KR20140095677A - 광 커플링 시스템 및 이를 포함하는 광 센서 - Google Patents
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Abstract
광 커플링 시스템은 기판 상에 배치된 광원으로부터 방출된 빔을 기판 상면에 수직한 방향으로 압축시키며, 기판 상에 순차적으로 적층된 복수 개의 막들을 포함하는 제1 막 구조물과, 기판 상에 배치되어, 제1 막 구조물을 통과한 빔을 기판 상면에 수평한 방향으로 압축시키는 제2 막 구조물을 포함한다.
Description
본 발명은 광 커플링 시스템 및 이를 포함하는 광 센서에 관한 것이다.
광원으로부터 방출되는 광을 얇은 두께의 광 도파로에 커플링시키기 위해서는, 렌즈, 광섬유, 그레이팅 커플러 등이 필요하며, 이들은 평면상에 집적화되지 않고 서로 얼라인시키기가 어렵다. 이에 따라, 상기 광학 부품들을 패키징하는 작업에 많은 시간과 비용이 소요된다. 한편, 상기 광학 부품들을 평면상에 집적화시키는 방법으로서 수직 테이퍼 도파로를 사용할 수도 있으나, 이를 형성하는 공정에서 정밀한 증착 및 제어가 어렵고 식각 공정의 재현성이 떨어진다. 이에 따라, 제작 비용 및 시간이 적게 소요되고 집적화가 가능한 광 커플링 시스템이 필요하다.
본 발명의 일 목적은 집적화가 용이한 광 커플링 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 광 커플링 시스템을 포함하는 광 센서를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예들에 따른 광 커플링 시스템은 기판 상에 배치된 광원으로부터 방출된 빔을 상기 기판 상면에 수직한 방향으로 압축시키며, 상기 기판 상에 순차적으로 적층된 복수 개의 막들을 포함하는 제1 막 구조물과, 상기 기판 상에 배치되어, 상기 제1 막 구조물을 통과한 빔을 상기 기판 상면에 수평한 방향으로 압축시키는 제2 막 구조물을 포함한다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 제1 막 구조물의 복수 개의 막들 중에서 가운데에 배치된 중심막이 가장 높은 굴절률을 포함할 수 있으며, 나머지 막들은 상기 중심막으로부터 멀어질수록 점차 낮은 굴절률을 가질 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 제1 막 구조물은 불순물이 도핑된 폴리실리콘을 포함할 수 있고, 상기 복수 개의 막들 중에서 가운데에 배치된 중심막이 가장 높은 농도의 상기 불순물을 포함할 수 있으며, 나머지 막들은 상기 중심막으로부터 멀어질수록 점차 낮은 농도의 상기 불순물을 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 제2 막 구조물은, 상기 빔의 진행 방향에 대해 볼록한 렌즈부(lens portion)와, 상기 렌즈부와 일체적으로 형성되며, 상기 빔의 진행 방향으로 점차 줄어드는 폭을 갖는 테이퍼부(tapered portion)를 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 제2 막 구조물은 단결정 실리콘, 폴리실리콘 혹은 실리콘 질화물을 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 광원은 레이저 다이오드(Laser Diode: LD) 혹은 자연 방출 증폭광(Amplified Spontaneous Emission: ASE)일 수 있다.
