설명하지 않는다. 이하에서는, 도 1의 광 바이오 센서(1)와 본 실시예에 따른 광 바이오 센서(1')의 차이점을 중심으로 상술하기로 한다.Referring to FIG. 19, the optical biosensor 1 ′ may include a light source 10, a biosensor 20, a spectrometer 30, a detector 40, and a signal processor 50. The optical biosensor 1 'according to the present embodiment is a modified embodiment of the optical biosensor 1 of FIG. Some of the components included in the optical biosensor 1 ′ according to the present embodiment are substantially the same as those included in the optical biosensor 1 of FIG. 1. The same components are denoted by the same reference numerals, and the same components as the optical biosensor 1 of FIG. 1 will not be repeatedly described. Hereinafter, the difference between the optical biosensor 1 of FIG. 1 and the optical biosensor 1 'according to the present embodiment will be described in detail.

신호 처리부(50)는 검출부(40)에서 출력된 전기적 신호(Sout1 내지 SoutN)를 수신하여 바이오 물질의 농도를 판단한다. 신호 처리부(50)는 바이오 물질들의 농도에 따른 전기적 신호를 미리 데이터로 저장하였다가, 특정 바이오 물질의 농도를 측정할 때 이를 이용하여 센싱된 바이오 물질의 농도를 판단할 수 있다. 또는, 바이오 센싱부(20)에 포함된 공진기의 특성 및 수용체와 바이오 물질의 결합 전 후의 전기적 신호(Sout1 내지 SoutN)의 변화를 기초로, 바이오 물질의 농도를 계산하여 판단할 수 있다. 이외에도 다양한 방법으로 전기적 신호(Sout1 내지 SoutN)를 기초로 바이오 물질의 농도를 판단할 수 있다.
The signal processor 50 receives the electrical signals Sout1 to SoutN output from the detector 40 to determine the concentration of the biomaterial. The signal processor 50 may store the electrical signal according to the concentration of the biomaterials in advance as data, and then determine the concentration of the sensed biomaterial by using the measurement when the concentration of the specific biomaterial is measured. Alternatively, the concentration of the biomaterial may be calculated and determined based on characteristics of the resonator included in the biosensor 20 and changes in electrical signals Sout1 to SoutN before and after the receptor and the biomaterial are combined. In addition, the concentration of the biomaterial may be determined based on the electrical signals Sout1 to SoutN in various ways.

도 20은 도 19의 신호 처리부(50)를 더욱 상세하게 나타내는 블록도이다.20 is a block diagram illustrating the signal processor 50 of FIG. 19 in more detail.

도 20을 참조하면, 신호 처리부(50)는 신호 처리 회로(51) 및 데이터베이스(52)를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 20, the signal processor 50 may include a signal processing circuit 51 and a database 52.

신호 처리 회로(51)는 입력된 전기적 신호(Sout1 내지 SoutN)를 기초로 바이오 물질의 농도를 판단한다. 데이터베이스(52)는 바이오 물질들의 농도에 따른 전기적 신호의 데이터를 저장한 블록이다. 데이터베이스(52)에는 다양한 바이오 물질들에 대한 데이터가 저장될 수 있다. The signal processing circuit 51 determines the concentration of the biomaterial based on the input electrical signals Sout1 to SoutN. The database 52 is a block storing data of electrical signals according to concentrations of biomaterials. The database 52 may store data for various biomaterials.

예를 들어, 신호 처리 회로(51)에 전기적 신호(Sout1 내지 SoutN)가 입력되면, 신호 처리 회로(51)는 바이오 물질의 종류에 대한 정보 및 상기 전기적 신호(Sout1 내지 SoutN)의 데이터를 데이터베이스(52)에 전송하고, 바이오 물질의 농도 값을 요청할 수 있다. 또는 데이터베이스(52)에 특정 바이오 물질에 대한 데이터를 요청하고, 데이터베이스(52)로부터 전송된 데이터와 입력된 전기적 신호(Sout1 내지 SoutN)의 데이터를 기초로 바이오 물질의 농도를 판단할 수 있다.
For example, when electrical signals Sout1 to SoutN are input to the signal processing circuit 51, the signal processing circuit 51 may store information on the type of biomaterial and data of the electrical signals Sout1 to SoutN in a database ( 52), and request the concentration value of the biomaterial. Alternatively, the data of the specific biomaterial may be requested to the database 52, and the concentration of the biomaterial may be determined based on the data transmitted from the database 52 and the data of the input electrical signals Sout1 to SoutN.

