KR20190135485A - 임플란트 가능한 광학 센서 - Google Patents

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KR20190135485A
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후안 세바스찬 오르도녜스 오레야나
다나에 델베케
쿤라드 반 슐렌베르크
파올로 카딜
아난스 수브라마니안
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인디고 다이어비티스 엔.브이.
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Abstract

기판(2)과, 기판(2)과 통합되는 소산장(evanescent field) 감지를 위한 적어도 하나의 광학 미세 구조(3)를 포함하는 임플란트 가능한 광학 센서(1)로서, 적어도 하나의 광학 미세 구조(3)는 기판(2)의 표면(5)의 일부 상의 광학적 상호 작용 영역(4)을 형성하도록 위치 설정되고, 광학 어셈블리(1)는 적어도 광학적 상호 작용 영역(4)을 덮는 얇은 보호층(6)을 더 포함하고, 얇은 보호층(6)은, 소산장 감지에 영향을 미치지 않도록, 부식 보호 특성을 갖는 미리 정해진 재료로 이루어지고 미리 정해진 두께를 갖는다.

Description

임플란트 가능한 광학 센서
본 발명은 기판 및 기판과 통합된 적어도 하나의 광학 미세 구조를 포함하는 광학 센서에 관한 것이다. 광학 미세 구조는 기판의 표면의 일부 상에 광학적 상호 작용 영역을 형성하도록 위치 설정된다. 다른 양태에서, 본 발명은 광학 어셈블리를 제조하는 방법에 관한 것이다.
국제 특허 공보 WO2011/029886은 글루코오스와 같은 물질을 감지하는 센서를 개시한다. 센서는 생명체의 몸체 내에 임플란트 가능하다. 센서는 광자 집적 회로(photonic integrated circuit), 예를 들어, 샘플과 상호 작용하는 방사선을 스펙트럼 처리하기 위한 실리콘 광자 기반 방사선 프로세서를 포함한다.
US 2006/0251357 A1은 도파관 구조와, 추가 광학 부품에 대한 도파관 구조의 광학 커플링을 위한 커플링 요소를 포함하는 광학 부품을 개시한다. 도파관 구조와 커플링 요소는 공통 기판 상에 부착된다. 커플링 요소는 도파관 구조와 광학 부품 사이에서 전파하는 광의 파면(wave front)의 전파 방향과 형상의 동시 변화를 위한 반사 곡면을 포함한다. 실시예는 커버층으로 설명되며, 이는 광 안내 코어층 및 커플링 요소를 오염, 습도 또는 손상과 같은 외부 영향으로부터 보호하고 주변으로부터 이를 광학적으로 격리시키는 역할을 한다. 경화된 상태에서의 커버층의 전형적인 두께는 10 ㎛ 내지 500 ㎛이다.
US 2007/0081758 A1은, 적어도 광 빔이 내부에 충돌할 수 있게 하는 제1 광학 요소 및 광 빔을 내부로부터 방출하는 제2 광학 요소를 갖는 광 빔 투과성 기판과, 제1 및 제2 광학 요소 중 적어도 하나가 형성되는 기판의 주요 표면에 형성되고 3 내지 300 ㎛의 두께를 가지며 기판 재료의 굴절률보다 더 높은 굴절률을 갖는 수지 재료로 이루어진 광 도파관층과, 광 도파관층 상에 형성되고 도입된 표본에 응답하여 광 빔 또는 광 빔의 소산파(evanescent wave)를 흡수하는 능력을 갖는 반응 생성물을 생성하는 감지 멤브레인을 포함하는 광 도파관형 생화학 센서 칩을 개시한다. 감지 멤브레인은 격자(grating)들 사이에 위치 설정되고 보호막이 형성되지 않은 영역에 형성된다.
US 2010/0016928 A1은 임플란트 가능한 집적 회로 구조, 예를 들어, 집적 회로(IC) 칩, 임플란트 가능한 펄스 생성기, 하나의 칩이 전자 회로를 포함하고 다른 칩이 광학 센서 또는 이미터를 갖는 다수의 IC 칩을 갖는 장치 등을 개시한다. 구조는 회로층을 밀폐식으로 밀봉하기 위한 컨포멀(conformal) 박막 밀봉층을 포함한다. 밀봉층은 그 두께가 그것이 관련된 구조의 전체 부피를 실질적으로 증가시키지 않도록 하는 박막 코팅이다. 대략 0.1 내지 대략 10.0 ㎛ 범위의 두께가 개시된다.
US 2016/0103065 A1은 대상을 인증하기 위한 인증 장치가 입사광을 수신하고 입사광으로부터 표면 플라즈몬(plasmon)을 생성하도록 구성된 입력 커플러; 및 표면 플라즈몬에 기초하여 스펙클(speckle) 패턴을 출력하도록 구성된 출력 커플러를 포함하는 것을 개시한다. 인증 장치는 금속막 및 유전체 막을 포함하는 다층 구조를 포함한다. 입력 커플러는 다층 구조의 제1 영역에 제공되고, 출력 커플러는 다층 구조의 제2 영역에 제공된다. 금속막 상에 유전체 막이 형성될 수 있으며, 금속막을 보호하도록 구성될 수 있다.
본 발명은 시간이 지남에 따라 광학 어셈블리의 광학적 특성 및 수명에 악영향을 미치는 유체와의 직접적이고 장기적인 접촉과 관련된 적용에 특히 적합한 광학 어셈블리를 제공하고자 하며, 이는 예를 들어 임플란트 가능한 광학 어셈블리를 위한 경우이다. 다른 양태에서, 본 발명은 광자 집적 회로(photonic integrated circuits)과 관련된 적용에 특히 적합한 광학 어셈블리를 제공하고자 한다. 이와 같은 광자 집적 회로는 당해 분야에서의 통상의 기술자에게 공지되어 있다.
본 발명에 따르면, 적어도 광학적 상호 작용 영역을 덮는 보호층을 더 포함하는 위에서 정의된 바와 같은 광학 어셈블리가 제공된다. 광학적 상호 작용 영역은, 예를 들어, 광학 어셈블리가 임플란트 가능한 광학 센서로서 구체화될 때, 작동 동안에 유체와 직접적이고 장기적인 접촉한다. 보호층은 광학적 상호 작용 영역을 효율적으로 차폐하고, 더욱 구체적으로는, 굴절률, 흡수 등과 같은 이의 광학적 특성에 악영향을 미치지 않으면서 사용하는 동안 광학 어셈블리의 광학 미세 구조를 악화로부터 보호한다. 본 명세서에 제공된 바와 같은 보호층의 실시예들은, 시간이 지남에 따른 원하는 광학적 기능의 변경 없이, 광학 어셈블리의 환경과의 광학 미세 구조의 상호 작용을 가능하게 한다. 더욱 구체적으로는, 보호층이 광학 어셈블리의 전반적인 광학적 특성(예를 들어, 도파관의 유효 굴절률)에 다소 영향을 미칠 수 있더라도, 예를 들어, 감지 원리에 관하여, 광학 미세 구조의 안내 성능이 유지되기에는 영향은 충분히 작다.
