KR20190128172A - 통합형 플라즈모-포토닉 바이오센서 및 사용 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 큰 FSR을 갖는 제1 광학 Mach-Zehnder 간섭 측정 센서(MZI1)를 포함하는 디바이스에 관한 것으로, 플라즈몬 도파로(plasmonic waveguide)(107), 박막 또는 하이브리드 슬롯이 Si3N4 포토닉(photonic) 도파로에 평평하게 통합되는 트랜스듀서 요소로서 포함되며, 디바이스는 또한 제2 광학 간섭 측정 Mach-Zehnder(MZI2)를 포함하며, 둘 모두는 가변 광학 감쇠기(VOA)로서 MZI 센서(MZI1) 및 MZI를 최적으로 바이어스시키기 위한 열 광학적 위상 변이기(104, 106)를 포함한다. 본 디바이스는 전체적인 칩(112)을 더 포함하고, 이 디바이스는 저지수(low index) 산화물 기판(SiO2)과 저지수 산화물 상층(LTO) 사이에 개재되는 고지수 질화규소 스트립(303, 603)을 갖는 일 세트의 포토닉 도파로(103); 센서의 양 단부에 있고 광학적 I/O로서 작용하는 광학적 연결 구조(102, 109); 제1 센서(MZI1)의 제1 접합부(102)에서의 광학적 분할 및 제1 MZI(MZI1)의 제2 접합부(109)에서의 광학적 결합을 위한 광학 분할기(102) 및 광학 결합기(109); 추가적인 제2 MZI(MZI2)의 제1 접합부에서의 광학적 분할 및 제2 MZI(MZI2)의 제2 접합부에서의 광학적 결합을 위한 광학 분할기 및 광합 결합기를 배치하는 추가적인 제2 MZI(MZI2)(MZI1(센서)에 내포됨)를 갖는 가변 광학 감쇠기(VOA); MZI(MZI1, MZI2-VOA)의 기준 아암(104, 106)에서 광학 신호의 위상을 조정하는 일 세트의 열 광학적 위상 변이기(104, 106)(열 광학적 위상 변이기는, 포토닉 도파로의 일부분 위에서 빛의 진행 방향을 따라 2개의 금속 스트립을 서로 평행하게 배치하여 형성됨); 및 제1 MZI(MZI1)의 상측 분지부(103)에 있고 커플링을 통과하는 빛의 진행을 금속-피분석물 계면에 있는 표면 플라즈몬 폴라리톤(polariton)(SPP)에 국한시키는 플라즈몬 도파로(107)를 포함하고, 본 발명은 또한 디바이스에 관련된 방법에 관한 것이다.

Description

통합형 플라즈모-포토닉 바이오센서 및 사용 방법
본 발명은 평평한 통합형 포토닉(photonic) 바이오센서의 저렴한 대량 생산을 위한 디바이스에 관한 것으로, 보다 구체적으로는, 센서의 감도(sensitivity)를 전례 없는 수준으로 또한 낮은 제조 비용으로 증가시키기 위한 수단으로 CMOS 포토닉 요소와 플라즈몬(plasmonic) 요소를 최적으로 바이어스된(biased) MZI 간섭계에 단일체로 함께 통합하는 것에 관한 것이다.
고감도 생체 감지의 기술적 문제를 해결하기 위한 여러 해결책이 제안되었다. 그러나, 넓은 상업적 이용은, 요구되는 복잡하고 비싼 제조 방법, 시스템의 큰 풋프린트(footprint) 또는 적정한 감도에 의해 여전히 방해를 받고 있다. 모든 그러한 특성은 감지 장치가 시판되기 전에 감지 장치에서 동시에 해결되어야 한다.
금속 표면에서의 강한 광학적 장(field)으로 인한 굴절률 변화에 대한 표면 플라즈몬 공명(SPR)의 감도는,"Surface plasmon resonance sensors: review", Sensors and Actuators B: Chemical Volume 54, Issues 1-2, 25 January 1999, Pages 3-15에서 Jin Homola, Sinclair S. Yeea, Giinter Gauglitzb에 의해 참조되는, 생물학적 작용물의 검출을 위한 SPR 감지 시스템의 개발로 이어졌다. 감지 시스템은 일반적으로 광학 프리즘을 사용하여 빛을 평평한 금 필름 상의 표면 플라즈몬 모드에 연결한다. 그러나, 그 시스템의 큰 크기는 저렴한 제조와 포인트-오브-케어(point-of-care)에서의 사용 및 다른 휴대용을 위해 평평한 단일체 칩에서 소형화를 이루는데 있어 주요 장애가 된다.
나노 제조의 최근 발전을 이용하여, 이동하는 표면 플라즈몬 폴라리톤(polariton)을 사용하는 플라즈몬 도파로(waveguide) 장치가 바이오센서로서 통합되었지만, 감도 면에서 감지 성능은 낮다. 플라즈몬 센서의 성능을 향상시키기 위해, 플라즈몬 도파로가 Mach-Zehnder 간섭계("MZI"로 표시됨) 및 다른 간섭 측정 구성에 통합되어, 시험 받는 피분석물의 굴절률의 변화에 대한 플라즈몬 도파로에서의 광학적 장의 위상 의존성을 이용한다. OSA-Optics Express, Vol. 23, Issue 20, pp. 25688-25699 (2015), doi.org/10.1364/OE.23.025688 [Wosinski]의 논문에는, 규소에 통합되는 금계 슬롯 도파로를 갖는 Mach-Zehnder 간섭계가 소개되어 있다. 그러나, MZI의 작은 FSR와 조합되어 상측 분지부와 하측 분지부 사이의 길이차 및 파워 불균형을 최적화하는 최적의 바이어싱 요소가 없기 때문에, 광학적 감도는 1061 nm/RIU 정도가 되었다. 하이브리드 플라즈몬 슬롯 도파로를 사용하는 유사한 접근 방안이, M.Z. Alam, F. Bahrami, J.S. Aitchison 및 M. Mojamedi에 의해 참조되는 IEEE-포토닉스 저널의 논문인 "Analysis and Optimization of Hybrid Plasmonic Waveguide as a Platfrom for Biosensing" Volume: 6, Issue: 4, Aug. 2014, DOI: 10.1109/JPHOT.2014.2331232에 제안되어 있는데, 하지만, 설계는 MZI 균형 잡기 요소 및 관련된 성능 인디케이터가 없는 플라즈몬 도파로에 촛점을 두고 있다.
특허 문헌 US2005/0018949 A1에는, 플라즈몬을 사용하고 단지 마이크로미터 스케일의 치수(2 ∼ 20 ㎛)(이를 초과하지 않음)로 가해지고 그래서 단지 마이크로미터 스케일의 통합화(그 보다 크지 않음)를 가능하게 하는 MZI 센서가 개시되어 있다. 추가로, 상기 문헌의 플라즈몬 도파로와 포토닉 도파로 사이의 연결 효율은 개시되어 있지 않지만, 이는, 낮고 그래서 플라즈몬 도파로가 통합되는 MZI의 분지부에서 매우 높은 손실이 생길 것으로 예상된다. 이로 인해, 상기 문헌에는 개시되어 있지 않은 MZI의 하측 분지부에 있는 바이어싱 요소의 부존재와 더불어, 감지 측정 동안에 분해능이 낮고 그래서 센서의 감도 및 검출 한계를 제한할 것으로 예상된다.
특허 EP 2 214 049 B1는 소멸하는 광학적 장에 의존하되 MZI 감지 분지부에서 매우 긴 상호 작용 아암을 필요로 하는 특별하게 설계된 포토닉 MZI를 사용한다. 이는, 폴리머와 같은 CMOS 비호환 재료의 사용과 함께, 이 장치를 마이크로 또는 나노 스케일로 더 소형화하는 것 그리고 CMOS 설비에서의 대량 생산을 방해한다. 위에서 언급된 장치와 유사하게, 이 센서는 MZI 센서를 완벽하게 균형 잡기 위해 요구되는 균형 잡기 요소를 사용하지 않으며, 감도 요건을 만족하기 위해 그 센서는 큰 센서 구성을 필요로 하는데, 이러한 구성은 대량 생산 및 그래서 감지 칩 제조의 비용 절감을 제한하게 된다.
"Plasmonic Mach-Zehnder Interferometer for Ultrasesnitive on-chip Biosesning", ACS Nano 2011 Dec 18;5(12):9836-44. Epub 2011 Nov 18에서 Yongkang Gao, Qiaoqiang Gan, Zheming Xin, Xuanhong Cheng, Filbert J Bartoli에 의해 또한 "Integrated Bimodal Waveguide Interferometric Biosensor for Label-Free Analysis", Journal of Lightwave Technology Year: 201 1 , Volume: 29, Issue: 13, Pages: 1926 - 1930, DOI: 10.1 109/JLT.2011.2150734에서 Kirill E. Zinoviev; Ana Belen Gonzalez-Guerrero; Carlos Dominguez; Laura M. Lechuga에 의해 참조되는 이중모달 간섭계(Bimodal Interferometer)라고 불리는 새로운 종류의 간섭계가, 향상된 열적 안정성 및/또는 이상적인 50:50 분할비로부터의 편차를 목표로 하는 포토닉 구조와 플라즈몬 구조 모두를 사용하여 조사되었다. 컴팩트한 해결책이 제공되지만, 이중모달 작동을 위한 요건은 감지 영역의 확장 및 최적화된 분해능을 위한 두 MZI 분지부의 정확한 균형 잡기를 방해한다.