도 21 내지 24는 본 발명의 일 실시예에 따른 광 바이오 센서의 제조 방법을 설명하기 위하여 공정 순서에 따라 도시한 단면도들이다.21 to 24 are cross-sectional views illustrating a manufacturing method of an optical biosensor according to an exemplary embodiment of the present invention in order of processing.

도 21을 참조하면, 기판(100)이 제공되는데, 기판(100)은 픽셀 어레이 영역(미도시)과 주변 회로 영역으로 구분될 수 있다. 픽셀 어레이 영역은 수광부인 포토 다이오드가 형성되는 포토 다이오드 영역(미도시)과 영역과 트랜스퍼 트랜지스터, 리셋 트랜지스터, 드라이브 트랜지스터 및 셀렉트 트랜지스터 등과 같은 트랜지스터가 형성되는 트랜지스터 영역(미도시)으로 이루어지는 복수의 단위 픽셀들이 배치되는 영역이다. 주변 회로 영역은 픽셀 어레이 영역에 포함된 트랜지스터를 구동하기 위한 구동 트랜지스터가 배치되는 영역이다. 도 21 내지 24에서는 편의상 포토 다이오드 영역의 일부만을 도시하기로 한다.Referring to FIG. 21, a substrate 100 is provided, and the substrate 100 may be divided into a pixel array region (not shown) and a peripheral circuit region. The pixel array region includes a plurality of unit pixels including a photodiode region (not shown) in which a photodiode as a light receiving unit is formed, and a transistor region (not shown) in which transistors such as a transfer transistor, a reset transistor, a drive transistor, and a select transistor are formed. Are the areas where they are placed. The peripheral circuit region is a region in which driving transistors for driving transistors included in the pixel array region are disposed. 21 to 24 show only a part of the photodiode region for convenience.

기판(100)은 반도체 기판일 수 있다. 예를 들어, 반도체 기판은 실리콘(silicon), 실리콘-온-절연체(silicon-on-insulator), 실리콘-온-사파이어 (silicon-on-sapphire), 게르마늄(germanium), 실리콘-게르마늄 및 갈륨-비소 (gallium-arsenide) 중 어느 하나를 포함할 수 있다. 본 실시예에서, 기판(100)은 P형 반도체 기판일 수 있다. 기판(100)에는 활성 영역을 한정하는 소자 분리막(105)이 형성되는데, 소자 분리막(105)은, 예를 들어, STI(shallow trench isolation) 공정 등에 의해 형성될 수 있다. The substrate 100 may be a semiconductor substrate. For example, the semiconductor substrate may be silicon, silicon-on-insulator, silicon-on-sapphire, germanium, silicon-germanium, and gallium-arsenide. (gallium-arsenide) may include any one. In the present embodiment, the substrate 100 may be a P-type semiconductor substrate. An isolation layer 105 is formed on the substrate 100 to define an active region, and the isolation layer 105 may be formed by, for example, a shallow trench isolation (STI) process.

기판(100)의 포토 다이오드 영역에 인(P), 비소(As) 및 안티모니(Sb) 등과 같은 N형 불순물을 주입하여 제1 웰(110a)을 형성하고, 보론(B), 갈륨(Ga) 및 인듐(In) 등과 같은 P형 불순물을 주입하여 제2 웰(110b)을 형성함으로써, PN 접합 다이오드 형태의 포토 다이오드(110)를 형성한다. 그러나, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 다른 실시예에서 제1 웰(110a)은 P형 불순물을 주입함으로써 형성되고, 제2 웰(110b)은 N형 불순물을 주입함으로써 형성될 수 있다. 또한, 제1 웰(110a)과 제2 웰(110a)의 형성 순서를 변경될 수 있다. N-type impurities such as phosphorus (P), arsenic (As), and antimony (Sb) are implanted into the photodiode region of the substrate 100 to form the first well 110a, and boron (B) and gallium (Ga). ) And the second well 110b by implanting P-type impurities such as indium (In) and the like, thereby forming a photodiode 110 in the form of a PN junction diode. However, the present invention is not limited thereto, and in another embodiment, the first well 110a may be formed by implanting P-type impurities, and the second well 110b may be formed by implanting N-type impurities. In addition, the order of forming the first well 110a and the second well 110a may be changed.