다른 양태에서, 본 발명은 광학 어셈블리, 예를 들어, 본 명세서에서 설명된 실시예들 중 임의의 하나에 따른 광학 어셈블리를 제조하는 방법에 관한 것이다. 방법은 광학적 상호 작용 영역을 형성하는 통합된 광학 미세 구조를 기판에 제공하는 단계와, 적어도 광학적 상호 작용 영역 위로 보호층을 제공하는 단계를 포함한다. 보호층이 공지된 부착(deposition) 기술을 이용하여 인가될 수 있고 광학 어셈블리의 다른 요소들을 위한 제조 단계들과 양립 가능하기 때문에, 방법은 효과적이고 비용 효율적인 제조 방법으로서 구현될 수 있다.
본 발명은 다음의 첨부된 도면을 참조하여 아래에서 더욱 상세하게 논의될 것이다:
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 광학 미세 구조 어셈블리의 개략적인 2차원 단면도를 도시한다;
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 광학 미세 구조 어셈블리의 개략적인 2차원 단면도를 도시한다;
도 3은 본 발명의 제3 실시예에 따른 광학 미세 구조 어셈블리의 개략적인 2차원 단면도를 도시한다;
도 4는 본 발명의 제4 실시예에 따른 광학 미세 구조 어셈블리의 개략적인 2차원 단면도를 도시한다;
도 5는 본 발명의 광학 어셈블리의 또 다른 실시예의 단면도의 개략적인 표현을 도시한다; 그리고,
도 6은 본 발명의 광학 어셈블리의 또 다른 실시예의 단면도의 개략적인 표현을 도시한다.
본 발명은 광학 미세 구조의 표면의 적대적인 환경과의 직접적이고 그리고/또는 장기간의 상호 작용을 필요로 하는 광학 어셈블리를 포함하는 많은 적용예를 위한 광학 미세 구조의 사용에 관한 것이다. 이러한 광학 미세 구조는, 예를 들어, 안내된 방사선의 소산 테일(evanescent tail)이 환경과 상호 작용하는 도파관 구조를 통하여 방사선을 안내하도록 구성된다. 도 1은 본 발명에 따른 광학 어셈블리(1)의 제1 실시예의 개략적인 2차원 단면도를 도시한다. 광학 어셈블리(1)는 기판(2)과, 기판(2)과 통합되는 광학 미세 구조(3)를 포함한다. 광학 미세 구조(3)는 기판(2)의 표면(5)의 일부 상에 광학적 상호 작용 영역(4)을 형성하도록 위치 설정된다. 광학 미세 구조(3)는 예를 들어 기판(2)에 완전히 또는 부분적으로 매립되거나, 통합되거나, 패터닝되고, 환경과 직접 광학적으로 접촉한다. 광학 어셈블리(1)는 적어도 광학적 상호 작용 영역(4)을 덮는 보호층(6)을 더 포함한다. 도 1에 도시된 실시예에서, 광학 미세 구조(3)는 기판(2)의 상부에 제공되고 (얇은) 보호층(6)에 의해 덮이는 복수의 도파관 구조를 포함한다. 그 결과, 광학 미세 구조(3)로부터의 소산파(evanescent wave)는 광학적 상호 작용 영역(4)에서 환경과 여전히 광학적으로 상호 작용할 수 있다.
광학 미세 구조(3)에서, 광의 대부분이 안내층(guiding layer) 내에 제한되지만, 소산장(evanescent field)이라 불리는 작은 부분이 외부 매체 내로 연장한다. 소산장은, 예를 들어, 트래핑(trapping), 감지(sensing) 및 여기(exciting)를 위하여 환경과 상호 작용하는데 사용된다. 이 소산장은 도파관 표면으로부터의 거리가 증가함에 따라 지수적으로 감소한다. 예를 들어, 감지 적용예의 경우에, 광학 모드의 소산 테일의 변동은 안내 모드의 유효 굴절률 또는 이의 진폭을 변경하고, 이는 소산장 감지라 하는 감지를 위한 수단으로서 각각 사용될 수 있다.
부식은 초기 화학 조성물 내의 재료가 인접한 재료 또는 주변 환경으로부터의 2차 요소(고체, 액체, 기체 또는 이들의 조합)와 화학적 반응을 겪어, 이에 따라 주어진 주변 상태(압력, 부피, 온도) 하에서 이의 엔탈피 또는 열역학적으로 사용 가능한 에너지(기브스의 자유 에너지)를 감소시키는 화학적-물리적 과정이다. 결과에 따른 합성물은 대부분 원래 재료 상태(주어진 환경 상태에 대하여 화학적으로 비활성)보다 대체로 화학적으로 덜 활성적이다. 합성물 형성이 연속적이라면, 부식은 결국 초기 재료의 초기 특성을 저하시킬 것이다. 구동력은 재료나 이의 환경 또는 그 조합에서 시작될 수 있다. 에너지 관점에서, 시스템(예를 들어, 재료 또는 재료 조성물)은 최소 자유 에너지를 향해 노력하며, 시스템에서의 유리체(educt)보다 더 낮은 자유 에너지를 나타내는 생성물을 향한 이의 환경과의 반응을 겪는다. 부식 반응 동안의 반응 생성물은 이의 개별적인 유리체에 비하여 상이한 화학적 성질 및 상이한 물리적 성질을 가진다. 예를 들어, 산화를 겪는 금속은 화학적으로 덜 활성인 금속 산화물로 이의 에너지를 감소시킨다. 이것은 이의 기본 양자 구조에서의 변화를 수반하여, 밴드 갭에서의 변화와, 전도, 열적 및 화학적 거동과 같은 이의 특성으로 이어진다. 또한, 반응은 재료의 결정학적 구조적 구성에 영향을 미치며, 화학 반응에 대한 부피의 변화로 이어진다. 이 반응은 새로운 재료 및 인접한 층, 예를 들어 초기 표면에 가해지는 기계적 힘을 유발한다. 부식 생성물의 부피가 반응을 겪는 유리체의 표면 영역보다 훨씬 크다면, 이것이 시스템에서 크랙을 유발할 때까지 응력이 축적되어, 내재된 응력을 완화하고 이의 저장된 에너지를 감소시킬 것이다. 에너지를 줄이기 위해 화학적-물리적 변화를 겪는 예는 산화된 물질의 박편(flaking), 피팅(pitting) 부식, 응력 크랙 부식, 접촉 부식 등이다.
적대적 환경은, 부식에 대한 전술한 정의의 의미에서, 액체, 고체 및 기체 형태로 이 환경에 노출된 재료에 대하여 부식을 유발할 수 있는 에너지를 갖는 상태의 화학적 요소를 포함하는 것이다. 일례로서, 순수한 물은 액체 매트릭스 내로 용질을 포함하는 것을 통해 감소되는 높은 열역학적 활성을 가진다. 따라서, 물은 실리콘 산화물(SiOx) 또는 실리콘 질화물(SiN)과 같은 재료에 대한 적대적이거나 부식성인 환경으로서 고려될 수 있다. 용해된 산소, 과산화 수소, 클로라인 및 산화성이 높고 열역학적으로 활성인 다수의 작용제(agent)는 다수의 재료를 높은 부식 위험에 노출시키는 환경을 나타낸다.