MZI 구성을 사용하는 마이크로 섬유 기반 굴절률 센서가 "Refractive index sensor using microfiber-based Mach-Zehnder interferometer", Vol. 37, Issue 1, pp. 67-69 (2012), doi.org/10.1364/OL.37.000067에서 Jianghai Wo 등에 의해 참조되는 OSA-Optics의 레터의 논문에서 보고되었다. 제안된 레이아웃은 광섬유, 수동으로 제어되는 기성품 광 지연 라인과 MZI 센서 작동을 최적화하기 위한 감쇠기 요소 및 6cm 광 마이크로 섬유를 사용한다. 이 논문에는, 평평한 통합형 칩에서 제안된 레이아웃을 개발하고 감쇠기 및 지연 라인을 통합 형태로 실현하기 위한 방법은 개시되어 있지 않다. 추가로, 센서 트랜스듀서로서 6cm 길이의 마이크로 섬유를 사용하면, 추가 소형화(밀리미터 또는 마이크로미터 스케일) 및 대량 생산이 가능하지 않다.
여기서 참조되는 논문인 "Thermo-optic phase modulators in SIMOX material", Proc. SPIE 3936, Integrated Optics Devices IV, (24 March 2000); doi: 10.1 117/12.379940의 저자 Stewart A. Clark, Brian Culshaw, Emma J.C. Dawnay, Ian E. Day는, MZI 구성에서 위상 변조 요소로서 평평한 전기 제어식 열 광학적 위상 변이기를 사용하는 방법을 개시하고 있다. 전기 제어식 위상 변조기를 내포형 MZI 구성으로 조합하는 유사한 접근 방안이 WO 00/73848 A2(JDS UNIPHASE CORP [US]; McBrien Gregory J [US]; Kissa Karl M [US]; Hal) 7 December 2000 (2000-12-07)에 또한 개시되었다. 그러나, 감지 요소와 감지 기능이 어떤 구성으로도 제안되어 있지 않다.
WO 00/73848 A2에는, 특히 도 3에, 간섭계의 아암에서 장의 위상 및 균형을 제어하는 전극을 갖는 내포형 Mach-Zehnder 구성이 개시되어 있다. 그러나, 개시된 장치는 변조기이고 센서는 아니며, 열 광학적 위상 변이기를 포함하지 않는다.
본 발명의 목적은, 단순하고 저렴한 제조 방법을 사용하여 마이크로미터 스케일의 칩 기반 구성으로 통합될 수 있는 초민감 바이오센서 디바이스를 제안하여 전술한 다양한 문제들을 동시에 해결하는 것이다.
목표 물질을 정확하게(분자 수준으로) 실시간으로 판독할 수 있는 감지 기술이 질병의 조기 진단과 방지, 포인트-오프-케어 용도 및 정확한 환경 모니터링을 증진시킬 것이다. 플라즈몬닉스는, 빛을 나노미터 스케일의 치수로 국한시켜 상호 작용 길이에 대한 우수한 감도 관계를 줄 수 있기 때문에 감지에 이용될 때 넓은 잠재성을 갖는 기술이다. 저렴한 포토닉스, 전자 장치(nm 스케일 및 금속 특성) 및 생화학적 기구(생체 적합적인)와 조화적으로 함께 존재할 수 있는 능력과 함께, 플라즈모닉스의 단위 길이 당 전례 없는 감도는 성능, 다기능성 및 컴팩트성 면에서 바이오센서 시스템에서 새로운 능력을 보여줄 것이다.
또한, 플라즈몬 도파로를 Si3N4계 포토닉스와 선택적으로 조합함으로써, 전자 IC 공장의 CMOS 후위 제조 공정을 이용하여 통합형 포토닉 센서를 더 저렴하게 대량 생산할 수 있다. 플라즈몬닉스의 부가 가치는 실제로 확인되었지만, 손실이 높고 고립된 기술의 통합형 플라즈몬 센서를 고가치의 실용적인 CMOS 호환 디바이스로 변화시키기 위한 조직화된 노력은 아직 보이지 않고 있다. 간략히 말하면, CMOS 호환 플라즈몬닉스와 평평한 통합형 칩 내에 있는 포토닉스의 조화적이고 균형 잡힌 혼합은, 값비싸고 복잡한 기술의 플라즈모-포토닉 센서를 포토닉 통합형 회로(PIC) 기반 센서에서의 진정한 기술적 혁명으로 변화시켜 전례 없는 성능과 기능을 대규모로 또한 다양한 산업적 요구 조건에 맞게 제공할 것으로 예상된다.
따라서 본 발명은, 전형적으로 전자 집적 회로에 사용되는 CMOS 제조법, 특히 단일체 통합화를 사용하여 저렴하게 또한 대량 생산으로 제조될 수 있는 특히 수십 나노미터 내지 수백 나노미터의 큰 파장 FSR를 갖는 최적으로 균형 잡힌 포토닉 MZ 간섭계에서 플라즈몬 도파로를 사용하여, 시험적으로 150000 nm/RIU의 전례 없는 광학적 감도를 갖는 통합형, 즉 컴팩트한 감지 장치(칩)에 대한 요구를 해결하고자 하는 것이다. 이러한 관점에서, 센서 설계, 부품 제조 방법과 장치 및 감지 방법이 본 발명에 따라 제안된다.
추가로, 본 발명은 CMOS 칩에 평평하게 통합되는 나노미터 스케일의 Si3N4 포토닉 도파로 및 나노미터 스케일의 플라즈몬 도파로를 이용하는 광학적 Mach-Zehnder 간섭계(MZI) 바이오센서를 제안한다. 본 발명은, 시험 받는 피분석물 또는 가스가 플라즈몬 도파로를 덮고 있을 때 간섭계의 플라즈몬 도파로 부분에서 일어나는 잘 알려져 있는 굴절률 변화를 이용하여 화학적 및/또는 물리적 양을 검출하는 것을 목표로 한다. 추가적인, 즉 제2 Mach-Zehnder 간섭계(MZI)가 광학적 위상 변이기와 함께 가변 광학 감쇠기(VOA)로서 사용되고, 독립적인 위상 변이기가 한 분지부에 포함되고, 그리하여, 센서를 최적으로 균형 잡고 종래 기술로 얻어질 수 있는 것 보다 훨씬 아래의 측정 감도를 얻기 위해 간섭계의 하측 분지부가 사용된다. 센서 설계는 저렴한 재료 및 제조 공정과 조합되어 대량 생산을 가능하게 해준다.
본 발명은 액체 또는 가스에 존재하는 화학적, 생화학적 또는 다른 물리적 양의 검출에 사용되는 초민감 바이오센서 칩의 저렴한 대량 생산 방법을 다룬다.
따라서, 본 발명에 따르면, 대량 생산 설비에서 저렴하게 제조될 수 있는 특별하게 설계된 MZI 구성에 배치되는 포토닉 도파로 및 플라즈몬 도파로의 도움으로 초민감 바이오센서 장치가 제안된다. 특히, 본 발명에 따르면, 나노미터 스케일의 통합화를 위한 포토닉 요소와 새로운 플라즈몬 요소를 포함하는 장치가 제안된다.
본 발명에 따른 디바이스의 주요 실시 형태에 따르면, 이 디바이스는 광학적 간섭 측정 센서를 포함하고, 이 센서는 수십 나노미터 내지 수백 나노미터의 큰 FSR을 갖는 Mach-Zehnder 간섭 측정(MZI) 센서이고, 플라즈몬 도파로, 특히 박막 또는 하이브리드 슬롯이 Si3N4 포토닉 도파로에 평평하게 통합되는 트랜스듀서 요소로서 포함되며, 상기 디바이스는,
- 저지수(low index) 산화물 기판(SiO2)과 저지수 산화물 상층(superstate)(LTO) 사이에 개재되는 고지수 질화규소 스트립을 갖는 일 세트의 포토닉 도파로;
- 상기 센서의 양 단부에 있고 광학적 I/O로서 작용하는 광학적 연결 구조;
- MZI 센서의 제1 접합부에서의 광학적 분할 및 제1 MZI 센서의 제2 접합부, 특히 Y-접합부, 방향성 연결기 또는 다중 모드 간섭 연결기(MMI)에서의 광학적 결합을 위한 광학 분할기 및 광학 결합기; 및
센서의 상측 분지부에 형성되고, 커플링을 통과하는 빛의 진행을 금속-피분석물 계면에 있는 표면 플라즈몬 폴라리톤(polariton)(SPP)에 국한시키는 플라즈몬 도파로를 포함한다.
상기 디바이스는 특히 MZI 센서의 기준 아암에 배치되는 Mach-Zehnder형의 추가의 광학적 간섭 측정 요소를 포함하고, 양 MZI 요소는 가변 광학 감쇠기(VOA)로서 양 간섭계를 최적으로 바이어스시키기 위한 열 광학적 가열기를 포함하고, 상기 디바이스는, 전체적인 칩, 상기 추가적인 MZI의 제1 접합부에서의 광학적 분할 및 상기 추가적인 MZI의 제2 접합부에서의 광학적 결합을 위한 상기 광학 분할기 및 광합 결합기를 배치하는 상기 추가적인 MZI를 갖는 가변 광학 감쇠기(VOA), 및 상기 MZI 각각의 기준 아암에서 광학 신호의 위상을 조정하는 일 세트의 열 광학적 위상 변이기를 더 포함한다. 열 광학적 위상 변이기는, 포토닉 도파로의 일부분 위에서 빛의 진행 방향을 따라 적어도 하나 또는 2개의 금속 스트립을 서로 평행하게 배치하여 형성된다.
그러므로 본 발명에 따른 장치는, 주목할 만한, 특히 상기 추가 Mach-Zehnder형의 광학 간섭계(둘 모두 간섭계의 바이어싱 유닛으로서 열 광학적 가열기를 포함함), 가변 광학 감쇠기(추가적인 MZI2가 MZI1 센서에 내포되어 있는 VOA), 및 일 세트의 열 광학적 위상 변이기로서 위에서 언급된 이들 여러 특징적 요소를 포함한다는 점에서, 가장 근접한 종래 기술과 다르다.