도 22를 참조하면, 포토 다이오드(110)가 형성된 기판(100)의 상부에 절연층(120)을 형성한다. 예를 들어, 절연층(120)은 옥사이드층일 수 있다. 이때, 절연층(120)은 하부 클래딩층에 대응될 수 있다. Referring to FIG. 22, an insulating layer 120 is formed on the substrate 100 on which the photodiode 110 is formed. For example, the insulating layer 120 may be an oxide layer. In this case, the insulating layer 120 may correspond to the lower cladding layer.

도 23을 참조하면, 절연층(120)의 상부에 코어층(130)을 형성한다. 예를 들어, 코어층(130)은 실리콘층 또는 실리콘 나이트라이드층일 수 있다. 이때, 코어층(130)을 구성하는 물질은, 코어층(130)의 굴절률의 절연층(120)의 굴절률보다 크도록 선택되어야 한다.Referring to FIG. 23, a core layer 130 is formed on the insulating layer 120. For example, the core layer 130 may be a silicon layer or a silicon nitride layer. In this case, the material constituting the core layer 130 should be selected to be larger than the refractive index of the insulating layer 120 of the refractive index of the core layer 130.

도 24를 참조하면, 코어층(130)은 패터닝되어 복수의 링 공진기들(RR1 내지 RR3) 및 복수의 제3 광 도파로들(PWG3_1 내지 PWG3_3)이 형성된다. 도시되지는 않았으나, 코어층(130)은 패터닝되어 바이오 센싱부(20)를 구성하는 링 공진기(RR0) 및 제1 및 제2 광 도파로들(PWG1, PWG2)이 형성될 수도 있다. 구체적으로, 코어층(130) 상에 포토 레지스트(photoresist)를 코팅하고, 그 위에 포토 마스크를 이용하여 예를 들어, UV를 조사한 후, 식각 공정을 실시함으로써 복수의 링 공진기들(RR1 내지 RR3) 및 복수의 제3 광 도파로들(PWG3_1 내지 PWG3_3)을 형성한다.Referring to FIG. 24, the core layer 130 is patterned to form a plurality of ring resonators RR1 to RR3 and a plurality of third optical waveguides PWG3_1 to PWG3_3. Although not shown, the core layer 130 may be patterned to form a ring resonator RR0 and first and second optical waveguides PWG1 and PWG2 constituting the biosensor 20. Specifically, a plurality of ring resonators RR1 to RR3 are formed by coating a photoresist on the core layer 130, irradiating UV, for example, using a photo mask thereon, and then performing an etching process. And a plurality of third optical waveguides PWG3_1 to PWG3_3.

도시되지는 않았으나, 형성된 제1 내지 제3 광 도파로들(PWG1, PWG2, PWG3_1 내지 PWG3_11)의 양단에는 그레이팅 커플러가 형성될 수 있다. 그레이팅 커플러는 광 섬유 등과 연결되어 광 신호를 송수신할 수 있다.Although not shown, a grating coupler may be formed at both ends of the formed first to third optical waveguides PWG1, PWG2, and PWG3_1 to PWG3_11. The grating coupler may be connected to an optical fiber or the like to transmit and receive an optical signal.

한편, 다른 실시예에서, 제3 광 도파로들(PWG3_1 내지 PWG3_11)의 일단에 복수의 검출 소자들이 각각 형성될 수 있다. 복수의 검출 소자들은 예를 들어, 포토 다이오드, 포토 트랜지스터, TOF 센서, CMOS 센서, CCD 센서 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
Meanwhile, in another embodiment, a plurality of detection elements may be formed at one end of the third optical waveguides PWG3_1 to PWG3_11, respectively. The plurality of detection elements may include, for example, at least one of a photo diode, a photo transistor, a TOF sensor, a CMOS sensor, and a CCD sensor.