적대적 환경은, 체내 조직 및 (혈액 또는 간질액과 같은) 체액에의 노출, 체외 및 체내의 식생 조직 및 유체, 발효 탱크 및 바이오 반응기와 같은 화학 공정에서의 유체, 바다, 호수, 강 및 아쿠아 탱크를 포함하는 양식 설비, 석유 화학 유체, 물 및 부식성 가스를 포함하지만 이에 한정되지 않는다. 적대적 환경과의 상호 작용은, 예를 들어, 부식 또는 용해에 의해 광학 미세 구조의 노출된 표면의 광학적, 기계적 및 전기적 성능을 저하시킬 것이다. 일례로서, 광자 마이크로 시스템을 통해 광을 전송하는데 사용되는 광학 등급 실리콘(Si) 및 SiN 구조는, 수용성 또는 공격적 화학 환경에서 사용될 때, 용해되고, 패이고, 해체된다. 광자 마이크로 시스템으로부터의 광이 환경과 상호 작용하도록 의도된 적용예에서, 표면 품질의 악화는 광학 어셈블리의 성능에 직접적인 영향을 미친다. 또한, 환경에 소산적으로(evanescently) 접촉하도록 구성된 광학 미세 구조는 광학 미세 구조의 표면 상태에 의해 영향을 많이 받는 것이 알려져 있다. 따라서, 아래에서 더욱 상세히 설명되는 바와 같이, 보호층이 본 발명의 실시예에 추가되어, 환경과의 직접적인 상호 작용을 갖는 상호 작용 영역을 보호한다. 이 코팅은, 당해 업계에서의 통상의 기술자에 의해 예측될 수 있는 바와 같이, 광학 미세 구조의 성능을 악화시키지 않으며, 광학 미세 구조의 기능을 변경하지 않는다. 구체적으로는, 광학 어셈블리에 대하여, 이 보호층이 시스템의 원하는 광학적 기능에 악영향을 미치지 않는 것이 바람직하다.
본 설명에서 사용되는 바와 같은 내부식성 재료는 특정 물리적 환경 상태(온도, 부피, 압력) 하에서 주변 환경(예를 들어, 고체, 기체 또는 액체)와의 해로운 반응을 겪음으로써 더 최소화될 수 없는 최소 에너지 상태를 가지거나; 또는 추가 에너지가 시스템 내로 추가되지 않는다면 환경의 열역학적 활성 또는 화학적 전위가 방해할 수 없는 강력한 결합을 나타낸다. 시스템의 강도는 결정도(crystallinity)(환원 에너지) 및 이의 강력한 재료간 결합(예를 들어, 다이아몬드, DLC(Diamond-like carbon)에 존재)의 레벨, 산화가 선행하는 환원 에너지 및 강한 결합(예를 들어, 알루미늄 산화물(Al2O3), 티타늄 산화물) 또는 양자의 조합(예를 들어, 사파이어, 순수한 결정 Al2O3)에 의해 주어질 수 있다.
본 발명의 광학 어셈블리 실시예의 광학 미세 구조(3)는, 광자 회로를 제조하는데 사용되는 다양한 형태 및 재료 시스템을 나타내는, 광자 집적 회로(Photonic Integrated Circuit(PIC))의 일부로서 구현될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서, 광학 어셈블리(1)는 적어도 하나의 광자 집적 회로 소자를 포함한다. 본 발명의 다른 실시예에서, 광학 미세 구조(3)는 SOI(Silicon-on-Insulator), SiN(실리콘이 풍부하거나 화학량론적인 실리콘), InP, TiO2 반도체 멤브레인, 폴리머, 유리/실리카, AlxGa1 - xAs, InxGa1 - xAsyP1 -y 및 플라즈몬(plasmonic)(예를 들어, 금속 나노 입자, 금속층)과 같은 플랫폼에 기초한다. 광학 미세 구조(3)는, 기판(2) 내에 매립되거나, 통합되거나, 패터닝된, 통합된 광학 캐비티, 통합된 광학 공진기, 통합된 광학 간섭계, 통합된 광학 커플러, 광학 도파관, 테이퍼(taper), 튜닝 가능 필터, 위상 시프터, 격자(grating), 광자 크리스탈, 변조기, 검출기, 소스, 멀티플렉서, 디멀티플렉서 또는 이들의 조합과 같은 통합된 광학 부품일 수 있다. 광학 미세 구조(3)는 능동적(active)이거나 수동적(passive)일 수 있다. 광학 미세 구조(3)는, 기판(2)의 일부 상에 광학적 상호 작용 영역(4)을 형성하기 위하여, 완전히 매립되거나 부분적으로 매립된 구조로서 기판과 통합된다. 본 설명에서의 광학 미세 구조의 두께에 대한 언급은 이의 안내층의 두께(예를 들어, SOI 광학 도파관의 경우에 소자층(Si)의 두께)를 나타내고, 따라서 기판(2)의 두께를 제외한다.
도 1에 도시된 것과 같은 본 발명의 실시예는 광학 미세 구조(3)와 광학 어셈블리(1)의 외부 환경 사이의 광학적 상호 작용의 능력을 유지하는 보호층(6)을 이용하여 표면 보호를 획득할 수 있게 한다. 예시적인 실시예가 아래에서 논의되는 보호층(6)은 시간이 지남에 따라 원하는 광학적 기능을 변경하지 않으면서 광학 미세 구조와 환경의 광학적 상호 작용을 가능하게 한다. 광학 어셈블리(1)의 제조는, 전자 빔 기술, 포토리소그라피 공정, CMOS 기술과 같은 다양한 기술을 이용하거나 실리콘 기반의 기술을 이용하거나, 또는 이들의 조합을 이용하여 실행될 수 있다. 이것은 당해 업계에서의 통상의 기술자에게 알려진 것과 같은 재료 에칭 공정(예를 들어, 습식 에칭, 건식 에칭) 및 다른 전형적인 BEOL(back-end-of-line) 공정(예를 들어, 금속화(metallization)) 또는 기판 상의 다른 미세 부품의 혼성(heterogeneous) 통합을 포함하는 단계를 포함할 수 있다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 광학 어셈블리(1)의 개략적인 2차원 단면도를 도시한다. 이 실시예에서, 광학 미세 구조(3)는 기판(2) 내에 매립되고, 결과로서의 광학적 상호 작용 영역(4)은 평면이고 표면(5)과 수평이다. 또한, 이 실시예에서의 보호층(6)은 기판(2)의 전체 (상부) 표면(5) 상에 존재하고, 심지어, 기판(2)의 뒤쪽으로 연장한다. 이것은 보호층(6)을 인가하기 위한 처리 단계의 관점에서 유익할 수 있다. 또한, 도 1 및 도 2에 도시된 실시예의 변형이 가능하며, 예를 들어, 보호층(6)은 전체 표면(5)(앞쪽, 뒤쪽 및 앞쪽과 뒤쪽 사이의 에지) 위로 존재한다. 적대적 환경에서의 광학 어셈블리(1)의 적합한 작동을 위하여, 광학적 상호 작용 영역(4) 위로의 보호층(6)의 존재는 충분하다는 것이 주목된다. 광학 어셈블리(1)의 나머지 부분은 반드시 보호층(6)으로 덮이지는 않는다.