이들 특징은, 추가 간섭계 MZI2는 기준 아암에 있는 열 광학적 위상 변이기를 갖는 제1 센서에 내포되고 MZI2는 열 광학적 위상 변이기의 구동 신호로 제어되는 가변 광학 감쇠기(VOA)로서 작용한다는 기술적 효과를 포함한다. 이 VOA는 제1 간섭 측정 센서의 기준 아암에서 신호 세기를 제어한다. 제1 간섭 측정 센서의 기준 아암에 있는 추가의 열 광학적 변이기는 그 기준 아암에서 빔의 위상을 제어할 수 있다. 그러므로, 간섭계 MZI1의 기준 아암에서 장의 위상과 진폭을 제어하는 것이 가능하고, 그래서 MZI1는 원하는 작업 지점에서 전기 신호에 의해 균형 잡히고 바이어스될 수 있다. 그러므로, 가장 근접한 종래 기술인 XP01 1552586에 대해 해결되어야 할 문제는, 간섭 측정 센서의 균형과 바이어스를 제어하는 것이다. 본 발명에 따라 제안된 장치 덕분에 제공되는 해결책은, 간섭 측정 센서의 바이어스 점을 제어하기 위한 기준 아암에 있는 VOA 및 위상 변이기는 여기서 참조되는 JIANGHAI WO 등의 XP001572448 "조정 가능한 ODL" 및 도 1의 감소기 및 관련 텍스트에 그래도 개시되어 있다는 점에서 주목할 만하다. 그러나 후자의 문헌은 열 광학적 위상 변이기를 포함하는 조정 가능한 ODL 및 추가의 열 광학적 요소를 포함하는 Mach-Zehnder 간섭계로 만들어진 감쇠기를 개시하고 있지 않다. 따라서 이 문헌은 기술적 문제에 대한 해결책을 그래도 개시하지만, 위에서 언급된 본 발명의 주요 실시 형태의 부족한 특징적 요소는 없다. 사실, 참조되는 가장 근접한 종래 기술인 XP01 1552586의 평면형 기술과는 달리, XP001572448의 간섭계는 광섬유에 기반한다. 따라서, 이 추가 문헌의 조정 가능한 지연 및 감쇠기를 참조되는 상기 가장 근접한 종래 기술의 평평한 도파로 센서에 어떻게 구현할지에 대해서는 제시되어 있지 않다. 열 광학적 요소를 포함하는 평면형 도파로 기술에서 위상 변이기를 구현하는 것은, 열 광학적 요소를 포함하는 Mach-Zehnder 구성으로 있는 가변 광학 감쇠기와 함께, XP55414114에 의해 개시되어 있고, 이는 그의 인용된 통로이다. 결론적으로, 본 발명에 도달하기 위해서는, 상기 가장 근접한 종래 기술인 XP01 1552586에서, XP55414114의 평면형 도파로 기술로 얻어지는 이 추가 문헌의 광섬유 요소의 기능을 구현해야 한다.
본 발명의 일 양태는, 큰 자유 스펙트럼 범위(FSR)(수십 나노미터 내지 수백 나노미터)에서 또한 최적으로 바이어스된 MZ 간섭 측정 구성에서 SPP 도파로의 강한 빛-물질 상호 작용을 이용하여, 기존의 종래 기술 장치 보다 높은 광학적 감도, 예컨대, 플라즈믄 도파로 위에서 굴절률의 단위 변화 당 광학적 공명 변이를 제공할 수 있다. 감지와 간섭계의 기준 아암 사이의 광학적 경로 차가 작을 수록, FSR은 더 크게 되며, 결과적으로, 플라즈몬 도파로에서 시험 받는 피분석물의 굴절률에 대한 간섭계의 감도가 더 높게 된다. 본 발명에 따라 전체적인 구성 및 최적의 바이어싱 방법이 제안된다.
본 발명의 다른 양태는, 저렴한 제조와 동시에 높은 수준의 감도를 달성하기 위해, 나노미터 스케일의 SPP 도파로(박막 또는 하이브리드 슬롯), 질화규소 포토닉 도파로 및 금속 가열기로 되어 있는 열 광학적 위상 변이기를 내포형 MZ 간섭 측정 구성으로 단일체로 통합하기 위한 방법이다.
본 발명의 또 다른 양태는, CMOS 호환 재료(산화물, 금속, 유전체) 및 센서 칩을 낮은 비용으로 대량 생산할 수 있는 방법을 사용하여, 나노미터 스케일의 SPP 도파로(박막 또는 하이브리드 슬롯), 나노미터 스케일의 질화규소 포토닉 도파로 및 열 광학적 위상 변이기를 컴팩트한 MZI 구성으로 단일체로 통합하는 것이다.
본 발명은 또한 특히 단일 마스크 및 리프트-오프 공정에서 동일함 금속을 사용하여 플라즈몬 슬롯 도파로 및 열 광학적 위상 변이기 금속 접촉자를 동시에 배치하여 전체 제조 비용을 줄일 수 있는 장치에 관한 것이며, 특히 본 발명의 다른 양태는, 특히 하이브리드 슬롯 SPP 도파로가 배치되는 경우를 위해 포토닉 및 플라즈몬 도파로를 설계하는 것이다.
본 발명의 또 다른 양태는, 파장 분할 다중 송신(WDM) 기술 및 대량 생산 설비에서 저렴하게 제조될 수 있는 특별히 설계된 MZI 구성의 어레이에 배치되는 포토닉 및 플라즈몬 도파로의 도움으로 초민감 바이오센서 어레이 장치를 제공하는 것이다. 이 어레이는, 단일 바이오센서 장치와 동일한 감도 및 제조 비용으로, 시험 받는 피분석물 또는 가스로부터 복수의 물리적 양을 동시에 검출할 수 있을 것이다.
요컨대, 마이크로미터 스케일의 통합화만 가능하게 하고 그 이상은 안되는 앞에서 인용된 문헌 US2005/0018949A1와 대조적으로, 본 발명 덕분에, 나노미터 스케일의 통합화를 위한 포토닉 요소와 새로운 플라즈몬 요소를 포함하는 장치가 제공된다. 추가로, 상기 문헌에서 플라즈몬 도파로와 포토닉 도파로 사이의 연결 효율은 개시되어 있지 않지만, 그 연결 효율은 낮고 플라즈몬 도파로가 통합되는 MZI의 분지부에서 매우 높은 손실이 나타날 것으로 예상된다. 이는, MZI의 하측 분지부에 바이어싱 요소가 없는 것과 함께 하며, 따라서 그것은 상기 문헌에는 개시되어 있지 않으며, 하지만 본 발명 덕분에 제공된다. 결과적으로, 감지 측정 동안에 낮은 분해능이 나타나고 또한 그래서 센서의 감도 및 검출 한계가 제한될 것으로 예상된다. 위의 문제는 실제로 소형화된 감지 칩을 저렴하게 제조할 수 있기 위해 단일체 통합화와 나노미터 스케일의 기하학적 구조를 사용하여 달성된다. 그들 문제는, 본 발명 덕분에, 단일체 통합화를 사용하여 낮은 제조 비용으로 초민감 감지를 위한 MZI를 완벽하게 균형 잡기 위해 플라즈몬 감지 요소 및 추가적인 포토닉 MZI와 위상 변이기를 포함하는 MZI 센서를 개시하여 해결된다.
MZI1의 기준 아암에 추가적인 MZI 및 위상 변이기(금속 가열기)를 배치하여, 감지 측정 전에 출력부에서 완벽하게 균형 잡힌 간섭을 얻어 소멸비 및 검출 한계를 최대화한다. 본 발명의 바람직한 실시 형태에 따르면, 위의 사항은, 현재 및 미래의 필요를 해결하는 극히 높은 감도 및 감지 성능을 달성하는 방법으로서 큰 FSR MZI(FSR은 수십 나노미터 내지 수백 나노미터)와 조합된다.
추가로, 본 발명의 추가적인 실시 형테에 따르면, 단일 리프트-오프 단계 플라즈몬 도파로와 함께 단일 에치 포토닉 도파로(스트립)을 포함하여, 더 적은 에칭 및 리프트-오프 단계와 관련된 전제 제조 비용을 줄이는 특정한 구성 요소가 제공된다. 추가로, 저렴한 제조와 조합되는, 종래 기술의 감도 보다 높게 감도를 증가시킬 수 있는 통합형 MZI 플라즈모-포토닉 센서의 설계 방법이 제공된다.
본 발명에 다른 장치의 특정한 실시 형태에 따르면, 플라즈몬 도파로는 금(Au) 또는 은(Ag)과 같은 귀금속으로 만들어지고, 가능하다면, 구리(Cu), 알루미늄(Al), 질화티타늄(TiN) 또는 다른 CMOS 호환 금속과 같은 저렴한 금속으로 만들어진다.
본 발명에 다른 장치의 추가 실시 형테에 따르면, 플라즈몬 도파로는 다음과 같은 두 도파로 중의 어느 하나로 만들어진다:
- 그 부분에서만 정상 산화물 클래딩(cladding) 및 포토닉 도파로의 질화규소 코어를 에칭하여 형성되는 공동부의 도움으로 산화물 상층 위에 직접 배치되는 얇은 금속 스트립으로 이루어지는 "박막 도파로"(TFW), 또는
- 공동부 또는 추가적인 처리 단계에 대한 필요 없이 도파로의 미리 정해진 부분 위에 직접 배치되는 2개의 평행한 금속 와이어를 포함하는 "하이브리드 플라즈모-포토닉 슬롯 도파로"(HPPSW), 금속 스트립 아래에 있는 포토닉 도파로는 추가적인 마스크 또는 처리 단계 없이 리소그래피 동안에 차단되며, 플라즈몬 슬롯 및 위상 변이기는, 포토닉 도파로의 에칭 없이 또한 단일 금속층 증착 단계로 단일 단계에서 포토닉 도파로 위에 직접 배치되고, 특히, 단일 마스크에서 양 HPPSW와 열 광학적 위상 변이기(가열기)를 설계하기 위해, 금속 스트립의 분리 값(거리(Wslot)), 금속 스트립 길이 및 폭은 센서의 마스크 설계 동안에 규정되며, 특히, 방향성 연결이 포함되어, 포토닉 도파로로부터 빛을 플라즈몬 슬롯에 연결하고 또한 다시 포토닉 도파로에 연결하고, 플라즈몬 슬롯의 전방 및 후방 단부에 있는 플라즈몬 테이퍼가 또한 개선된 연결 효율을 위해 사용된다.