본 발명의 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예들에 따른 광 센서는 기판 상에 배치된 광원, 상기 광원으로부터 방출된 빔을 상기 기판 상면에 수직한 방향으로 압축시키며, 상기 기판 상에 순차적으로 적층된 복수 개의 막들을 포함하는 제1 막 구조물, 상기 기판 상에 배치되어, 상기 제1 막 구조물을 통과한 빔을 상기 기판 상면에 수평한 방향으로 압축시키는 제2 막 구조물, 상기 제2 막 구조물을 통과한 빔이 통과하는 광 도파로, 상기 광 도파로를 통과한 빔을 수용하여 이를 전기적 신호로 변경하는 수광 소자 및 상기 수광 소자에서 생성된 전기적 신호를 처리하는 신호 처리기를 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 제1 막 구조물의 복수 개의 막들 중에서 가운데에 배치된 중심막이 가장 높은 굴절률을 포함할 수 있으며, 나머지 막들은 상기 중심막으로부터 멀어질수록 점차 낮은 굴절률을 가질 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 제1 막 구조물은 불순물이 도핑된 폴리실리콘을 포함할 수 있고, 상기 복수 개의 막들 중 가운데에 배치된 중심막이 가장 높은 농도의 상기 불순물을 포함할 수 있으며, 나머지 막들은 상기 중심막으로부터 멀어질수록 점차 낮은 농도의 상기 불순물을 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 제2 막 구조물은, 상기 빔의 진행 방향에 대해 볼록한 렌즈부(lens portion) 및 상기 렌즈부와 일체적으로 형성되며, 상기 빔의 진행 방향으로 점차 줄어드는 폭을 갖는 테이퍼부(tapered portion)를 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 광 도파로는 상기 기판 상에 형성될 수 있으며, 상기 제2 막 구조물과 상기 광 도파로는 일체적으로 형성될 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 수광 소자는 포토다이오드(Photo Diode: PD)일 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 광 센서는 상기 광 도파로에 접촉하며 검사 시료가 주입되는 유체관을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예들에 따른 광 센서는 기판 상에 배치된 광원, 상기 광원으로부터 방출된 빔을 상기 기판 상면에 수직한 방향으로 압축시키며, 상기 기판 상에 순차적으로 적층된 복수 개의 막들을 포함하는 제1 막 구조물, 상기 기판 상에 배치되어, 상기 제1 막 구조물을 통과한 빔을 상기 기판 상면에 수평한 방향으로 압축시키는 제2 막 구조물, 상기 제2 막 구조물을 통과한 빔이 통과하는 광 도파로, 상기 광 도파로에 접촉하며 검사 시료가 주입되는 유체관 및 상기 유체관으로부터 생성되는 광 신호를 검출하는 광 검출기를 포함한다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 제1 막 구조물의 복수 개의 막들 중에서 가운데에 배치된 중심막이 가장 높은 굴절률을 포함할 수 있고, 나머지 막들은 상기 중심막으로부터 멀어질수록 점차 낮은 굴절률을 가질 수 있으며, 상기 제2 막 구조물은, 상기 빔의 진행 방향에 대해 볼록한 렌즈부(lens portion) 및 상기 렌즈부와 일체적으로 형성되며, 상기 빔의 진행 방향으로 점차 줄어드는 폭을 갖는 테이퍼부(tapered portion)를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 광원으로부터 방출된 빔은 제1 및 제2 막 구조물들을 포함하는 광 커플링 시스템을 통과함에 따라, 그 단면이 원하는 수준의 작은 사이즈와 형상을 갖도록 변형될 수 있으며, 이에 따라 수광 소자에 연결되는 광 도파로에 잘 커플링될 수 있다.
또한, 상기 광 커플링 시스템은 모두 기판 상에 배치될 수 있으며, 또한 상기 광 커플링 시스템에 빔을 제공하는 광원, 상기 광 커플링 시스템을 통과한 빔이 입사되는 광 도파로 및 수광 소자 모두 상기 기판 상에 배치될 수 있으므로, 이들이 기판 상에 집적화된 형태로 배치될 수 있어, 이들의 형성 및 패키징에 드는 시간 및 비용이 절감될 수 있다.
도 1은 예시적인 실시예들에 따른 광 커플링 시스템을 설명하기 위한 사시도이다.
도 2 내지 도 4는 광원으로부터 방출된 빔이 수광 소자에 도달하는 과정에서 그 형상이 변경되는 것을 설명하기 위한 빔 형상도이다.
도 5 및 도 6 각각은 예시적인 실시예들에 따른 광 센서를 설명하기 위한 사시도 및 단면도이다.
도 7 및 도 8 각각은 다른 실시예들에 따른 광 센서를 설명하기 위한 사시도 및 단면도이다.
도 2 내지 도 4는 광원으로부터 방출된 빔이 수광 소자에 도달하는 과정에서 그 형상이 변경되는 것을 설명하기 위한 빔 형상도이다.
도 5 및 도 6 각각은 예시적인 실시예들에 따른 광 센서를 설명하기 위한 사시도 및 단면도이다.