본 발명의 다른 실시예에서 , 보호층(6)은 광학적 상호 작용 영역(4)과 연관된 외부 표면에 컨포멀(conformal)하다. 보호층(6)의 컨포멀한 층의 구현예는 모든 표면을 실질적으로 균일한 두께의 코팅으로 덮고, 이는 컨포멀한 보호층(6)의 두께가 보호층(6)이 존재하는 전체 광학적 상호 작용 영역(4) 위로 실질적으로 동일할 것이라는 것을 의미한다. 컨포멀 코팅을 위한 부착(deposition) 방법의 일례는 ALD(Atomic Layer Deposition)(예를 들어, 열적 ALD 또는 플라즈마 강화(plasma-enhanced) ALD)이다. 광학적 상호 작용 영역(4)과 연관된 외부 표면은, 예를 들어, 표면(5)에 패터닝되거나 엠보싱된 광학 미세 구조(3)에 걸쳐 있다. 패터닝된 광학적 상호 작용 영역(4)에 대하여, 컨포멀 보호층(6)은 (도 1의 실시예에 도시된 바와 같이) 실질적으로 균일한 방식으로 광학 미세 구조(3)의 계단, 모서리 및 곡선을 덮는다. 본 발명의 또 다른 실시예에서, 보호층(6)은 부식 보호 특성을 갖는 재료를 포함한다. 따라서, 보호층(6)은 부식성 적대적 환경에 노출될 때 악화(부식 및 용해)에 대하여 광학 미세 구조(3)(및 광학적 상호 작용 영역(4)에서 표면(5)을 둘러싸는 부분)을 보호할 것이다.
소산장 감지를 가능하게 하기 위하여, 보호층(6)은 이것이 광학 미세 구조(3)의 광학적 특성에 악영향을 미치지 않는 방식으로 선택된다. 본 발명의 다른 실시예에서, 보호층(6)은 SiC(Silicon Carbide), DLC(Diamond Like Carbon), TiO2 또는 Al2O3의 그룹으로부터의 하나 이상의 재료이다. 또한, DLC는 비정질(amorphous) 탄소의 준안정(metastable) 형태로서 당해 업계에 알려져 있다. DLC를 제외하고 이 재료들의 각각은 본질적으로 유전체이고, 제어된 두께로 광학 미세 구조 상에 부착될 수 있다. 보호층(6)으로서의 SiC(주로 이의 비정질 형태(α-SiC)), TiO2 및 Al2O3의 사용은 Si와의 호환성 및 Si와의 통합에 대한 용이성과, 광학 어셈블리(1)에 대하여 적용되는 Si 기반의 미세 제조 기술로 인한 이점을 가진다. 추가로, 불활성, 오래가는 기계적 안정성, 생체 적합성 및 광학적 호환성과 같은 특성은 이것이 본 발명의 실시예에서 보호층(6)으로서 사용하기 위한 좋은 후보가 되게 한다. DLC형 보호층(6)은, 예를 들어, 종이 표백 업계 또는 폐수 처리 플랜트에서 사용되는 강력한 산화제에 대한 매우 양호한 화학적 불활성을 제공한다. 또한, 이러한 재료들이 열악한 광학 도파관인 것으로 알려져 있지만, 단지 얇은 코팅을 적용하는 것이 보호층(6)이 광학 미세 구조(3)의 밑에 있는 도파관에서 광 전파를 불리하게 변경하지 않는 것을 보장한다. 보호 코팅 재료는 Si, SiOx, SiN 및 III-V 재료와 같은 고품질의 광학 등급 재료의 그룹으로부터 주요 광 반송 수단으로서의 광학 미세 구조(3)의 재료의 가능한 선택과 양립 가능하다. 그 결과, 본 발명의 실시예는 광학적 특성의 악화 없이 광학 미세 구조(3)의 구현예로서 단일 모드(mono-modal) 광자 도파관의 보호를 가능하게 한다.
광학 미세 구조(3)를 통해 광을 전송하는데 사용되는 광학 등급 Si 및 SiN 도파관은 수용성 또는 공격적 화학 환경에서 사용될 때, 용해되고, 패이고, 해체된다. 광학 미세 구조(3) 내의 광이 환경과 상호 작용하는 적용예, 예를 들어, 감지 활동에 있어서, 광학 미세 구조(3) 및 연관된 광학적 상호 작용 영역(4)의 품질의 악화는 광학 어셈블리(1)의 성능에 직접적인 영향을 미친다. 광학 어셈블리(1)에 노출된 물질은 센서를 위한 표적 피분석물일 수 있고, 피분석물은 예를 들어 조직, 간질액과 같은 체액, 소변 또는 혈액 등에 존재한다. 대안적으로, 광학 어셈블리(1)는, 예를 들어, 발효 탱크, 연료 탱크 또는 예를 들어 석유 화학 환경에서 통상적으로 사용되는 연료 파이프라인 내에서 광학 어셈블리(1)의 작동과 관련 있을 때 화학 유체의 존재를 감지하는데 사용될 수 있다. 위에서 논의된 바와 같이, 보호층(6)은 시간이 지남에 따른 이의 구조적, 물리적, 광학적 또는 화학적 특성을 변화시키지 않으면서 광학 미세 구조(3)의 환경과의 광학적 상호 작용을 가능하게 한다. 이 때문에, 화학적 또는 생물학적 열화 또는 센서의 광학적 특성에 영향을 미칠 수 있는 것에 민감한 폴리머층은 보호층(6)으로서 선택되지 않는다. 장치의 모든 다른 영역은 폴리머로 보호될 수도 있지만, 이는 반드시 폴리머로 보호되어야 하는 것은 아니다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 보호층(6)은 무공성(non-porous)이며, 예를 들어, 보호층(6)은 사실상 무공성인 재료를 포함한다. 이 실시예는 화학적 또는 생물학적 유체가 작동하는 동안 광학 미세 구조(3)와 직접적으로 접촉하게 하여 이에 의해 광학 어셈블리(1)의 재료 및 광학적 성능을 열화시킬 수 있는 보호층(6) 내의 다공성(porosity) 채널 또는 핀홀의 발생을 방지한다. 무공성 보호층(6)을 가짐으로써, 장기간의 사용 후에도 적대적인 감지 환경과의 광학 어셈블리(1)의 어떠한 직접적인 노출도 방지된다.