본 발명은 또한 위에서 제안된 디바이스의 어레이를 포함하는 장치에 관한 것으로, 이 장치는 동일한 칩에서 복수의 물질을 동시에 검출할 수 있고, 본 장치는 플라즈몬 도파로를 갖는 복수의 상측 분지부 및 가열기와 VOA를 갖는 하측 분지부의 동일한 복사물을 포함하고, 칩의 입력부와 출력부에는 상기 모든 MZI를 위한 공통적인 광학 분할기 및 공통적인 결합기가 배치되어 있고, 각 MZI 센서는, 광학 분할기를 통해 바이오센서에 동시에 주입되는 동일한 수의 파장 중에서 개별적인 파장을 사용하고, 각 MZI는, 들어오는 광학 신호로부터 작동 파장을 선택하기 위해 분지부의 입력부에서 또한 입력 분할기 뒤에서 광학 필터를 포함하며, 특히 상기 광학 필터 또는 AWG와 같은 유사한 기능을 갖는 다른 광학 필터는 링 공명기(ring resonator)로 이루어진다.
본 발명에 따른 디바이스의 더 특정한 실시 형테에 따르면, 그 디바이스는 Si 및 실리콘-온-인슐레이터(silicon-on-insulator; SOI), TiO2와 같은 다른 CMOS 호환 포토닉 재료로 만들어지고, 또는 Al,Cu, TiN 및/또는 이들 재료의 화합물과 같은 다른 CMOS 호환 금속 재료로 만들어진다.
본 발명에 따른 디바이스의 추가적인 실시 형테에 따르면, 그 디바이스는 상기 제1 센서(MZI1)의 수직 I/O 및 분할기 결합기로서 동시에 작용하도록 상기 제1 센서(MZI1)의 다른 광학적 I/O 및 분할기 결합기 대신에 배치되는 양방향 수직 광학 격자 연결기를 포함한다.
본 발명에 따른 디바이스의 특정한 실시 형테에 따르면, 통합형 광원, 특히 VCSEL, LED, 광대역 광원 또는 다른 광원 및 광학적 광검출기가 장치의 입력부와 출력부에 각각 배치되고, 특히, 광원과 광검출기는 플립-칩 또는 웨이퍼 결합 또는 다이 결합 또는 에피택시얼(epitaxial) 성장 방법을 사용하여 격자 연결기 위쪽에 또는 포토닉 도파로의 동일한 높이에 통합된다.
본 발명에 따른 디바이스의 다른 추가 실시 형테에 따르면, 통합형 광원 및 광학적 검출기의 어레이가 장치의 입력부와 출력부에 배치되고, 특히, 상기 광원과 광검출기는 플립-칩 또는 웨이퍼 결합 또는 다이 결합 또는 에피택시얼 성장 방법을 사용하여 격자 연결기 위쪽에 또는 포토닉 도파로의 동일한 높이에 통합된다.
본 발명에 따른 디바이스의 주목할 만한 실시 형테에 따르면, 그 디바이스는 TSV로도 알려져 있는 수직 전기 비아(via)를 포함하고, 수직 전기 비아는 열 광학적 위상 변이기에 연결되어 있고, 동일한 칩에 3D 통합되어 있는 전자 회로에 의해 상기 위상 변이기를 전기적으로 제어한다.
본 발명에 따른 디바이스의 더 주목할 만한 실시 형테에 따르면, 그 디바이스는 추가적인 유체 채널을 포함하고, 이 유체 채널은 미리 결정된 용액/피분석물을 플라즈몬 트랜스듀서 요소 상에서 흐르게 하기 위해 플라즈몬 도파로의 표면에 부착되어 있다.
본 발명에 따른 디바이스의 상당히 주목할 만한 실시 형테에 따르면, 특정한 생물학적 및/또는 화학적 물질 및/또는 분자를 검출하기 위한 추가적인 포획 층이 플라즈몬 트랜스듀서의 표면에 생성되어 있다.
본 발명은 또한, 더 구체적으로는, 센서의 감도를 전례 없는 수준으로 또한 낮은 제조 비용으로 증가시키기 위한 수단으로 CMOS 포토닉 요소와 플라즈몬 요소를 최적으로 바이어스된 MZI 간섭계에 단일체로 함께 통합하는 것에 관한 것이다.
본 발명은 또한 전술한 바와 같은 디바이스를 사용하는 방법에 관한 것으로, 동일한 치수를 갖는 추가적인 비기능화 플라즈몬 도파로가 상기 MZI 어레이에 있는 상기 센서 또는 각각의 등가물의 하측 분지부에 만들어지고, 특히, 목표 피분석물이 상기 센서의 정상 분지부 상의 기능화된 도파로와 유사하게 이 추가적인 도파로 위에서 흐르도록 안내되며, 원치 않는 결합 또는 잡음이 제거된다.
본 발명에 따른 디바이스를 사용하는 방법의 주 실시 형테에 따르면, 이 방법은,
- Mach-Zehnder형의 양 간섭계에 포함되어 있는 열 광학적 가열기에 의해 가변 광학 감쇠기로서 간섭계(MZI)를 최적으로 바이어스시키는 단계;
- 추가적인 제2 간섭계가 제1 센서에 내포된 상태에서 가변 광학 감쇠기(VOA)에 의한 상기 추가적인 제2 간섭계의 제1 접합부에서의 광학적 분할 및 상기 제2 간섭계의 제2 접합부에서의 광학적 결합을 위한 광학 분할기 및 광학 결합기를 배치하는 단계; 및
- 열 광학적 위상 변이기에 의해 상기 각 간섭계(MZI1, MZI2)-(VOA)의 기준 아암에서 광학 신호의 위상을 조정하고, 포토닉 도파로의 일부분 위에서 빛의 진행 방향을 따라 2개의 금속 스트립을 서로 평행하게 배치하여 열 광학적 위상 변이기를 형성하는 단계를 추가로 포함하고,
- 상기 제1 광학 간섭 측정 센서에 내표되고 기준 아암에서 열 광학적 위상 변이기를 갖는 추가적인 광학 간섭계는, 열 광학적 위상 변이기의 구동 신호로 제어되는 가변 광학 감쇠기(VOA)로서 작용하며,
이 VOA는 제1 간섭 측정 센서의 기준 아암에서의 신호의 세기를 제어하고, 제1 간섭 측정 센서의 기준 아암에 있는 상기 추가적인 열 광학적 변이기는 상기 기준 아암에서의 비임의 위상을 제어할 수 있어, 간섭계의 기준 아암에서 장(field)의 제어 및 진폭을 가능하게 하며, 그래서 상기 간섭계 센서는 원하는 작업 지점에서 전기 신호에 의해 균형 잡히고 바이어스될 수 있다.
본 발명에 따른 방법의 추가 실시 형태에 따르면, 동일한 치수를 갖는 추가적인 비기능화 플라즈몬 도파로가 상기 MZI 어레이에 있는 제1 센서 또는 각각의 등가물의 하측 분지부에 만들어지고, 특히, 목표 피분석물이 제1 센서의 정상 분지부 상의 기능화된 도파로와 유사하게 이 추가적인 도파로 위에서 흐르도록 안내되며, 원치 않는 결합 또는 잡음이 제거된다.
요컨대, 그래서, 본 발명 덕분에, 극히 높은 감도를 위한 통합형 플라즈모-포토닉 바이오센서 및 이를 위한 디바이스를 저렴하게 대량 생산하기 위한 방법이 제공된다.
본 발명의 추가 특징은 대응하는 종속 청구항에 규정되어 있다.
본 발명의 어떤 예시적인 실시 형태를 첨부 도면과 함께 더 상세히 설명한다. 본 발명의 실시 형태 및 이 실시 형태의 특징은 본 출원의 범위 내에서 서로 조합될 수 있음을 유의해야 한다.
도 1은 플라즈모-포토닉 MZI 기반 바이오센서 회로의 개략도를 나타낸다.
도 2, 3 및 4는 센서의 플라즈몬 부분 및 열 광학적 위상 변이기(가열기)를 위해 사용되는 하이브리드 플라즈모-포토닉 슬롯 도파로(HPPSW)의 사시도, 단면도 및 측면도이다.
도 5 및 6은 센서의 플라즈몬 부분을 위해 사용되는 포토닉 도파로와 박막 플라즈몬 도파로(TFPW) 사이의 박막 계면의 사시도 및 개략적인 측면도이다.
도 7은 FSR 1164 nm로 설계된 센서 MZI의 공명 피크의 스펙트럼 변이를 나타내고, 도 8 및 9는 바이오센서의 광학적 감도를 측정하기 위해 사용되는 식(1)의 첫번째 및 두번째 인자를 나타낸다.
도 10은 다중 송신 MZI 센서, 광학 필터 및 복수의 광학 신호(파장)의 병렬화를 위한 WDM을 사용하는 다중 채널 바이오센서 구성의 개략도를 나타내고, 각 광학 파장은 단일의 MZI 센서에 의해 사용된다.