도 7 및 도 8 각각은 다른 실시예들에 따른 광 센서를 설명하기 위한 사시도 및 단면도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하고자 한다.
본 발명의 각 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하여 도시한 것이다.
본 발명에서, 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
본 발명에서 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, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명에 있어서, 각 층(막), 영역, 전극, 패턴 또는 구조물들이 대상체, 기판, 각 층(막), 영역, 전극 또는 패턴들의 "상에", "상부에" 또는 "하부"에 형성되는 것으로 언급되는 경우에는 각 층(막), 영역, 전극, 패턴 또는 구조물들이 직접 기판, 각 층(막), 영역, 또는 패턴들 위에 형성되거나 아래에 위치하는 것을 의미하거나, 다른 층(막), 다른 영역, 다른 전극, 다른 패턴 또는 다른 구조물들이 대상체나 기판 상에 추가적으로 형성될 수 있다.
본문에 개시되어 있는 본 발명의 실시예들에 대해서, 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본문에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다.
즉, 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 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.
도 1은 예시적인 실시예들에 따른 광 커플링 시스템을 설명하기 위한 사시도이다.
도 1을 참조하면, 상기 광 커플링 시스템은 기판(100) 상에 배치된 제1 막 구조물(300) 및 제2 막 구조물(400)을 포함할 수 있다.
기판(100)은 실리콘, 게르마늄과 같은 반도체 물질이나 유리, 플라스틱과 같은 절연 물질을 포함할 수 있다.
제1 막 구조물(300)은 기판(100) 상에 순차적으로 적층된 복수 개의 막들(350, 330, 310, 320, 340)을 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 제1 막 구조물(300)의 복수 개의 막들(350, 330, 310, 320, 340) 중에서 가운데에 배치된 제1 막(310)이 가장 높은 굴절률을 가질 수 있으며, 나머지 제2 내지 제5 막들(320, 330, 340, 350)은 제1 막(310)으로부터 멀어질수록 점차 낮은 굴절률을 가질 수 있다. 예를 들어, 제1 내지 제5 막들(310, 320, 330, 340, 350)은 각각 제1 내지 제5 굴절률들을 가질 수 있으며, 이때, 상기 제1 굴절률이 제일 크고, 상기 제2 및 제3 굴절률들이 서로 동일한 값을 가지면서 상기 제1 굴절률보다는 작으며, 상기 제4 및 제5 굴절률들이 서로 동일한 값을 가지면서 상기 제2 및 제3 굴절률들보다는 작을 수 있다. 한편, 도면 상에서는 제1 막 구조물(300)이 순차적으로 적층된 5개의 막들을 포함하는 것으로 도시되고 있으나, 상기 막들의 개수는 이에 제한되지 않으며, 2이상의 임의의 정수 개일 수 있다.
제1 막 구조물(300)은 예를 들어, 불순물이 도핑된 폴리실리콘을 포함할 수 있다. 이때, 제1 막 구조물(300)의 복수 개의 막들(350, 330, 310, 320, 340) 중에서 가운데에 배치된 제1 막(310)이 가장 높은 불순물 농도를 가질 수 있으며, 나머지 제2 내지 제5 막들(320, 330, 340, 350)은 제1 막(310)으로부터 멀어질수록 점차 낮은 불순물 농도를 가질 수 있다. 예를 들어, 제1 내지 제5 막들(310, 320, 330, 340, 350)은 각각 제1 내지 제5 불순물 농도들을 가질 수 있으며, 이때, 상기 제1 불순물 농도가 제일 크고, 상기 제2 및 제3 불순물 농도들이 서로 동일한 값을 가지면서 상기 제1 불순물 농도보다는 작으며, 상기 제4 및 제5 불순물 농도들이 서로 동일한 값을 가지면서 상기 제2 및 제3 불순물 농도들보다는 작을 수 있다.
제1 막 구조물(300)은 기판(100) 상면에 실질적으로 수직한 제1 면(301) 및 제1 면(301)의 반대편에 위치한 제2 면(302)을 포함할 수 있으며, 기판(100) 상면에 평행하며 제1 면(301)에 수직한 제1 방향으로 입사되는 빔을 기판(100) 상면에 실질적으로 수직한 제3 방향으로 압축시킬 수 있다. 이에 따라, 상기 제1 방향을 따라 제1 막 구조물(300)의 제2 면(302)으로 방출되는 빔은 제1 막 구조물(300)의 제1 면(301)으로 입사한 빔보다 상하 방향으로 압축된 형상을 가질 수 있다.