소산장 감지는 단일 모드 및 다중 모드 파 전파를 모두 지원하는 광학 미세 구조(3)를 활용한다. 다중 모드 광학 미세 구조(3)는 측정될 화합물에 의한 흡수를 위하여 사용되는 광의 파장보다 더 큰 두께를 가진다. 그러나, 상대적으로 낮은 레벨의 소산장 세기 때문에, 검출 방법은 감지 애플리케이션에 대하여 제한된다. 단일 모드 도파관은 전형적으로 저유전율의 클래딩 상에 부착된 매우 얇은(광의 파장 미만의) 고유전율 코어를 포함한다. 막은 통상적으로 박막 부착 기술 또는 에피택셜 성장을 이용하여 제조된다. 코어와 클래딩 사이에 큰 유전율 차이를 갖는 단일 모드 도파관(고대비(high contrast) 도파관 시스템)은 표면에서의 높은 장 세기(field intensity)로 인하여 더 큰 민감도를 제공한다. 높은 인덱스 대비를 갖는 단일 모드 평면 도파관은 광의 반파장(~250 nm - 300 nm)을 넘어서는 뚜렷한 세기 없이 도파관 표면으로부터 소산장의 신속한 감쇠를 가능하게 하는 반면, 저대비(low contrast) 단일 모드 및 다중 모드 구성은 통상적으로 1 - 2㎛의 관통 깊이를 나타낸다. 보호층(6)은 또 다른 실시예에서 광학 미세 구조(3)(예를 들어, 광학 도파관)의 50% 이하인 두께를 가진다. 두께는 30% 미만 또는 심지어 10% 미만과 같이 훨씬 더 작을 수 있다. 더 두꺼운 층이 첫째로 가능하게는 광학적 소산장에 대한 감지 매체의 접근성에 영향을 미칠 수 있고 둘째로 전반적인 광학적 거동을 실질적으로 악화시킬 수 있기 때문에, 보호층(6)은 50% 이하인 것으로 선택되었다. 광학 미세 구조(3)에서의 소산장이 존재하는 제한된 거리 때문에, 유익하게는 보호층(6)은 가능한 한 얇다.
광학 미세 구조(3)에서 유도된 파의 전파는 TE(transverse-electric) 편광 유도파 또는 TM(transverse-magnetic) 편광 유도파일 수 있다. TE 파는 평면 도파관의 표면에 평행한 전기장 벡터를 가지며, TM 파는 평면 도파관의 표면에 수직인 전기장 벡터를 가진다. 광학 미세 구조(3)의 전반적인 민감도는 도파관 재료 및 이의 디자인에 크게 의존한다. 구체적으로는, 지수적으로 감쇠하는 전기장의 보호층(6)의 두께와의 중첩을 최적화하고 도파관에서 전기장 강도를 최대화하는 것은 광학 어셈블리(1)의 검출 민감도를 최적화할 수 있다. 실제로, 얇은 보호층(6)은 더 두꺼운 보호층(6)에 비하여 광학 미세 구조(3) 외부에서 많은 양의 소산장을 가지게 한다. 광학 미세 구조(3)가 어느 편광 유도파를 지원하는지에 관계없이, 보호층(6)은 어떠한 종류의 광학 미세 구조(3)에도 적용될 수 있다. 얇은 내부식성 보호층(6)을 이용하는 것의 이점은 이의 표면 악화 없이 환경과의 광학 미세 구조(3)의 전체 도파관의 광학적 상호 작용을 가능하게 하고, 그 결과 생물학적 환경 또는 다른 부식성 환경에서 긴 수명을 가능하게 한다.
예시적인 실시예에서, 광학 미세 구조(3)는 환경에 노출된 소정의 길이(통상적으로, 클래딩 영역에서 피분석물과의 최대 상호 작용을 위한 최적 길이)의 도파관 나선(spiral)이다. 광은 나선형 도파관에 의해 유도되고, 환경과 중첩하는 유도 모드들 또는 모드의 소산 테일 가지도록 구성된다. 환경과의 광의 상호 작용은 광의 스펙트럼 진폭에 영향을 미칠 것이다.
예시적인 실시예에서, 광학 미세 구조(3)는 마이크로 링 공진기(micro-ring resonator(MRR)), 컴팩트한 파장 선택 장치이다. 3 포트 MRR의 경우에, '입력 포트(In Port)'(광과 커플링), '관통 포트(Through Port)'(광과 커플링 해제) 및 '드랍 포트(Drop Port)'(광과 커플링 해제)로서 알려진 3개의 포트가 제공된다. 광학 신호가 MRR의 '입력 포트'를 통과할 때, 광학 신호의 일부는 링 주위로 전파하는 캐비티 내로 소산적으로 커플링되고 '입력 포트'로부터의 유입 신호의 이후에 도착하는 부분과 간섭한다. (유입 신호의 장과 캐비티 장의) 상쇄 간섭은 광의 대부분을 '관통 포트'로 통과시키고, 보강 간섭은 입력 파워의 대부분이 링을 선회하여 다시 소산 커플링을 통해 결국 '드랍 포트'에 나타나도록 한다. 다른 말로 하면, 공진 파장 주위의 광은 '드랍 포트'에서 피크로서 나타나고 '관통 포트'에서 하락(dip)으로서 나타난다. MRR의 공진 파장은 생물학적 및 화학적 적용을 위한 강한 소산장 광학으로서 이를 이용하기 위하여 활용되는 이의 소산장에서의 변화에 의해 많은 영향을 받는다. 더욱 일반적으로, 시스템의 손실(전파 손실 및 커플링 손실)에 따라, 광은 내부에 머무르고 링의 품질 인자에 의해 결정되는 'N'회의 횟수 동안 링 주위로 돌아간다. 이것은 한편으로는 피분석물과의 상호 작용을 효율적으로 증가시키고, 다른 한편으로는 주변 환경에서의 어떠한 작은 변화에도 극도로 민감하다.
예시적인 실시예에서, 광학 미세 구조(3)는 슬롯 도파관에 기초한 안내 구조이다. 슬롯 도파관은 저굴절률의 슬롯 영역에 의해 분리된 고굴절률의 2개의 아암(arm)을 포함한다. 광학 슬롯 도파관(예를 들어, 전자 빔 또는 딥-UV(deep-UV) 리소그라피에 의한 SOI 기술로 제조됨)에서, 높은 굴절률 대비 재료들 사이의 계면에서의 전기장 불연속은 저굴절률 재료의 나노미터 스케일 영역(갭 영역) 내부에서 높은 광학적 가둠(confinement)을 가능하게 한다. 다양한 광학 미세 구조가 나선형 도파관, 마이크로 링 공진기, 디스크 공진기 및 1차원 광자 크리스탈(photonic crystal)과 같은 슬롯 도파관을 이용하여 실현될 수 있다. 슬롯 안내 구조의 유효 굴절률과 결합된 슬롯 영역 내에 형성된 매우 높은 장 세기는 이의 환경의 굴절률에서의 변화에 매우 민감하여, 이를 효율적인 광학 센서로 만든다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 광학 어셈블리(1)의 개략적인 2차원 단면도이다. 이 실시예에서, 광학 미세 구조(3)는 기판(2)에서 에칭되고, 결과로서의 광학적 상호 작용 영역(4)은 표면(5)에서의 패터닝된 밸리(valley)다. 이 실시예에서의 보호층(6)은 에칭된 밸리 및 광학 미세 구조(3)의 표면(5)에 컨포멀하다.