도 25는 본 발명의 일 실시예에 따른 광 바이오 센서의 제조 방법을 나타내는 흐름도이다.25 is a flowchart illustrating a method of manufacturing an optical biosensor according to an embodiment of the present invention.

도 25를 참조하면, 본 실시예에 따른 광 바이오 센서의 제조 방법은 도 1 내지 도 24에 도시된 광 바이오 센서(1, 1')를 제조하는 방법으로서, 도 1 내지 도 24에 도시된 광 바이오 센서에 관하여 이상에서 기술된 내용은 본 실시예에 따른 광 바이오 센서의 제조 방법에도 적용된다.Referring to FIG. 25, the method of manufacturing the optical biosensor according to the present embodiment is a method of manufacturing the optical biosensors 1 and 1 ′ shown in FIGS. 1 to 24, and the light shown in FIGS. 1 to 24. The above description of the biosensor is also applied to the manufacturing method of the optical biosensor according to the present embodiment.

S110 단계에서, 기판을 제공한다. 본 실시예에서, 기판은 반도체 기판일 수 있다.In step S110, to provide a substrate. In this embodiment, the substrate may be a semiconductor substrate.

S120 단계에서, 검출 소자가 형성된 기판 상에 클래딩층을 형성한다. 본 실시예에서, 클래딩층은 코어층보다 굴절률이 작은 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 클래딩층은 옥사이드층일 수 있다.In step S120, a cladding layer is formed on the substrate on which the detection element is formed. In this embodiment, the cladding layer may include a material having a lower refractive index than the core layer. For example, the cladding layer may be an oxide layer.

S130 단계에서, 클래딩층 상에 코어층을 형성한다. 예를 들어, 코어층은 실리콘층 또는 실리콘 나이트라이드층일 수 있다.In step S130, to form a core layer on the cladding layer. For example, the core layer can be a silicon layer or a silicon nitride layer.

S140 단계에서, 코어층을 패터닝하여 바이오 센싱 링 공진기, 복수의 분광 링 공진기 및 복수의 광 도파로들을 형성한다. 구체적으로, 복수의 광 도파로들은, 입력 광 신호를 수신하여 바이오 센싱 링 공진기에 제공하는 제1 광 도파로, 바이오 센싱 링 공진기로부터 감지 광 신호를 수신하여 복수의 분광 링 공진기들에 제공하는 제2 광 도파로, 및 복수의 분광 링 공진기로부터 복수의 출력 광 신호들을 각각 수신하는 복수의 제3 광 도파로들을 포함할 수 있다.In operation S140, the core layer is patterned to form a bio sensing ring resonator, a plurality of spectral ring resonators, and a plurality of optical waveguides. Specifically, the plurality of optical waveguides, the first optical waveguide for receiving an input optical signal to provide to the bio-sensing ring resonator, the second optical wave receiving the sensing optical signal from the bio-sensing ring resonator and provided to the plurality of spectral ring resonators And a plurality of third optical waveguides, each receiving a plurality of output optical signals from the plurality of spectral ring resonators.

다른 실시예에서, 광 바이오 센서의 제조 방법은, 클래딩층을 형성하는 단계를 수행하기 전에 기판에 복수의 검출 소자들을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 광 바이오 센서의 제조 방법은, 복수의 제3 광 도파로들의 일단에 복수의 검출 소자들을 각각 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 광 바이오 센서의 제조 방법은, 복수의 제3 광 도파로들의 일단에 그레이팅 커플러를 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
In another embodiment, the method of manufacturing the optical biosensor may further include forming a plurality of detection elements on the substrate before performing the step of forming the cladding layer. In another embodiment, the method of manufacturing the optical biosensor may further include forming each of the plurality of detection elements at one end of the plurality of third optical waveguides. In another embodiment, the method of manufacturing the optical biosensor may further include forming a grating coupler at one end of the plurality of third optical waveguides.

도 26은 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 센싱 시스템을 나타내는 블록도이다.26 is a block diagram illustrating a biosensing system according to an embodiment of the present invention.