제2 막 구조물(400)은 기판(100) 상에 제1 막 구조물(300)과 이격되도록 배치될 수 있으며, 렌즈부(lens portion)(410) 및 테이퍼부(tapered portion)(420)를 포함할 수 있다.
렌즈부(410)는 기판(100) 상면에 실질적으로 수직한 제1 면(401)이 볼록한 구면 형상 즉, 볼록 렌즈 형상을 가질 수 있으며, 제1 면(401)의 반대편에 위치하는 제2 면(402)은 기판(100) 상면에 실질적으로 수직한 평면일 수 있다.
상기 제1 방향을 따라 렌즈부(410)의 제1 면(401)으로 입사되는 빔은 제1 면(401)의 곡률에 따라 굴절되어 기판(100) 상면에 실질적으로 평행하며 상기 제1 방향에 실질적으로 수직한 제2 방향으로 압축될 수 있다. 이에 따라, 상기 제1 방향을 따라 렌즈부(410)의 제2 면(402)으로 방출되는 빔은 제1 면(401)으로 입사한 빔보다 좌우 방향으로 압축된 형상을 가질 수 있다.
테이퍼부(420)는 렌즈부(410)의 제2 면(402)에 접하도록 형성될 수 있다. 이때, 테이퍼부(420)는 상기 제2 방향으로의 폭이 상기 제1 방향을 따라 점차 줄어들 수 있다. 이에 따라, 렌즈부(410)의 제2 면(402)으로부터 방출된 빔은 상기 제2 방향으로의 폭이 더욱 더 줄어들거나 혹은 렌즈부(410)에서 줄어든 폭이 유지될 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 렌즈부(410)와 테이퍼부(420)는 기판(100) 상에서 일체적으로 형성될 수 있으며, 렌즈부(410) 및 테이퍼부(420)를 포함하는 제2 막 구조물(400)은 예를 들어, 단결정 실리콘, 폴리실리콘 혹은 실리콘 질화물 등을 포함할 수 있다.
전술한 광 커플링 시스템은 기판(100) 상에 배치된 광원(200)으로부터 방출된 빔이 역시 기판(100) 상에 배치된 수광 소자(600)로 진행할 때, 수광 소자(600)에 연결된 광 도파로(500)의 형상에 대응하도록 상기 빔의 형상을 변형시킴으로써, 상기 빔을 광 도파로(500)에 잘 커플링시킬 수 있다. 이에 대해 도 2 내지 4를 함께 참조하여 보다 자세히 설명하도록 한다.
도 2 내지 도 4는 광원(200)으로부터 방출된 빔이 수광 소자(600)에 도달하는 과정에서 그 형상이 변경되는 것을 설명하기 위한 빔 형상도이다. 구체적으로 도 2는 광원(200)과 제1 막 구조물(300) 사이의 제1 영역(I)에서의 빔의 단면 형상을 도시하고 있고, 도 3은 제1 막 구조물(300) 내부의 제2 영역(II)과, 제1 막 구조물(300) 및 제2 막 구조물(400) 사이의 제3 영역(III)에서의 빔 단면 형상을 도시하고 있으며, 도 4는 제2 막 구조물(400) 내부의 제4 영역(IV)과, 제2 막 구조물(400) 및 수광 소자(600) 사이에 배치된 광 도파로(500) 내부의 제5 영역(V)에서의 빔 단면 형상을 도시하고 있다. 한편, 도 3에서는 광이 제1 막 구조물(300) 내부에서 굴절되는 모양을 함께 도시하고 있다.
먼저 도 1 및 도 2를 참조하면, 기판(100) 상에 배치된 광원(200)으로부터 방출된 빔은 상기 제1 방향으로 진행하면서 상기 제3 방향으로의 폭이 점차 증가할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 광원(200)은 레이저 다이오드(Laser Diode: LD) 혹은 자연 방출 증폭광(Amplified Spontaneous Emission: ASE)일 수 있다.