먼저, 이하 회로 실시 형태를 더 상세히 설명한다. 본 발명의 디바이스는, CMOS 칩에 평면적으로 통합되는 나노미터 스케일의 Si3N4 포토닉 도파로 및 나노미터 스케일의 플라즈몬 도파로를 이용하는 특히 Mach-Zehnder형 MZI의 광학 간섭측정 바이오센서를 포함한다. 본 발명의 방법은, 시험 받는 피분석물 또는 가스가 간섭계에 부착되어 있을 때 그 간섭계의 플라즈몬 도파로 부분에서 일어나는 알려진 굴절률 변화를 이용하여 화학적 및/또는 물리적 양을 검출하는 것을 포함한다. 추가적인 MZI, 예컨대 제2 광학 간섭측정 Mach-Zehnder MZI2가 가변 광학 감쇠기(VOA)로서 광학 위상 변위기와 함께 사용되고, 센서를 최적으로 균형 잡고 측정 감도를 얻기 위해 독립적인 위상 변위기가 간섭계의 한 분지, 특히 하측 분지에 포함된다. 센서 설계는 저렴한 재료 및 제조 공정과 조합되어 대량 생산이 가능하게 된다.
도 1은 통합형 센서 회로를 나타내는데, 이 회로는, 부분적으로 도 3에서 301, 302, 303, 304로 또한 도 6에서 601, 602, 603, 606으로 나타나 있는 바와 같이, 저지수 산화물 기판(Si02)과 저지수 산화물 상층(LTO) 사이에 개재되는 고지수 질화규소 스트립을 사용하는 포토닉 도파로를 포함한다. 상기 회로는 센서의 양 단부(101, 110)에서 광학적 I/0로서 작용하는 광학적 연결 구조를 더 포함한다. 회로는 또한 제1 MZI (센서)의 제1 접합부(102)에서의 광학적 분할 및 상기 제1 MZI (센서)(112)의 제2 접합부에서의 광학적 결합(109)을 위한 광학 분할기 및 결합기를 포함한다. 이는 Y-접합 또는 다중 모드 간섭 연결기(MMI)일 수 있다.
상기 회로는 추가적인 실제의 제2 MZI를 사용하여 가변 광학 감쇠기 VOA(111)를 더 포함하고, 제2 MZI는 제2 MZI의 제1 접합부에서의 광학적 분할 및 제2 MZI의 제2 접합부에서의 광학적 결합을 위한 광학 분할기(105) 및 광학 결합기(108)를 배치하여 제1 MZI 안에 내포된다.
또한 상기 회로는 각 MZI, 즉 제1 센서(112) 및 제2 VOA(111)의 기준 아암에서 광학 신호의 위상을 조정하기 위해 열 광학적 위상 변이기(104, 106)를 더 포함한다. 열 광학적 위상 변위기는, 포토닉 도파로의 일부분 위에서 빛의 진행 방향을 따라 2개의 금속 스트립을 서로 평행하게 배치하여 형성된다.
플라즈몬 도파로가 또한 그에 더 포함되고, 이 도파로는, 커플링을 통과하는 빛의 진행을 금속-피분석물 계면에 있는 표면 플라즈몬 폴라리톤(SPP)에 국한시키는 제1 MZI의 상측 분지부(103)에 형성된다. 플라즈몬 도파로는 금(Au) 또는 은(Ag)과 같은 귀금속, 및 구리(Cu), 알루미늄(Al), 질화티타늄(TiN) 또는 다른 CMOS 호환 금속과 같은 저렴한 금속으로 만들어질 수 있다. 플라즈몬 도퍼로는 다음과 같은 2개의 도파로 중의 하나로 만들어질 수 있다: 첫째, 도 5에 나타나 있는 바와 같이, 그 부분에서만 정상 산화물 클래딩 및 포토닉 도파로의 질화규소 코어를 에칭하여 형성되는 공동부의 도움으로 산화물 상층 위에 직접 배치되는 얇은 금속 스트립을 포함하는 소위 박막 도파로(TFW); 또는 도파로는 또한 소위 "하이브리드 플라즈모-포토닉 슬롯 도파로"(HPPSW)로 이루어질 수 있고, 도 2에 나타나 있는 바와 같이, 이 도파로는 공동부 또는 추가적인 처리 단계에 대한 필요 없이 도파로의 미리 정해진 부분 위에 직접 배치되는 2개의 평행한 금속 와이어를 포함한다. 이 경우, 금속 스트립 아래에 있는 포토닉 도파로는 추가적인 마스크 또는 처리 단계를 필요로 함이 없이 리소그래피 동안에 차단된다. 도 4에 나타나 있는 바와 같이, 플라즈몬 슬롯 및 위상 변위기는 단일 단계에서 포토닉 도파로 위에 직접 배치될 수 있어, 훨씬 더 저렴한 버젼의 센서를 제공할 수 있고 따라서 포토닉 도파로의 에칭이 필요 없고 단일 금속 층 증착 단계가 얻어진다. 단일 마스크에서 HPPSW 및 열 광학적 위상 변이기(가열기) 둘 다를 설계하기 위해, 거리(Wsiot)로 표현되는 금속 스트립의 분리 값, 금속 스트립 길이 및 폭이 센서의 마스크 설계 동안에 규정될 수 있다. 방향 커플링을 이용하여, 포토닉 도파로에서 나온 빛을 플라즈몬 슬롯에 연결하고 또한 다시 포토닉 도파로에 연결한다. 도 2의 플라즈몬 슬롯의 전방 및 후방 단부에 있는 플라즈몬 테이퍼가 개선된 연결 효율을 위해 사용될 수 있다.
표 1
Figure pct00001
표 1은, 재료 분산이 생략되는 경우, 최적으로 바이어스되는 MZI에서 TFPW 및 HPPSW에 대해 측정된 FSR이 증가함에 따라 감도가 어떻게 증가하는 지를 보여준다.
포토닉 및 플라즈몬 도파로의 구성 요소는 뒤에서 설명한다. 여기서 배치되는 포토닉 도파로는 360x800 nm의 단면 치수를 가지고 화학양론적인 Si3N4 기술에 기반하며, 편광 TM 및 편광 TE에서 1550 nm의 광학적 파장에서 관심 대상의 두 피안내 포토닉 모드를 지원한다. 그러나, 광학적 모드가 플라즈몬 도파로로 전이되는 것을 지원할 수 있는 다른 치수의 포토닉 도파로가 또한 사용될 수 있다.
본 발명의 두 양태에서, 이러한 도파로 구조 및 상기 두 종류의 플라즈몬 도파로에 기반하여, 포토닉-플라즈몬 계면이 배치된다. 제1 양태는, TM 편광 빛을 필요로 하는, 도 5 및 6에 나타나 있는 바와 같은 박막 플라즈몬 도파로(TFW)에 대한 맞대기 연결의 경우에 기반하는 포토닉-플라즈몬 모드 전이에 관한 것이고, 제2 양태는, TE 편광 빛을 필요로 하는, 도 2, 3 및 4에 나타나 있는 바와 같은 하이브리드 플라즈몬 슬롯 도파로(HPPSW)에 대한 방향성 연결 구성에 기반하는 전이에 관한 것이다. 양 경우에, 포토닉 구조는 주의 깊게 선택된 치수를 갖는 Si3N4 직사각형 도파로이고, 그래서 필요한 연결 기구를 제공할 수 있고 동시에 제조 규제에 부합할 수 있다.
하이브리드 슬롯 도파로를 위해, 이용되는 도파로의 하이브리드 특성에 따라, 방향성 연결 기구가 이용된다. 이 하이브리드 도파로는 특히 그의 플라즈몬 부분과 그의 포토닉 부분 둘 모두에서 장(field) 분포를 갖는 모드를 지원할 수 있고, 이는 적절히 설계되면 준(quasi) 짝수 또는 홀수 대칭성을 보일 수 있다. 그리고 이들 두 모드 사이에서의 비팅(beating)의 결과로 파워 교환이 고려될 수 있다. 도 3은 이 도파로 구성의 단면을 나타내며, 이 도파로는 Si3N4 버스 도파로(포토닉 부분) 및 Si3N4 도파로 위쪽에 위치되는 금속계 슬롯(플라즈몬 부분)으로 이루어진다. 두 도파로, 즉 포토닉 도파로와 플라즈몬 도파로 사이에는, 하이브리드 슬롯 도파로에서 포토닉 도파로의 클래딩 및 스페이서로서 작용하는 저온 산화물(LTO)의 층이 있다.
하이브리드 도파로는 그의 플라즈몬 부분과 포토닉 부분 둘 모두에서의 장 분포를 갖는 모드를 지원할 수 있다. 2D 고유치 분석으로 모든 가능한 기하학적 파라미터 조합이 얻어졌고, 그래서 짝수 및 홀수 대칭성을 갖는 하이브리드 모드가 지원될 수 있다. 철저한 조사 후에, 적절한 기하학적 셋업이 선택되었으며(예컨대, wsiot = 200 nm, Si3N4 폭: WSiN = 700 nm 및 LTO 두께: hLTO = 총 660 nm), 그래서 관심 대상의 모드가 필요한 대칭성을 보일 뿐만 아니라 작은 연결 길이를 야기한다. 이와 관련하여, 플라즈몬 부분으로부터 파워를 포토닉 부분에 효율적으로 전달하기 위해 필요한 대략적인 연결 길이는 대략 7 ㎛인 것으로 추정되었다. 치수는 시뮬레이션 도구 및 파라미터에 따라 변할 수 있다.
3D FDTD 전자기파 시뮬레이션이 사용되어 결과를 확인하고 또한 기하학적 셋업을 미세 조정하고 동시에 비팅 길이 및 따라서 겹치는 연결 영역을 최소화하며 또한 포토닉 부분으로부터 플라즈몬 부분으로의 또한 그 반대 방향으로의 파워 전이를 최대화하기 위한 것이다. 이 3D 기하학적 모델에서, 관심 대상의 하이브리드 도파로는 TE 포토닉 모드에 의해 여기되고, Si3N4 버스 도파로는 7 ㎛(Lc)의 길이 후에 차단된다. 이 차단(도 4에서 평면(A)으로 표시되어 있음)은, 포토닉 부분으로의 어떤 작은 파워 누출이라도 방지하기 때문에 연결 효율 면에서 유리한 것으로 입증되었다. FDTD 시뮬레이션에 따르면, 그러한 하이브리드 구성은, 금속으로 금을 사용할 때 전이 당 68%에 이를 수 있는 효율로, 빛을 포토닉 부분으로부터 플라즈몬 부분으로 또는 그 반대 방향으로 효율적으로 전달할 수 있다. 광학적 도파로의 포토닉 모드를 플라즈몬 도파로의 모드에 매칭시키기 위해 포토닉 테이퍼가 배치된다.