또 다른 실시예에서, 보호층(6)은 기판(2)의 뒤쪽 및 에지 측 상으로 연장한다. 이것은 보호층(6)을 인가하기 위한 처리 단계의 관점에서 유익할 수 있다. 도 4는 본 발명의 이 실시예에 따른 광학 어셈블리(1)의 개략적인 2차원 단면도를 도시한다. 도 3에 도시된 실시예와 유사하게, 여기에서 광학 미세 구조(3)가 기판(2)에서 에칭되고, 결과로서의 광학적 상호 작용 영역(4)은 표면(5)에서의 패터닝된 밸리다.
보호층(6)은 본 발명의 다른 실시예에서 광학적으로 투과성이다(낮은 광학 손실). 다른 실시예에서, 이는 전자기 스펙트럼의 가시광선 파장 영역 또는 적외선(IR) 영역에서 투과성일 수 있다. 이것은 근적외선 범위(700 nm 내지 2500 nm) 또는 중간 적외선 범위(2.5 ㎛ 내지 8 ㎛)일 수 있다. 광학 어셈블리(1)는, 예를 들어, 글루코오스가 특정의 흡수 피크 또는 산란 공진을 가지는 이러한 파장 영역에서의 사용을 위하여 조정될 수 있다. 예를 들어, 광학 어셈블리는 글루코오스가 많은 흡수 대역을 가지며 물이 비교적 더 낮은 흡수를 갖는 제1 오버톤(overtone) 대역(1500 nm 내지 1850 nm) 및/또는 조합 대역(2080 nm 내지 2325 nm)에서 동작하도록 조정될 수 있다. 또한, 어느 파장 대역이 사용될 지의 선택은, 예를 들어, 사용 가능한 방사선 소스에 기초할 수 있다.
본 출원에서 광 또는 방사선에 대한 언급은 전자기 방사선을 말한다. 고려되는 광은 물질을 감지, 즉 검출 또는 촬영하기 위한 적합한 파장 또는 파장 범위를 갖는 방사선이다. 일부 실시예에서, 사용되는 광은 가시광선 또는 적외선, 예를 들어, 근적외선 또는 중간 적외선이다. 일부 실시예에서, 방사선은 700 nm내지 2500 nm 또는 2.5 ㎛ 내지 8 ㎛, 또는 이들의 조합의 파장 또는 파장 범위를 가지지만, 본 발명의 실시예는 이에 한정되지 않는다. 예를 들어, 실리콘 광자의 제조 및 통합 기술은 본 발명의 광학 어셈블리(1)의 용이하고, 신뢰성 있고, 비용 효율적인 제조를 위하여 사용될 수 있는 중심이 대략 1550 nm에 있는 통신 파장 범위에서 상당히 개발되어 있다.
도 5는 본 발명의 광학 어셈블리(1)의 또 다른 실시예의 단면도의 개략적인 표현을 도시한다. 이 실시예에서, 광학 어셈블리(1)는 기판(2)에 부착되거나 통합된 처리 회로부(7)를 포함한다. 방사선 소스(8)와 검출기가 처리 회로부(7)에 연결된다. 인터페이싱 회로부(9)(예를 들어, 전자 회로부)가 처리 회로부(7), 적어도 하나의 방사선 소스(8) 및 검출기에 연결된다. 이 실시예에서의 광학 어셈블리(1)는 예를 들어 임플란트 가능한 센서, (부분적으로) 침습되는 센서 또는 유동(floating) 센서이고, 동작 중인 처리 회로부(7), 방사선 소스(8), 적어도 하나의 검출기 및/또는 인터페이싱 회로부(9)(유선 또는 무선)는 광학적 상호 작용 영역(4)과 접촉하는 물질의 광학 감지를 위하여 마련된다. 보호층(6)은 광학 어셈블리(1)의 광학적 상호 작용 영역(4)을 덮는다. 검출기는 광학 신호를 전기 신호로 변환하기 위하여 광학 어셈블리(1)에 통합될 수 있다. 검출기는 처리 회로부(7)의 일부일 수 있거나, 개별 장치로서 마련될 수 있다. 처리 회로부(7)에서 처리된 방사선을 처리한 후에, 출력 신호가 인터페이싱 회로부(9)를 통해 생성될 수 있다. 인터페이싱 회로부(9)는 광학 어셈블리(1)에서의 그리고 그로부터의 데이터 및 전력 전송을 용이하게 한다.
도 5에 도시된 바와 같이, 방사선 소스(8)와 인터페이싱 회로부(9)는 처리 회로부(7)에 전기적으로 연결되어 그에 의해 제어되고, 방사선 소스(8)와 검출기는 광학 미세 구조(3)와 광학적으로 연통하다. 처리 회로부(7)는, 예를 들어, 광자 집적 회로로서 구현되고, 예를 들어 물질을 감지하고 감지 신호를 (광학적으로 전자적으로) 처리하기 위하여 방사선이 사용되는 방사선 소스(8)로부터 방출되는 방사선을 스펙트럼으로 제어하기 위하여 마련된다. 처리 회로부(7)는 광학 어셈블리(1)에 모놀리식 방식으로(monolithically), 하이브리드 방식으로, 또는 혼성으로(heterogeneously) 통합된 전자 장치 또는 유체식 회로부를 포함할 수 있다. 다른 말로 하면, 광학 어셈블리는 방사선 소스(8)로부터 지향되고 광학 미세 구조(3)의 광학적 상호 작용 영역(4)과 접촉하는 물질과 상호 작용한 방사선을 캡처하기 위하여 마련될 수 있다. 처리 회로부(7)는 도파관, 멀티플렉서, 디멀티플렉서, 커플러, 스플리터 그리고 심지어 튜닝 가능한 요소와 같은 복수의 통합된 컴포넌트를 포함할 수 있다. 처리 회로부(7)는 파장 종속적인 방식으로 방사선을 처리하기 위하여 조정된다. 본 발명의 적어도 일부 실시예에서, 처리 회로부(7)는 광학 부품을 포함할 수 있다. 처리 회로부(7)는, 예를 들어, 멀티플렉서나 디멀티플렉서 또는 이들의 일부, 간섭계 또는 이의 일부, 통합된 광학 캐비티, 통합된 광학 공진기, 통합된 광학 커플러, 도파관, 격자 또는 이들의 조합의 역할을 한다. 처리 회로부(7)는, 예를 들어, 칩 내에서 그리고 그로부터 방사선을 커플링 및 디커플링하기 위한 커플러를 포함할 수 있다. 커플러의 일부는 온-칩 회절 격자일 수 있다. 칩 상의 방사선을 캡처하는 커플러는, 광학 설계 기술을 이용하여, 최적의 양의 광을 챕처하도록 최적화될 수 있다. 처리 회로부(7)는 간섭계, 튜닝 가능한 필터, AWG(arrayed waveguide grating), PCG(planar concave grating) 또는 이들의 조합일 수 있다. 광자 집적 회로 기반 방사선 프로세서가 처리 회로부(7)로서 사용될 수 있어 광학 어셈블리(1)의 소형화를 가능하게 한다는 것이 이 실시예의 이점이다. 소형화는 장치를 컴팩트하게 할 수 있어, 예를 들어, 생명체에 존재하는 물질의 자연적인 흐름 또는 체액의 자연적인 확산이 물질의 감지 및 연속 모니터링을 위한 가능성을 허락한다. 또한, 예를 들어, 광학적 특징화를 이용하여 감지가 수행되는 것은 이점이며, 따라서 시약 또는 다른 보조 물질을 필요로 하지 않는다. 이러한 이점은 상당한 사용자 상호 작용에 대한 필요성 없이 신뢰성 있고 장기적으로 사용 가능한 광학 어셈블리(1)를 제공한다.