광원(200)의 캐비티(205)로부터 방출된 빔은 캐비티(205)에 인접한 영역에서는 이와 유사한 형상을 가질 수 있으나, 상기 제1 방향을 따라 진행하여 캐비티(205)로부터 멀어지면서 그 형상이 점차 변경될 수 있다. 즉, 회절 이론에 의해 상기 빔은 상기 제1 방향을 따라 진행하면서, 기판(100) 상면에 평행한 수평 방향 즉, 상기 제2 방향으로의 폭은 일정하게 유지될 수 있지만, 기판(100) 상면에 수직한 수직 방향 즉, 상기 제3 방향으로의 폭은 점차 커질 수 있다.
하지만, 이제 도 1 및 도 3을 참조하면, 상기 빔은 제1 막 구조물(300)을 통과하면서 그 형상이 다시 변경될 수 있다. 즉, 가장 큰 굴절률을 갖는 가운데의 제1 막(310)을 중심으로 상하로 배치된 막들(320, 330, 340, 350)이 점차 작은 굴절률을 가짐에 따라, 제1 막 구조물(300)을 통과하는 상기 빔은 상기 제3 방향으로의 폭이 점차 작아질 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 제1 막 구조물(300)은 실질적으로 상기 빔의 1/4 피치(pitch)의 정수배의 길이를 가질 수 있다. 즉, 제1 막 구조물(300) 내에서 빔은 1/4 피치마다 포커싱(focusing)을 하게 되므로, 즉, 상기 제3 방향으로 가장 작은 폭을 갖게 되므로, 제1 막 구조물(300)이 1/4 피치의 정수배의 길이를 가짐에 따라, 제1 막 구조물(300)을 통과한 상기 빔이 상기 제3 방향으로 가장 작은 폭을 가질 수 있다.
이때, 제1 막 구조물(300)은 정확하게 빔의 1/4 피치의 정수배의 길이를 가지지 않고 이와 유사한 길이를 갖더라도, 상기 빔의 상기 제3 방향으로의 폭이 효과적으로 감소될 수 있다. 일 실시예에 있어서, 제1 막 구조물(300)은 상기 빔의 1/4 피치의 정수배보다 약간 작은 길이를 가질 수 있으며, 이에 따라 상기 빔은 제1 막 구조물(300)과 제2 막 구조물(400) 사이 영역 즉 제3 영역(III)에서 상기 제3 방향으로의 폭이 가장 작을 수 있다. 이에 따라, 상기 빔은 제1 막 구조물(300)을 통과하여 제2 막 구조물(400)로 진입하면서 상기 제3 방향으로의 폭이 다소간 증가할 수도 있다.
도 1 및 도 4를 참조하면, 상기 빔은 제2 막 구조물(400)을 통과하면서 그 형상이 다시 변경될 수 있다. 즉, 상기 빔이 볼록 렌즈 형상의 제1 면(401)을 갖는 렌즈부(410) 및 상기 제2 방향으로의 폭이 점차 줄어드는 형상의 테이퍼부(420)를 포함하는 제2 막 구조물(400)을 통과함에 따라, 상기 빔은 상기 제2 방향으로의 폭이 점차 작아질 수 있다.
이에 따라, 테이퍼부(420)에 연결된 광 도파로(500)로 입사되는 빔은 상기 제2 및 제3 방향들로의 폭이 모두 원하는 수준으로 줄어들 수 있다. 즉, 광원(200)으로부터 방출된 빔은 제1 및 제2 막 구조물들(300, 400)을 포함하는 상기 광 커플링 시스템을 통과함에 따라, 그 단면이 원하는 수준의 작은 사이즈와 형상을 갖도록 변형될 수 있으며, 이에 따라 수광 소자(600)에 연결되는 광 도파로(500)에 잘 커플링될 수 있다.
또한, 상기 광 커플링 시스템은 모두 기판(100) 상에 배치될 수 있으며, 또한 상기 광 커플링 시스템에 빔을 제공하는 광원(200), 상기 광 커플링 시스템을 통과한 빔이 입사되는 광 도파로(500) 및 수광 소자(600) 모두 기판(100) 상에 배치될 수 있으므로, 이들이 기판(100) 상에 집적화된 형태로 배치될 수 있어, 이들의 형성 및 패키징에 드는 시간 및 비용이 절감될 수 있다.