하이브리드 슬롯 도파로 요소에 대해 CMOS 금속을 이용하여 동일한 설계 절차를 따를 수 있다. 이러한 목적으로 수정된 유일한 부분이 금속 슬롯이므로, 앞에서 주어진 2단계 분석이 반복되며, 도 2에 나타나 있는 것과 유사한 하이브리드 구조가 2D 고유 모드(eigenmode) 분석을 통해 분석되었다. 2개의 짝수 및 홀수 대칭 모드가 검출되었고 또한 필요한 연결 길이가 계산되었다. 그리고, 포토닉 부분으로부터 플라즈몬 부분으로의 또한 그 반대 방향으로의 연결 효율을 추정하기 위해 전체 도파로 구조가 3D FDTD 모델을 통해 시뮬레이션되었다. 예상한 대로, 이 하이브리드 구조의 포토닉 부분을 관심 대상의 TE 편광 Si3N4 모드로 여기시키고 또한 LC = 6 ㎛의 길이 후에 Si3N4 버스 도파로를 차단하여, Al를 사용하는 경우 적어도 60% 그리고 Cu를 사용하는 경우에는 74%의 파워 효율로 빛이 포토닉 부분으로부터 플라즈몬 부분으로 효율적으로 전달될 수 있다.
감지 플라즈몬 도파로로서 HPPSW를 사용하는 본 발명의 양태에서, 단일 금속 층에서의 제조 공정의 마지막 단계로서 플라즈몬 도파로 및 센서 칩의 가열기가 칩의 재료 적층체의 동일한 높이에 동시에 배치될 수 있어, 제조가 간단해지고 또한 센서의 제조 비용이 감소된다. 산화물 분리 층은 HPPSW와 가열기 구조 모두에 대해 동일하게 유지됨을 유의해야 한다.
도 5 및 6에 나타나 있는 박막 도파로에 대한 이 포토닉-플라즈몬 계면 구성에서, 포토닉 도파로와 플라즈몬 도파로 사이의 연결 기구는 관심 대상의 두 모드의 공간적 매칭에 근거한다. 이러한 목적으로, 포토닉 Si3N4도파로 및 플라즈몬 Au계 박막 구조를 포함하는 맞대기 연결 구성이 채택되었다. 두 도파로 구조는 한 도파로 구조의 입력부 높이가 다른 도파로 구조의 출력부와 일치하도록 배치된다. 설계 공정은, 빛이 포토닉 부분으로부터 플라즈몬 부분으로 또한 그 반대 방향으로 효율적으로 전달될 수 있도록 각 도파로의 정확한 기하학적 파라미터를 검출하기 위한 것이다. 이러한 방향으로, 먼저, 두 도파로가 2D 고유치 분석 면에서 개별적으로 분석되었다. 관심 대상의 두 고유치를 편광(이를 위해 TM 편광이 필요함) 및 장 분포 면에서 서로 매칭시켜 선택한 후에, 파워 오버랩 적분의 계산에 근거하는 파라미터 분석을 이용하여, 이러한 구성의 파워 연결 능력에 대한 제1 지시 추정을 얻었다. 이 추정은 제2 단계에서 3D FDTD 시뮬레이션을 통해 확인되었다.
박막 플라즈몬 도파로는 생체 감지용 환경을 최적으로 모방하기 위해 SiO2 층 위에 배치되는 얇은 금속 막 및 정상 클래딩 재료로서 물을 포함한다. 이 플라즈몬 구성 요소의 2D 고유치 분석으로 조사가 시작되었다. 이 구성은 대개 금속 클래딩 계면에 집중되는 플라즈몬 모드를 지원할 수 있고, 이 모드는 금속 스트립 및 클래딩 재료의 기하학적 구조에 크게 의존하는 모달 특성을 갖는다. 도 5 및 6은 이 도파로의 기하학적 구조를 사시도와 측면도로 나타낸다.
포토닉-플라즈몬 계면에 대해, Si3N4 포토닉 도파로를 개별적으로 분석하여, 관심 대상의 포토닉 TM 모드의 특성, 특히, 편광 및 장 프로파일을 조사하였다. 그런 다음, 양 고유치 분석(Si3N4 및 박막 도파로)이 고려되었고, 모달 매치를 공간적으로 또한 편광 면에서 만족시키기 위해 양 구성 요소를 위한 기하학적 셋업이 주의 깊게 선택되었다. 추가로, 이들 두 도파로 구조는 도 5 및 6에 나타나 있는 것과 같이 맞대기 연결 셋업으로 조합되었다. 포토닉 요소로부터 플라즈몬 요소로의 단일 전이의 3D 모델이 3D FDTD 시뮬레이션을 통해 분석되었다. 두 도파로 치수를 적절히 조절하여, 포토닉 모드에서 플라즈몬 모드로의 파워 전달 및 그 반대 방향으로의 파워 전달을 최대화할 수 있는 것으로 나타났다. 보다 구체적으로, 파워 오버랩 적분 계산 면에서의 철저한 조사 후에, 관심 대상의 두 도파로의 단면 치수는 Si3N4 및 금속 필름에 대해 360 nm x 7.5㎛ 및 100 nm x 7㎛로 설정되었다. 그런 다음, 수직 오프셋(hoffset) 및 측면 오프셋(Loffset)을 갖는 계면 셋업에서의 정확한 위치를 조사하여 연결 효율을 최대화했다. 수치 시뮬레이션에 의하면, 400 nm 정도의 수직 오프셋에 대해, 박막 금속으로서 금을 사용하는 경우 약 64%의 최대 연결 효율이 얻어질 수 있는 것으로 나타났다.
바이오센서 칩의 대량 생산을 용이하게 하기 위해 CMOS 금속이 금 대신에 사용될 수 있다. 결과에 의하면 광 부분으로부터 플라즈몬 부분으로의 빛 전달 비(연결 효율)은 Al 및 Cu를 사용하는 경우 각각 60% 및 68%에 이를 수 있는 것으로 나타났다. TiN 또는 다른 CMOS 호환 금속 화합물이 또한 대신 사용될 수 있다.
하이브리드 도파로와 유사하게 또한 이 포토닉-플라즈몬 계면을 완성하기 위해, 800 nm 내지 7.5㎛의 Si3N4 폭을 조절하기 위해 종래 기술을 사용하는 포토닉 테이퍼가 또한 설계되어 사용되었다.
포토닉 도파로의 정상 클래딩을 위한 산화물 재료의 다른 예는 본 발명의 모든 양태에 대해 LTO, SiO2, SU8 또는 유사한 광학적 특성을 갖는 다른 산화물이다.
위의 모든 구성 요소를 갖는 완전한 센서는 대형 CMOS 웨이퍼 및 전자 장치 IC 패브(fab)를 사용하여 단일 칩에 단일체로 통합될 수 있어, 교란적인 감도 성능을 주면서 각 센서 칩의 비용을 줄일 수 있다. 대안적으로, 플라즈몬 도파로를 위해 금 또는 은이 사용되는 본 발명의 양태에서, CMOS 설비의 외부에서 또는 금 또는 은을 위한 증착 공정을 제공할 수 있는 CMOS 설비의 특별하게 만들어진 부분 내에서 추가적인 금속 증착 공정이 요구된다.
센서 설계 방법에 대해, 본 발명에서, 플라즈몬 도파로의 유효 지수는, 알려져 있는 표면 기능화 방법의 도움으로 플라즈몬 도파로에 결합되는 피시험 액체 또는 가스 내의 목표 물질의 농도에 달려 있다. 플라즈몬 도파로의 유효 지수의 변화로 인해, MZI 센서의 스펙트럼 공명의 변이가 일어난다. 액체의 굴절률 변화에 대한 공명 변이는 바이오센서의 감도를 결정한다. 센서의 벌크 감도는 다음 식을 사용하여 계산된다.
Figure pct00002
여기서, λ는 광학 신호의 파장이고, nliq는 가해지는 액체의 귤절률이고 rieff는 플라즈몬 도파로의 모드 유효 지수이고, 이에 대해서는 Xu Sun 등의 "High Sensitivity liquid refractive index sensor based on a Mach-Zehnder interferometer with a double-slot hybrid plasmonic waveguide", OSA Optics Express, Vol.3, No 20, 2015을 참조하면 된다.
플라즈몬 도파로는 두번째 항을 최대화하는데, 왜냐하면, 광학 모드의 전기장의 대부분이 플라즈몬 도파로의 물-금속 계면에서 이동하고, 포토닉 감지 도파로에서는 광학 모드의 소멸하는 전기장과 시험 받는 피분석물 사이의 공간적 겹침이 훨씬 더 작기 때문이다.
식(1)의 첫번째 항은, 여기서 이미 설명한 실시 형태(전술한 모든 구성 요소를 가짐)를 사용하여 간섭계를 최적으로 바이어스시켜 최대화된다. 구체적으로, MZ 분지부들 사이의 광학적 경로가 특정한 FSR을 위해 설계되면, 개시된 센서의 바이어싱의 최적화는 도 1에 나타나 있는 바와 같이 MZI2(111)에서 가열기 1 및 가열기 2(106)를 사용하여 달성된다.