도 6은 본 발명의 광학 어셈블리(1)의 또 다른 실시예의 단면도의 개략적인 표현을 도시한다. 이 실시예에서, 광학 어셈블리(1)는 기판(2)에 부착되거나 통합된 처리 회로부(7)를 포함한다; 방사선 소스/검출기(8)는 처리 회로부(7)에 연결된다. 인터페이싱 회로부(9)는 처리 회로부(7) 및 방사선 소스/검출기(8)에 연결된다. 이 실시예에서, 보호층(6)은 광학 어셈블리(1)의 기판(2)의 모든 표면을 덮는다.
대안적이거나 추가적인 실시예에서, 광학 마이크로 시스템 어셈블리(1)는 임플란트 가능한 센서이다. 센서는 인간을 포함하는 생명체의 몸체에서의 물질의 감지를 위한 것이지만, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 생명체는 임의의 생물일 수 있고, 센서는 임플란트될 수 있다. 예를 들어, 이는 식물 또는 포유류나 비포유류와 같은 동물일 수 있다. 이는 냉혈 동물이거나 온열 동물일 수 있다. 일부 바람직한 실시예에서, 센서는 글루코오스를 감지하기 위하여 제공되지만, 센서는 또한 소변, 젖산, 크레아티닌, 트리글리세이드, 단백질, 콜레스테롤 및 에탄올과 같은 다른 물질의 감지를 위하여 제공된다. 이에 대안적으로 또는 추가적으로, 이에 따라 물질은 또한 조직 자체를 포함할 수 있고, 감지는 촬영 목적, 예를 들어, 혈관, 신경, 암 조직, 세포 변화 등을 촬영하기 위하여 수행될 수 있다. 감지가 수행되는 파장은 주로 감지되는 물질에 의해 결정될 수 있다는 것이 주목되어야 한다. 감지될, 즉 검출되거나, 촬영되거나, 모니터링될 상이한 물질의 선택은 이에 따라 글루코오스에 대하여 설명된 것과 유사한 부품을 이용하는 필요성을 초래하지만, 이에 따른 다른 파장 범위 또는 컨버터에서의 동작 가능성을 가진다. 편의를 위하여, 본 발명의 실시예는 글루코오스 감지를 참조하여 더 설명될 것이지만, 실시예들 및 예들에서의 설명이 상이한 파장에서의 물질 감지 또는 상이한 물질의 물질 감지의 실시예들에 필요한 부분만 약간 수정하여 적용할 수 있다는 것이 당해 업계의 통상의 기술자에게 명백할 것이다. 센서는, 예를 들어, 700 nm 내지 2500 nm의 범위인 근적외선 파장 범위에서 사용되도록, 예를 들어, 특정 검출 요소 및/또는 방사선 소스에 의해 그리고 광학 프로세서에 사용되는 광학 부품에 의해 조정될 수 있다.
광학 어셈블리(1)의 광자 및/또는 전자 부품은, 예를 들어, 모놀리식 방식으로, 혼성으로 또는 하이브리드 방법에 의해 통합될 수 있다. 모놀리식 통합은 잠재적으로 상이한 재료, 예를 들어, 실리콘 광자 집적 회로(IC) 내의 에피택셜 성장된 게르마늄 검출기를 이용하여 다양한 부품을 처리하기 위하여 단일 처리 플로우를 사용하는 통합 기술이다. 혼성 통합은, 예를 들어, BCB 본딩, 웨이퍼 본딩 및 다른 본딩 스킴 또는 3D 통합인, 다이 또는 웨이퍼 레벨로 통합되는 개별 처리 플로우에서 부품이 처리되는 통합 기술이다. 하이브리드 통합은, 예를 들어, 검출기의 플립 치핑, 범핑, 접합, 와이어 본딩, 공동 패킹 등인, 처리된 광자 집적 플랫폼에서의 부품 또는 재료의 통합이다.
본 발명의 실시예의 장치 및 방법은 Si, Si 호환 재료, III-V 재료, 폴리머, SiN/SiOx를 포함하는 다양한 범위의 재료에 대하여 설명된다. 예시적인 실시예에서, 본 발명은 광학 어셈블리(1)가 SiN 기반 재료 구현예인 실시예에 관한 것이다. SiN은 고집적된 광자 회로에 대한 매우 흥미로운 재료 구현예이다. 높은 굴절률 대비는 다양한 기능이 작은 칩 상에 통합될 수 있도록 매우 작은 스케일로 광을 안내하고, 굴곡시키고, 제어하는 미크론 이하 치수를 갖는 광자 도파관 및 도파관 부품을 가능하게 한다.
SOI 기반 광학 미세 구조(3)는 높은 수준의 소형화를 가능하게 하며, 이는 유익하다. 더욱이, 광은 예를 들어 격자 커플러 또는 다른 커플링 요소의 사용에 의해 광학 미세 구조(3) 내외에서 효율적으로 커플링될 수 있다. 또한, SOI를 이용하는 것은 상당한 기술적 이점을 가진다. CMOS 산업 덕택에, 실리콘 기술은 성능, 리소그라피 정밀성, 재생산 가능성 및 스루풋의 측면에서 몇 자릿수 더 큰 크기만큼 어떠한 다른 평면 칩 제조 기술을 능가하는 성숙 수준에 도달하였다. 나노 광자 IC는 웨이퍼 스케일 공정으로 제조될 수 있으며, 이는 웨이퍼가 많은 개수의 광자 집적 회로를 포함할 수 있다는 것을 의미한다. 상대적으로 적정한 비용으로 대형 웨이퍼의 상업적 이용 가능성과 결합한다면, 이것은 광학 어셈블리(1) 당 가격이 매우 낮을 수 있다는 것을 의미한다.
추가적인 양태에서의 본 발명은 광학 어셈블리, 예를 들어, 본 명세서에서 설명된 실시예들 중 하나에 따른 광학 어셈블리(1)를 제조하기 위한 방법에 관한 것이고, 방법은 기판(2)에 광학적 상호 작용 영역(4)을 형성하는 통합된 광학 미세 구조(3)를 제공하는 단계와, 적어도 광학적 상호 작용 영역(4) 위로 보호층(6)을 제공하는 단계를 포함한다. 위에서 논의된 바와 같이, 광학적 상호 작용 영역(4)의 외부 표면에 컨포멀한 보호층(6)이 제공될 수 있고, 이를 위하여, 위에서 논의된 바와 같은 처리를 위한 대안이 유익하게 사용될 수 있다. 사용된 부착 기술(특히, 보호층(6)을 부착하기 위한 것)이 보호층(6) 특성 중 하나 이상을 강화하거나 최적화하도록 선택될 수 있다. 대안적인 실시예에서, 부착 방법은 무공성 층으로서 제공된 보호층(6)을 가지도록 최적화될 수 있다.