도 5 및 도 6 각각은 예시적인 실시예들에 따른 광 센서를 설명하기 위한 사시도 및 단면도이다. 이때, 도 6은 도 5의 A 영역의 제1 유체관의 단면도이다. 상기 광 센서는 도 1을 참조로 설명한 광 커플링 시스템과 실질적으로 동일하거나 유사한 구조물을 포함하고 있으므로, 동일한 구성 요소에는 동일한 참조 부호를 부여하고, 이에 대한 자세한 설명은 생략한다. 한편, 도면에는 예시적으로 광 바이오 센서를 도시하고 있으나, 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 상기 광 센서는 기판(100) 상에 배치된 광원(200), 제1 및 제2 막 구조물들(300, 400), 광 도파로(500) 및 수광 소자(600)와, 수광 소자(600)에서 생성된 전기적 신호를 처리하는 신호 처리기(810)와, 광원(200) 및 신호 처리기(810)를 제어하는 제어기(900)를 포함할 수 있다. 또한, 상기 광 센서는 광 도파로(500)에 접촉하며 검사 시료가 주입되는 제1 유체관(710)을 더 포함할 수 있다.
광원(200)은 레이저 다이오드(LD) 혹은 자연 방출 증폭광(ASE)일 수 있다. 제1 막 구조물(300)은 광원(200)으로부터 방출되어 기판(100) 상면에 평행한 제1 방향으로 진행하는 빔을 기판(100) 상면에 수직한 제3 방향으로 압축시킬 수 있으며, 기판(100) 상에 순차적으로 적층된 복수 개의 막들(310, 320, 330, 340, 350)을 포함할 수 있다. 제2 막 구조물(400)은 제1 막 구조물(300)을 통과한 빔을 기판(100) 상면에 평행하며 상기 제1 방향에 수직한 제2 방향으로 압축시킬 수 있다. 광 도파로(500)는 제2 막 구조물(400)에 일체적으로 형성될 수 있으며, 제2 막 구조물(400)을 통과한 빔이 커플링되어 통과할 수 있다. 수광 소자(600)는 광 도파로(500)를 통과한 빔을 수용하여 이를 전기적 신호로 변경할 수 있다. 예시적인 실시예들에 있어서, 수광 소자(600)는 포토다이오드(Photo Diode: PD)일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 제1 유체관(710)은 제1 바이오 항체(725)가 고정된 금 나노 입자(720)를 포함하는 마이크로플루이딕(microfluidic) 채널일 수 있으며, 제1 유체관(710)에 접하는 광 도파로(500)의 외면에는 제2 바이오 항체(735)가 고정될 수 있다.
제1 유체관(710)에는 예를 들어, 혈액, 배뇨, 타액 등과 같은 검사 시료가 흐를 수 있으며, 상기 검사 시료에 포함된 제1 바이오 항원(730)이 제1 및 제2 바이오 항체들(725, 735) 사이에 결합될 수 있다.
상기 광 센서는 개략적으로 다음과 같이 동작할 수 있다.
먼저, 제어기(900)에 의해 광원(200)으로부터 빔이 방출되고, 상기 방출된 빔은 제1 및 제2 막 구조물들(300, 400)을 통과한 후 광 도파로(500)에 커플링되며, 광 도파로(500)를 통과한 빔이 수광 소자(600)로 입사함에 따라, 상기 빔에 의한 광 신호가 전기적 신호, 예를 들어, 전류값으로 변환된다. 상기 변환된 전기적 신호는 신호 처리기(810)에 의해 처리되며, 신호 처리기(810)는 제어기(900)에 의해 제어될 수 있다.
이후, 제1 유체관(710)을 통해 검사 시료가 흐르며, 이때 상기 검사 시료에 포함된 바이오 항원(730)이 제1 유체관(710) 내부의 나노 금 입자(720) 및 광 도파로(500) 외면에 각각 고정된 제1 및 제2 바이오 항체들(725, 735) 사이에 결합된다. 이에 따라, 제1 유체관(710) 내부의 나노 금 입자(720)에 의한 광 흡수량이 변동될 수 있으며, 이는 광 도파로(500)를 통과하는 빔에 영향을 주어, 결과적으로 수광 소자(600)에서 생성되는 전기적 신호, 예를 들어 전류값이 변동하게 된다. 상기 전기적 신호는 역시 신호 처리기(810)에 의해 처리될 수 있다.