도 26을 참조하면, 바이오 센싱 시스템(1000)은 바이오 센서 칩(1), 유로(Fluidic Channel)(2) 및 신호 처리부(50)를 포함할 수 있다. Referring to FIG. 26, the biosensor system 1000 may include a biosensor chip 1, a fluidic channel 2, and a signal processor 50.

바이오 센서 칩(1)은 광학적 특성을 이용하여 바이오 물질의 농도를 센싱하여 전기적 신호로 출력한다. 본 실시예에서, 바이오 센서 칩(1)은 도 1의 광 바이오 센서일 수 있다. 따라서, 바이오센서 칩(1) 자체에서 광 신호를 생성하여 바이오 물질의 농도를 센싱하고 그 결과를 전기적 신호로 출력하므로 별도의 광원이나, 분광계 등이 필요하지 않다. 따라서, 바이오 센싱 시스템(1000)의 소형화, 저전력화, 휴대화에 적합하다.The biosensor chip 1 senses the concentration of the biomaterial using an optical characteristic and outputs the electrical signal as an electrical signal. In the present embodiment, the biosensor chip 1 may be the optical biosensor of FIG. 1. Therefore, since the biosensor chip 1 generates an optical signal to sense the concentration of the biomaterial and outputs the result as an electrical signal, a separate light source or a spectrometer is not required. Therefore, it is suitable for miniaturization, low power consumption, and portability of the bio sensing system 1000.

유로(2)는 바이오 물질이 유입되어 흐를 수 있는 통로이다. 유로(2)는 바이오 센서 칩(1)의 상부, 특히 바이오 센싱부(20)의 개구부가 위치하는 곳에 정렬된다. 유로(2)를 통하여 바이오 물질을 포함하는 유체 혹은 기체가 유입되면 개구부를 통하여 상기 바이오 물질이 바이오 센서 칩(1)과 접촉될 수 있다. 유로(2)는 미세유로(Micro Fluidic Channel)일 수 있으며, 마이크로 플루이딕 칩(Micro Fluidic Chip)에 형성된 유로일 수도 있다. 또한, 도 26에서 유로(2)는 직선 형태로 도시되었지만 유로(2)의 형태는 다양할 수 있다.The flow path 2 is a passage through which biomaterials can flow. The flow path 2 is aligned above the biosensor chip 1, in particular where the opening of the biosensor 20 is located. When the fluid or gas containing the biomaterial is introduced through the flow path 2, the biomaterial may contact the biosensor chip 1 through the opening. The flow path 2 may be a micro fluidic channel, or may be a flow path formed in a micro fluidic chip. In addition, although the flow path 2 is illustrated in a straight line in FIG. 26, the shape of the flow path 2 may vary.

신호 처리부(50)는 바이오 센서 칩(1)에서 출력된 전기적 신호를 기초로 바이오 물질의 농도를 판단한다. 컴퓨터 등과 같은 기존에 사용하던 프로세싱 시스템에 위치하면서 연결단자 및 연결선을 통해 바이오센서 칩(1)에서 출력된 전기적 신호를 수신할 수 있다. 또는 독립적인 바이오센서 시스템 장치에 상기 바이오 센서 칩(1) 및 유로(2)와 함께 장착될 수도 있다.
The signal processor 50 determines the concentration of the biomaterial based on the electrical signal output from the biosensor chip 1. Located in a conventional processing system such as a computer, it is possible to receive the electrical signal output from the biosensor chip (1) through the connection terminal and the connection line. Alternatively, the biosensor chip 1 and the flow path 2 may be mounted together in an independent biosensor system device.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.While the present invention has been described with reference to exemplary embodiments, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but, on the contrary, is intended to cover various modifications and equivalent arrangements included within the spirit and scope of the appended claims. Accordingly, the true scope of the present invention should be determined by the technical idea of the appended claims.

1, 1', 1a, 1b, 1c: 광 바이오 센서
10a, 10b, 10c: 광원
20a, 20b, 20c: 바이오 센싱부
30a, 30b, 30c: 분광기
40a, 40b, 40c: 검출부
50: 신호 처리부1, 1 ', 1a, 1b, 1c: optical biosensor
10a, 10b, 10c: light source
20a, 20b, 20c: bio sensing unit
30a, 30b, 30c: spectrometer
40a, 40b, 40c: detection unit
50: signal processing unit

Claims

A bio sensing unit configured to receive an input optical signal and generate a sensing optical signal having a wavelength that changes according to sensing of the biomaterial; And
And a spectrometer including a plurality of ring resonators each of which generates the plurality of output optical signals by dividing the generated sensing optical signal according to a wavelength.