도 1의 가열기 1은 하측 분지부의 광학적 경로를 최적화하기 위해 포함되고, 그래서 상측 및 하측 분지부의 빛 사이의 상대적인 위상 변화는 특정한 작동 파장에 대해 2π 라디안의 복수 배이다. 이와 더불어, 가열기 1은 제조 공정 동안에 생긴 제조 에러 후에 광학적 경로 차를 재조정하기 위해 사용된다. 이는 가열기 1의 경우에 전력, 즉 DC 전압을 양 금속 스트립에 가하여 달성된다. 당업자라면 아는 바와 같이, MZI 상측 및 하측 분지부 사이의 광학적 경로차를 모니터링하기 위해 광학적 전력계가 필요하다.
도 1의 가열기 1은 하측 분지부에서의 광학적 파워를 최적화하기 위해 MZI 2에 포함되며, 그래서 하측 분지부의 광학적 손실은 상측 분지부의 광학적 손실과 같게 된다. MZI 2는 MZI의 두 분지부에서 광학적 파워를 균형 잡기 위해 사용되는 가변 광학 감쇠기(VOA)로서 작용한다. 이는 전력(DC 전압)을 가열기 2의 양 금속 스트립에 가하여 얻어진다. 양 분지부에서의 동일한 손실의 결과로, 당업자가 아는 바와 같이, 간섭계의 최대 소멸 비가 얻어져 감지 측정의 감도(분해능)가 효과적으로 증가 된다.
가열기 1 및 가열기 2에서 간섭계를 균형 잡기 위해 주 DC 전압이 확인되면, 그 간섭계의 바이어싱을 충분히 최적화하기 위해 이들 전압은 2개의 DC 전압 사이에서 반복적인 방법으로 미세 조정되어야 한다. 일단 이것이 이루어지면, 파장 공명이 MZH 출력부(110)에서 얻어진다(701). 그런 다음, 시험 받는 피분석물이 종래 기술의 방법, 예컨대 유체 챔버를 통해 또는 수동적으로 플라즈몬 도파로(107)에 부착되고, 간섭계 공명은 센서의 출력부에서 측정되고 또한 광학적 스펙트럼에서의 공명 변이가 도 7에 나타나 있는 바와 같이 측정된다. 공명 변이(702 ∼ 705)는 시험 받는 피분석물의 굴절률의 변화에 달려 있다. 그러한 측정을 위해, 식(1)의 첫번째 및 두번째 항이 도 8 및 9에 점철되어 센서 장치의 전체적인 감도 값으로 마무리된다.
이 방법으로, 그리고 1164 nm FSR 센서 회로에 대해 식(1)을 사용하여, TFW의 사용으로 162,000 nm/RIU의 감도가 얻어지고 또한 수치 모델링 도구를 사용해서 HPPSW의 사용으로 11,792 nm/RIU의 감도가 얻어진다. 그에 따라 광학적 경로차를 설계하고 또한 개시된 센서의 동일한 최적화 방법을 따라 더 작거나 또는 심지어 더 큰 FSR, 즉 더 작거나 더 큰 감도가 얻어질 수 있다.
추가로, 센서 측정 방법이 또한 제공된다. 3개의 다른 질의 방법을 사용하여 개시된 디바이스에서의 굴절률 변화를 측정할 수 있다: 제1 방법은, 조정 가능한 레이저 및 전력계를 사용하여 제1 MZI 공명의 스펙트럼 변이를 측정하는 것으로 이루어지고, 조정 가능한 레이저원이 센서의 입력부에서 광원으로서 필요하고 또한 전력계가 그 센서의 출력부에 필요하다. 당업자는 아는 바와 같이, 피분석물을 플라즈몬 도파로에 가하기 전과 후의 센서의 스펙트럼 응답의 변화는 공명의 스펙트럼 변이를 나타낼 것이며, 추가 방법은 광대역 광원과 광학적 스펙트럼 분석기를 사용하여 제1 MZI 공명의 스펙트럼 변이를 측정하는 것으로 이루어진다. 백색 광원, LED 또는 LED 어레이 또는 다른 종류의 광대역 광원과 같은 광대역 광원이 센서의 입력부에서 광원으로서 필요하고 스펙트럼 분석기가 센서의 출력부에서 필요하다. 당업자는 아는 바와 같이, 피분석물을 플라즈몬 도파로에 가하기 전과 후의 센서의 스펙트럼 응답의 변화가 공명의 스펙트럼 변이를 나타낼 것이며, 또 다른 방법은 단일 파장원을 사용하여 플라즈몬 도파로에서 위상 변이를 측정하는 것으로 이루어지며, 위와 동일한 FSR에 대해, 센서 입력부에서 단일 파장의 빛을 주입하고 전력계의 도움으로 제1 MZI의 출력부에서 광학적 파워를 측정하여, 굴절률 변화를 위상 변이에 직접 연관시킬 수 있다. 당업자는 아는 바와 같이, 시간에 따른 사인파형 전력 변동이 위상 변이(단위: 라디안)를 제공한다.
본 발명의 다른 양태는, 동일한 칩을 사용하여 복수의 물질을 동시에 검출하는(다중 채널 감지라고도 함) 다중 송신 MZI 구성 및 파장 선택적 광학 필터로 이루어진다. 전술한 실시 형태는 3개의 물질을 동시에 검출하기 위해 도 10에 나타나 있는 바와 같이 조합된다.
전술한 실시 행태를 사용하는 도 10에 나타나 있는 바와 같은 3개의 내포형(nested) MZI 센서는, 앞 실시 형태에서 설명한 바와 같이, 플라즈몬 도파로(1007)를 갖는 3개의 상측 분지부 및 가열기(1005)와 VOA(1008)를 갖는 하측 분지부의 세 복사물을 포함한다. 칩의 입력부와 출력부에 있는 공통적인 광학 분할기 및 공통적인 결합기가 모든 3개의 MZI에 대해 사용된다. 각 MZI 센서는 광학 분할기(1003)를 통해 바이오센서에 동시에 주입되는 3개의 파장 중에서 개별적인 파장을 사용한다. 각 MZI는 또한 들어오는 광학 신호로부터 작동 파장을 선택하기 위해 분지부의 입력부에서 또한 입력 분할기 뒤에서 광학 필터(1006)를 포함한다. 종래 기술에 공통적인 링 공명기가 광학 필터 또는 유사한 기능을 갖는 다른 광학 필터로서 사용될 수 있다.
이 실시 형태의 다른 양태는, 입력 공통 연결기 및 광학 필터 대신에, 배열형 도파로 격자(AWG), 브라그(Bragg) 격자 기반 다중 송신기 또는 유사한 기능을 갖는 다른 WDM 다중 송신기와 같은 WDM 다중 송신기를 배치하는 것이다.
사용자의 요구 사항 및 칩 풋프린트에 따라 더 많은 감지 채널이 단일 칩에 통합될 수 있다.

Claims (20)

  1. 디바이스로서, 적어도 하나의 광학적 간섭 측정 센서, 특히, 수십 나노미터 내지 수백 나노미터의 큰 FSR을 갖는 제1 Mach-Zehnder(211) 간섭 측정 센서(MZI1)를 포함하고, 플라즈몬 도파로(plasmonic waveguide)(107), 특히 박막 또는 하이브리드 슬롯이 Si3N4 포토닉(photonic) 도파로에 평평하게 통합되는 트랜스듀서 요소로서 포함되며, 상기 디바이스는,
    SiO2와 같은 저지수(low index) 산화물 기판과 LTO와 같은 저지수 산화물 상층(superstate) 사이에 개재되는 고지수 질화규소 스트립(303, 603)을 갖는 일 세트의 포토닉 도파로(103);
    상기 센서의 양 단부에 있고 광학적 I/O로서 작용하는 광학적 연결 구조(102, 109);
    상기 MZI 센서(MZI1)의 제1 접합부(102)에서의 광학적 분할 및 상기 MZI 센서(MZI1)의 제2 접합부(109), 특히 Y-접합부, 방향성 연결기 또는 다중 모드 간섭 연결기(MMI)에서의 광학적 결합을 위한 광학 분할기(102) 및 광학 결합기(109); 및
    상기 MZI 센서(MZI1)의 상측 분지부(103)에 형성되고, 커플링을 통과하는 빛의 진행을 금속-피분석물 계면에 있는 표면 플라즈몬 폴라리톤(polariton)(SPP)에 국한시키는 플라즈몬 도파로(107)를 포함하고,
    상기 디바이스는 추가적인 광학적 간섭 측정 요소, 특히 상기 제1 MZI 간섭 측정 센서(MZI1)의 기준 아암에 배치되는 Mach-Zehnder형의 제2 간섭계(MZI2)를 포함하고, 상기 양 MZI Mach-Zehnder 간섭계(MZI1, MZI2)는 가변 광학 감쇠기로서 상기 간섭계(MZI1, MZI2)를 최적으로 바이어스시키기 위한 열 광학적 가열기(104, 106)를 포함하고,
    상기 디바이스는,
    전체적인 칩(112);
    상기 추가적인 MZI Mach-Zehnder 간섭계(MZI2)의 제1 접합부에서의 광학적 분할 및 상기 추가적인 MZI Mach-Zehnder 간섭계(MZI2)의 제2 접합부에서의 광학적 결합을 위한 상기 광학 분할기 및 광합 결합기를 배치하는 상기 추가적인 Mach-Zehnder 간섭계(MZI2)를 갖는 가변 광학 감쇠기(VOA); 및
    상기 MZI Mach-Zehnder 간섭계(MZI1, MZI2-VOA) 각각의 기준 아암(104, 106)에서 광학 신호의 위상을 조정하는 일 세트의 열 광학적 위상 변이기(104, 106)를 더 포함하고,