상기 검사 시료가 제1 유체관(710)을 흐르기 전과 흐른 이후의 전기적 신호의 차이를 비교함으로써, 상기 검사 시료가 포함하는 제1 바이오 항원(730)의 농도를 측정할 수 있으며, 이러한 방식으로 상기 광 센서가 동작할 수 있다.
도 7 및 도 8 각각은 다른 실시예들에 따른 광 센서를 설명하기 위한 사시도 및 단면도이다. 이때, 도 8은 도 7의 B 영역의 제2 유체관의 단면도이다. 상기 광 센서는 도 6 및 도 7을 참조로 설명한 광 센서와 실질적으로 동일하거나 유사한 구조물을 포함하고 있으므로, 동일한 구성 요소에는 동일한 참조 부호를 부여하고, 이에 대한 자세한 설명은 생략한다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 상기 광 센서는 기판(100) 상에 배치된 광원(200), 제1 및 제2 막 구조물들(300, 400) 및 광 도파로(500)와, 광 도파로(500)에 접촉하며 검사 시료가 주입되는 제2 유체관(760)과, 제2 유체관(760)으로부터 방출되는 광 신호를 검출하는 광 검출기(860)와, 광원(200) 및 광 검출기(860) 제어하는 제어기(900)를 포함할 수 있다. 또한, 상기 광 센서는 광 도파로(500)에 연결된 수광 소자(600)를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 제2 유체관(760)은 대략 10 내지 1000㎛ 두께의 속이 빈 실린더 형상의 미세관일 수 있으며, 제2 유체관(760) 내벽에는 제3 바이오 항체(770)가 부착될 수 있다.
제2 유체관(760)의 내벽으로 둘러싸인 공간에는 예를 들어, 혈액, 배뇨, 타액 등과 같은 검사 시료가 흐를 수 있으며, 상기 검사 시료에 포함된 바이오 제2 항원(780)이 제3 바이오 항체(770)에 결합될 수 있다.
상기 광 센서는 개략적으로 다음과 같이 동작할 수 있다.
먼저, 제어기(900)에 의해 광원(200)으로부터 빔이 방출되고, 상기 방출된 빔은 제1 및 제2 막 구조물들(300, 400)을 통과한 후 광 도파로(500)에 커플링되며, 광 도파로(500)를 통과한 빔이 수광 소자(600)로 입사할 수 있다. 광 도파로(500)를 상기 빔이 관통함에 따라, 광 도파로(500)에 접촉하는 제2 유체관(760)에 링 공진자가 발생하게 되며, 이로부터 광 신호, 예를 들어, 광 스펙트럼이 방출된다. 상기 광 신호는 광 검출기(860)에 의해 검출되며, 광 검출기(860)는 제어기(900)에 의해 제어될 수 있다.
이후, 제2 유체관(760)의 내벽으로 둘러싸인 상기 공간을 통해 검사 시료가 흐르며, 이때 상기 검사 시료에 포함된 제2 바이오 항원(780)이 제2 유체관(760) 내벽 상의 제2 바이오 항체(770)에 결합된다. 이에 따라, 제2 유체관(760)의 링 공진자로부터 방출되는 상기 광 신호, 예를 들어 광 스펙트럼이 변동될 수 있다. 상기 광 신호는 역시 광 검출기(860)에 의해 검출될 수 있다.
상기 검사 시료가 제2 유체관(760) 내부 공간을 흐르기 전과 흐른 이후의 광 신호의 차이를 비교함으로써, 상기 검사 시료가 포함하는 제2 바이오 항원(780)의 농도를 측정할 수 있으며, 이러한 방식으로 상기 광 센서가 동작할 수 있다.
전술한 바와 같이, 예시적인 실시예들에 따른 광 커플링 시스템은 광 바이오 센서 등과 같은 각종 광 센서에 적용될 수 있다.