The method of claim 1,
The detection light signal,
In the wavelength component of the input optical signal, the optical biosensor characterized in that the resonant wavelength that is changed according to the concentration of the biomaterial is extracted signal or the resonant wavelength is lost.

3. The method of claim 2,
The bio sensing unit,
And a ring resonator extracting the resonant wavelength from the wavelength component of the input optical signal.

3. The method of claim 2,
The bio sensing unit,
A first optical waveguide for receiving the input optical signal;
A ring resonator extracting the resonant wavelength from the wavelength of the input optical signal through a gap with the first optical waveguide; And
And a second optical waveguide for providing the resonance wavelength applied through the gap with the ring resonator as the sensing optical signal.

3. The method of claim 2,
The bio sensing unit,
An optical waveguide for receiving the input optical signal; And
And a ring resonator for generating the sensing optical signal by providing the sensing optical signal to the optical waveguide by losing the resonance wavelength at the wavelength of the input optical signal through the gap with the optical waveguide. Optical biosensor.

3. The method of claim 2,
The bio sensing unit,
A first optical waveguide for receiving the input optical signal;
A cavity resonator extracting only a resonant wavelength from a wavelength of the input optical signal and providing the detected resonant signal; And
And a second optical waveguide for receiving the sensing optical signal.

The method of claim 1,
The spectroscope,
A first optical waveguide for receiving the sensing optical signal;
The plurality of ring resonators each extracting a plurality of resonant wavelengths from the wavelength of the sensed optical signal through a gap with the first optical waveguide; And
And a plurality of second optical waveguides which receive the plurality of resonant wavelengths through the gaps with the plurality of ring resonators and provide the plurality of output optical signals, respectively.

The method of claim 7, wherein
And the plurality of ring resonators extract different resonant wavelengths, respectively.

The method of claim 7, wherein
And a grating coupler at an end of the plurality of second optical waveguides.

The method of claim 1,
The spectroscope,
And N ring resonators for N-segmenting the 3dB bandwidth of the sensed optical signal to produce N output optical signals having corresponding output wavelength components.

The method of claim 1,
The biosensor and the spectrometer are formed or packaged on the same semiconductor substrate.

The method of claim 1,
And a detection unit for converting the plurality of output optical signals into electrical signals, respectively.

The method of claim 12,
Wherein:
And a plurality of detection elements each receiving the plurality of output optical signals.

The method of claim 13,
The plurality of detection elements may include at least one of a photodiode, a phototransistor, a time of flight (TOF) sensor, a CMOS sensor, and a CCD sensor.

The method of claim 12,
The biosensor, the spectrometer and the detector is formed or packaged on the same semiconductor substrate.

The method of claim 12,
And a signal processor configured to determine the concentration of the biomaterial based on the electrical signals output from the detector.

The method of claim 1,
Further comprising a light source for providing the input optical signal.

A bio-sensing ring resonator for extracting a sensing optical signal having a resonant wavelength that varies according to the presence or concentration of a biomaterial from an input optical signal; And
And a plurality of spectral ring resonators for dividing the sensing optical signal according to a wavelength to extract a plurality of output optical signals, respectively.

A fluidic channel into which the biomaterial can be introduced; And
A biosensor chip having an opening disposed adjacent to the flow path, the biosensor chip outputting an electrical signal by detecting the presence or absence of the biomaterial or the concentration of the biomaterial based on an optical characteristic,
The biosensor chip,
A bio sensing unit configured to generate a sensing optical signal having a wavelength which is changed according to the presence or concentration of a biomaterial from an input optical signal; And
And a spectrometer including a plurality of ring resonators each of which generates the plurality of output optical signals by dividing the generated sensing optical signal according to a wavelength.

Forming a cladding layer on the substrate;
Forming a core layer on the cladding layer; And
Patterning the core layer to form a bio sensing ring resonator, a plurality of spectral ring resonators, and a plurality of optical waveguides.