보호층(6)을 인가하는 방법은 공지된 많은 박막 제조 기술을 이용하는 것일 수 있다. 예를 들어, 이는 CVD(chemical vapour deposition), PECVD(plasma enhanced chemical vapour deposition), ALD(atomic layer deposition), 스퍼터링, PLD(pulsed laser deposition) 또는 MBE(Molecular Beam Epitaxy) 부착 기술일 수 있다. PECVD 방법을 이용할 때, 광학 미세 구조(3)의 상부에 이의 광학적 투과성 및 다른 광학 특성에 영향을 미치지 않으면서 보호층(6)으로서 SiC 또는 DLC 층을 부착하기 위한 주요 가스로서 실란 및 메탄을 사용하는 것이 가능하지만, 이에 한정되지 않는다. 보호층(6)은 광학 미세 구조(3)를 제조하기 위하여 사용되는 것과 같은 제조 방법을 이용하여 부착되거나 구조화될 수 있다(예를 들어, 포토리소그라피 및 건식 반응성 에칭 방법에 의해 구조화되고 패터닝될 수 있다).
본 발명은 도면에 도시된 바와 같은 다수의 예시적인 실시예를 참조하여 설명되었다. 일부 부분 또는 요소의 수정 및 대안적인 구현이 가능하며, 첨부된 청구범위에서 정의된 보호 범위 내에 포함된다.

Claims (19)

  1. 기판(2)과, 상기 기판(2)과 통합되는 소산장(evanescent field) 감지를 위한 적어도 하나의 광학 미세 구조(3)를 포함하는 임플란트 가능한 광학 센서(1)에 있어서,
    상기 적어도 하나의 광학 미세 구조(3)는 상기 기판(2)의 표면(5)의 일부 상의 광학적 상호 작용 영역(4)을 형성하도록 위치 설정되고,
    상기 광학 어셈블리(1)는 적어도 상기 광학적 상호 작용 영역(4)을 덮는 얇은 보호층(6)을 더 포함하고, 상기 얇은 보호층(6)은, 상기 소산장 감지에 영향을 미치지 않도록, 부식 보호 특성을 갖는 미리 정해진 재료로 이루어지고 미리 정해진 두께를 갖는,
    임플란트 가능한 광학 센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 보호층(6)은 상기 광학적 상호 작용 영역(4)과 연관된 외부 표면에 컨포멀(conformal)한,
    임플란트 가능한 광학 센서.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 보호층(6)은 SiC(Silicon Carbide), DLC(Diamond Like Carbon), TiO2, Al2O3의 그룹으로부터의 하나 이상의 재료를 포함하는,
    임플란트 가능한 광학 센서.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광학 어셈블리는 적어도 하나의 광자 집적 회로(photonic integrated circuit) 소자를 포함하는,
    임플란트 가능한 광학 센서.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광학 미세 구조(3)는 SiN, SOI, InP, GaAs, TiO2, 유리 또는 실리카에 기초하는,
    임플란트 가능한 광학 센서.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 보호층(6)은 무공성인(non-porous),
    임플란트 가능한 광학 센서.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 보호층(6)은 상기 광학 미세 구조(3)의 두께의 50% 미만의 두께를 갖는,
    임플란트 가능한 광학 센서.
  8. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 보호층(6)은 상기 광학 미세 구조(3)의 두께의 30% 미만의 두께를 갖는,
    임플란트 가능한 광학 센서.
  9. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 보호층(6)은 상기 광학 미세 구조(3)의 두께의 10% 미만의 두께를 갖는,
    임플란트 가능한 광학 센서.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 광학 미세 구조(3)는 미리 정해진 파장 범위의 광으로 소산장을 감지하도록 구성되는,
    임플란트 가능한 광학 센서.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 기판(2)은 저유전율 클래딩(cladding)이며, 상기 광학 미세 구조(3)는 상기 저유전율 클래딩 상에 부착된(deposited) 고유전율 코어를 포함하고, 상기 고유전율 코어는 상기 광의 파장보다 더 작은 두께를 갖는,
    임플란트 가능한 광학 센서.
  12. 제10항 또는 제11항에 있어서,
    상기 광의 파장은 700 nm 내지 2500 nm의 근적외선 파장 범위에 있거나, 2.5 ㎛ 내지 8 ㎛의 중간 적외선 파장 범위에 있는,
    임플란트 가능한 광학 센서.
  13. 제10항 또는 제11항에 있어서,
    상기 광의 파장은 1500 nm 내지 1850 nm의 대역에 있거나, 2080 nm 내지 2325 nm의 대역에 있는,
    임플란트 가능한 광학 센서.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 보호층(6)은 광학적으로 투과성인,
    임플란트 가능한 광학 센서.
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 센서(1)는, 상기 기판(2)에 통합되고 상기 광학 미세 구조(3)에 연결된 처리 회로부(7); 상기 처리 회로부(7)와 상기 광학 미세 구조(3)에 연결된 방사선 소스(8); 및 상기 처리 회로부(7)에 연결된 인터페이싱 회로부(9)를 포함하고, 상기 처리 회로부(7)와 상기 방사선 소스(8)는 작동시 상기 광학 미세 구조(3) 및 상기 광학적 상호 작용 영역(4)과 연관된 소산장과 상호 작용하는 물질의 광학적 감지를 위하여 마련되는,
    임플란트 가능한 광학 센서.
  16. 임플란트 가능한 광학 센서를 제조하는 방법에 있어서,
    기판(2)을 제공하는 단계;
    소산장(evanescent field) 감지를 위한 적어도 하나의 광학 미세 구조(3)를 상기 기판과 통합하는 단계로서, 상기 적어도 하나의 광학 미세 구조(3)는 상기 기판(2)의 표면(5)의 일부 상에 광학적 상호 작용 영역(4)을 형성하도록 위치 설정되는 단계; 및
    적어도 상기 광학적 상호 작용 영역(4) 위로 얇은 보호층(6)을 제공하는 단계로서, 상기 얇은 보호층(6)은, 상기 소산장 감지에 영향을 미치지 않도록, 부식 보호 특성을 갖는 미리 정해진 재료로 이루어지고 미리 정해진 두께를 갖는,
    임플란트 가능한 광학 센서를 제조하는 방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 보호층(6)은 상기 광학적 상호 작용 영역(4)의 외부 표면에 컨포멀(conformal)하게 제공되는,
    임플란트 가능한 광학 센서를 제조하는 방법
  18. 제16항 또는 제17항에 있어서,
    상기 보호층(6)은 CVD(chemical vapour deposition), PECVD(plasma enhanced chemical vapour deposition), ALD(atomic layer deposition), 스퍼터링 또는 분자 빔 에피택시 부착 기술(molecular beam epitaxy deposition technique)을 이용하여 제공되는,
    임플란트 가능한 광학 센서를 제조하는 방법.
  19. 제16항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 임플란트 가능한 광학 센서는 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 따른 센서인,
    임플란트 가능한 광학 센서를 제조하는 방법.
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