100: 기판 200: 광원
300, 400: 제1, 제2 막 구조물 500: 광 도파로
600: 수광 소자 710, 760: 제1, 제2 유체관
810: 신호 처리기 860: 광 검출기
900: 제어기
300, 400: 제1, 제2 막 구조물 500: 광 도파로
600: 수광 소자 710, 760: 제1, 제2 유체관
810: 신호 처리기 860: 광 검출기
900: 제어기
Claims (10)
- 기판 상에 배치된 광원으로부터 방출된 빔을 상기 기판 상면에 수직한 방향으로 압축시키며, 상기 기판 상에 순차적으로 적층된 복수 개의 막들을 포함하는 제1 막 구조물; 및
상기 기판 상에 배치되어, 상기 제1 막 구조물을 통과한 빔을 상기 기판 상면에 수평한 방향으로 압축시키는 제2 막 구조물을 포함하는 광 커플링 시스템. - 제1항에 있어서, 상기 제1 막 구조물의 복수 개의 막들 중에서 가운데에 배치된 중심막이 가장 높은 굴절률을 포함하며, 나머지 막들은 상기 중심막으로부터 멀어질수록 점차 낮은 굴절률을 갖는 것을 특징으로 하는 광 커플링 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 제1 막 구조물은 불순물이 도핑된 폴리실리콘을 포함하고,
상기 복수 개의 막들 중에서 가운데에 배치된 중심막이 가장 높은 농도의 상기 불순물을 포함하며, 나머지 막들은 상기 중심막으로부터 멀어질수록 점차 낮은 농도의 상기 불순물을 포함하는 것을 특징으로 하는 광 커플링 시스템. - 제1항에 있어서, 상기 제2 막 구조물은,
상기 빔의 진행 방향에 대해 볼록한 렌즈부(lens portion); 및
상기 렌즈부와 일체적으로 형성되며, 상기 빔의 진행 방향으로 점차 줄어드는 폭을 갖는 테이퍼부(tapered portion)를 포함하는 것을 특징으로 하는 광 커플링 시스템. - 제1항에 있어서, 상기 제2 막 구조물은 단결정 실리콘, 폴리실리콘 혹은 실리콘 질화물을 포함하는 것을 특징으로 하는 광 커플링 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 광원은 레이저 다이오드(Laser Diode: LD) 혹은 자연 방출 증폭광(Amplified Spontaneous Emission: ASE)인 것을 특징으로 하는 광 커플링 시스템.
- 기판 상에 배치된 광원;
상기 광원으로부터 방출된 빔을 상기 기판 상면에 수직한 방향으로 압축시키며, 상기 기판 상에 순차적으로 적층된 복수 개의 막들을 포함하는 제1 막 구조물;
상기 기판 상에 배치되어, 상기 제1 막 구조물을 통과한 빔을 상기 기판 상면에 수평한 방향으로 압축시키는 제2 막 구조물;
상기 제2 막 구조물을 통과한 빔이 통과하는 광 도파로;
상기 광 도파로를 통과한 빔을 수용하여 이를 전기적 신호로 변경하는 수광 소자; 및
상기 수광 소자에서 생성된 전기적 신호를 처리하는 신호 처리기를 포함하는 광 센서. - 제7항에 있어서, 상기 수광 소자는 포토다이오드(Photo Diode: PD)인 것을 특징으로 하는 광 센서.
- 제7항에 있어서, 상기 광 도파로에 접촉하며 검사 시료가 주입되는 유체관을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광 센서.
- 기판 상에 배치된 광원;
상기 광원으로부터 방출된 빔을 상기 기판 상면에 수직한 방향으로 압축시키며, 상기 기판 상에 순차적으로 적층된 복수 개의 막들을 포함하는 제1 막 구조물;
상기 기판 상에 배치되어, 상기 제1 막 구조물을 통과한 빔을 상기 기판 상면에 수평한 방향으로 압축시키는 제2 막 구조물;
상기 제2 막 구조물을 통과한 빔이 통과하는 광 도파로;
상기 광 도파로에 접촉하며 검사 시료가 주입되는 유체관; 및
상기 유체관으로부터 생성되는 광 신호를 검출하는 광 검출기를 포함하는 광 센서.
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