    상기 열 광학적 위상 변이기는, 포토닉 도파로의 일부분 위에서 빛의 진행 방향을 따라 2개의 금속 스트립을 서로 평행하게 배치하여 형성되는, 디바이스.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 하나의 광학적 간섭 측정 센서는, 수십 나노미터 내지 수백 나노미터의 큰 FSR을 갖는 제1 Mach-Zehnder(211) 간섭 측정 센서(MZI1)로 이루어지고, 또한 상기 추가적인 광학적 간섭 측정 요소는 상기 제1 간섭계 센서(MZI1)의 기준 아암에 배치되는 Mach-Zehnder형의 제2 간섭계(MZI2)로 이루어지는, 디바이스.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 플라즈몬 도파로는 특히 금(Au) 또는 은(Ag)과 같은 귀금속으로 만들어지는, 디바이스.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 플라즈몬 도파로는 특히 구리(Cu), 알루미늄(Al)과 같은 저렴한 금속 또는 질화티타늄(TiN) 또는 다른 CMOS 호환 금속과 같은 화합물로 만들어지는, 디바이스.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 플라즈몬 도파로(107)는 박막 또는 하이브리드 슬롯을 포함하는, 디바이스.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 플라즈몬 도파로는 소위 박막 도파로(TFW)로 이루어지는 다음 도파로로 만들어지고, 상기 박막 도파로는, 그 부분에서만 정상 산화물 클래딩(cladding) 및 포토닉 도파로의 질화규소 코어를 에칭하여 형성되는 공동부의 도움으로 산화물 상층 위에 직접 배치되는 얇은 금속 스트립을 포함하는, 디바이스.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 플라즈몬 도파로는 소위 하이브리드 플라즈모-포토닉 슬롯 도파로(HPPSW)로 만들어지고, 상기 하이브드리드 플라즈모-포토닉 슬롯 도파로는, 공동부 또는 추가적인 처리 단계에 대한 필요 없이 도파로(405)의 미리 정해진 부분 위에 직접 배치되는 2개의 평행한 금속 와이어(202, 305)를 포함하고, 금속 스트립(303, 403) 아래에 있는 포토닉 도파로는 추가적인 마스크 또는 처리 단계 없이 리소그래피 동안에 차단되며, 상기 플라즈몬 슬롯(202, 107) 및 위상 변이기(104)는, 포토닉 도파로의 에칭 없이 또한 단일 금속층 증착 단계로 단일 단계에서 포토닉 도파로(103, 303, 403) 위에 직접 배치되고, 특히, 단일 마스크에서 양 HPPSW와 열 광학적 위상 변이기, 가열기(104)를 설계하기 위해, 거리(Wslot)를 두고 있는 금속 스트립(305)의 분리 값, 금속 스트립 길이 및 폭은 센서의 마스크 설계 동안에 규정되며, 특히, 방향성 커플링이 포함되어, 포토닉 도파로(101, 303, 403)로부터 빛을 플라즈몬 슬롯(202, 305, 405)에 연결하고 또한 다시 포토닉 도파로(103, 303, 403)에 연결하고, 플라즈몬 슬롯(202, 305, 405)의 전방 및 후방 단부에 있는 플라즈몬 테이퍼가 또한 개선된 연결 효율을 위해 사용되는, 디바이스.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 플라즈몬 도파로의 상기 고지수 질화규소 스트립(303, 603)은 저지수 산화물 기판인 SiO2 기판과 저지수 산화물 상층인 LTO 사이에 개재되는, 디바이스.
  9. 제1항 또는 제8항에 있어서,
    상기 고지수 질화규소 스트립(303, 603)은 유사한 굴절률 및 제조 공정을 각각 갖는 다른 산화물로 만들어진 각각의 기판들 사이에 개재되는, 디바이스.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 디바이스는 Si 및 실리콘-온-인슐레이터(silicon-on-insulator; SOI), TiO2와 같은 다른 CMOS 호환 포토닉 재료로 만들어지는, 디바이스.
  11. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 디바이스는 Al,Cu, TiN 또는 이들 재료의 화합물과 같은 다른 CMOS 호환 금속 재료로 만들어지는, 디바이스.
  12. 전항, 특히 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 디바이스는 상기 제1 MZI 센서(MZI1)의 수직 I/O 및 분할기 결합기로서 동시에 작용하도록 상기 제1 MZI 센서(MZI1)의 다른 광학적 I/O 및 분할기 결합기 대신에 배치되는 양방향 수직 광학 격자 연결기를 포함하는, 디바이스.
  13. 장치로서, 동일한 칩에서 복수의 물질을 동시에 검출하기 위해 전항, 특히 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 디바이스의 어레이를 포함하고, 상기 장치는 플라즈몬 도파로를 갖는 복수의 상측 분지부, 및 가열기와 VOA를 갖는 하측 분지부의 동일한 복제물을 포함하고, 칩의 입력부와 출력부에는 상기 모든 MZI Mach-Zehnder 간섭계를 위한 공통적인 광학 분할기 및 공통적인 결합기가 배치되어 있고, 각 MZI Mach-Zehnder 간섭계는, 광학 분할기를 통해 바이오센서에 동시에 주입되는 동일한 수의 파장 중에서 개별적인 파장을 사용하고, 각 MZI Mach-Zehnder 간섭계는, 들어오는 광학 신호로부터 작동 파장을 선택하기 위해 분지부의 입력부에서 또한 입력 분할기 뒤에서 광학 필터를 포함하며, 특히 상기 광학 필터 또는 AWG와 같은 유사한 기능을 갖는 다른 광학 필터는 링 공명기(ring resonator)인, 장치.
  14. 전항들 중 어느 한 항, 특히 제13항에 있어서,
    통합형 광원, 특히 VCSEL, LED, 광대역 광원 또는 다른 광원 및 광학적 광검출기가 디바이스의 입력부와 출력부에 각각 배치되고, 특히, 광원과 광검출기는 플립-칩 또는 웨이퍼 결합 또는 다이 결합 또는 에피택시얼(epitaxial) 성장 방법을 사용하여 격자 연결기 위쪽에 또는 포토닉 도파로의 동일한 높이에 통합되는, 장치.
  15. 전항들 중 어느 한 항, 특히 제13항 또는 제14항에 있어서,
    통합형 광원 및 광학적 검출기의 어레이가 상기 디바이스의 입력부와 출력부에 배치되고, 특히, 상기 광원과 광검출기는 플립-칩 또는 웨이퍼 결합 또는 다이 결합 또는 에피택시얼(epitaxial) 성장 방법을 사용하여 격자 연결기 위쪽에 또는 포토닉 도파로의 동일한 높이에 통합되는, 장치.
  16. 전항, 특히 제13항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 장치는 TSV로도 알려져 있는 수직 전기 비아(via)를 포함하고, 상기 수직 전기 비아는 열 광학적 위상 변이기에 연결되어 있고, 동일한 칩에 3D 통합되어 있는 전자 회로에 의해 상기 위상 변이기를 전기적으로 제어하는, 장치.
  17. 전항, 특히 제13항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 장치는 추가적인 유체 채널을 포함하고, 상기 유체 채널은 미리 결정된 용액/피분석물을 플라즈몬 트랜스듀서 요소 상에서 흐르게 하기 위해 상기 플라즈몬 도파로의 표면에 부착되어 있는, 정치.
  18. 전항, 특히 제7항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    특정한 생물학적 및/또는 화학적 물질 및/또는 분자를 검출하기 위한 추가적인 포획 층이 플라즈몬 트랜스듀서의 표면에 생성되어 있는, 장치.
  19. 전항, 특히 제1항 내지 제12항 또는 제13항 내지 제18항 중 어느 한 항에 따른 디바이스를 사용하는 방법으로서, 동일한 치수를 갖는 추가적인 비기능화 플라즈몬 도파로가 상기 MZI 어레이에 있는 상기 센서(MZI1) 또는 각각의 등가물의 하측 분지부에 만들어지고, 특히, 목표 피분석물이 상기 센서(MZI1)의 정상 분지부 상의 기능화된 도파로와 유사하게 이 추가적인 도파로 위에서 흐르도록 안내되며, 원치 않는 결합 또는 잡음이 제거되는, 디바이스를 사용하는 방법.
  20. 제1항 내지 제12항 또는 제13항 내지 제18항 중 어느 한 항에 따른 디바이스를 사용하는 방법으로서,
    Mach-Zehnder형의 양 간섭계에 포함되어 있는 열 광학적 가열기에 의해 가변 광학 감쇠기로서 상기 간섭계(MZI)를 최적으로 바이어스시키는 단계;
    추가적인 제2 MZI(MZI2)가 제1 센서(MZI1)에 내포된 상태에서 가변 광학 감쇠기(VOA)에 의한 상기 추가적인 제2 MZI2의 제1 접합부에서의 광학적 분할 및 상기 제2 MZI(MZI2)의 제2 접합부에서의 광학적 결합을 위한 광학 분할기 및 광학 결합기를 배치하는 단계; 및
    상기 열 광학적 위상 변이기에 의해 상기 각 MZI(MZI1, MZI2)-(VOA)의 기준 아암에서 광학 신호의 위상을 조정하고, 포토닉 도파로의 일부분 위에서 빛의 진행 방향을 따라 2개의 금속 스트립을 서로 평행하게 배치하여 열 광학적 위상 변이기를 형성하는 단계를 추가로 포함하고,
    상기 제1 광학 간섭 측정 센서에 내포되고 기준 아암에서 열 광학적 위상 변이기를 갖는 상기 추가적인 광학 간섭계(MZI2)는, 열 광학적 위상 변이기의 구동 신호로 제어되는 가변 광학 감쇠기(VOA)로서 작용하며,
    이 VOA는 제1 간섭 측정 센서의 기준 아암에서 신호의 세기를 제어하고, 제1 간섭 측정 센서의 기준 아암에 있는 상기 추가적인 열 광학적 변이기는 상기 기준 아암에서의 비임의 위상을 제어할 수 있어, 간섭계(MZI1)의 기준 아암에서 장(field)의 제어 및 진폭을 가능하게 하며, 그래서 상기 간섭계(MZI1)센서는 원하는 작업 지점에서 전기 신호에 의해 균형 잡히고 바이어스될 수 있는, 디바이스를 사용하는 방법.
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