본 논문에서는 고감도 광 바이오 센서를 구현하기 위해 광결정 구조 및 표면 플라즈몬 공명현상을 이용한 나노-포토닉스 기반의 집적 광소자를 제안하였고, 시뮬레이션을 통해 최적의 성능을 창출할 수 있는 구조를 설계하였으며, 이를 제작, 측정 및 분석하였다. 고감도 광바이오센서를 위한 집적광소자들을 집중적으로 연구하였고, 광바이오센서소자의 성능향상을 위한 편광회전기 및 광 다중분할기에 관한 연구를 진행하였다. 첫째로, 표면 플라즈몬 공명 현상을 이용한 고감도 삼각형 링공진기 센서의 구조를 제안하였다. 제안된 구조는 ...
본 논문에서는 고감도 광 바이오 센서를 구현하기 위해 광결정 구조 및 표면 플라즈몬 공명현상을 이용한 나노-포토닉스 기반의 집적 광소자를 제안하였고, 시뮬레이션을 통해 최적의 성능을 창출할 수 있는 구조를 설계하였으며, 이를 제작, 측정 및 분석하였다. 고감도 광바이오센서를 위한 집적광소자들을 집중적으로 연구하였고, 광바이오센서소자의 성능향상을 위한 편광회전기 및 광 다중분할기에 관한 연구를 진행하였다. 첫째로, 표면 플라즈몬 공명 현상을 이용한 고감도 삼각형 링공진기 센서의 구조를 제안하였다. 제안된 구조는 SPR미러 표면과 같은 매우 작은 미러 영역에 민감도를 증가시키는 장점을 지닌다. SPR 특성, 미러 손실, 파워 손실 등을 이론적 계산법에 적용하기 위하여 유한차분 시간영역 해석법 (Finite Difference Time Domain, FDTD)을 이용하여 계산하였다. SPR미러에서의 최적화된 금 박막의 두께, 공명각, 품위값(Q-factor) 등이 FDTD 방법을 통하여 계산되었다. 삼각형 공진기에서 금 박막의 두께가 35 nm 일 때 공명각은 22.92도로 나타난다. 표면 플라즈몬 공명 현상에 의해 품위값은 다소 낮아지지만 민감도는 4.2x104 nm/RIU (refractive indexunit) 로서 기존의 링 공진기 바이오 센서에 비해 매우 향상된 값을 얻을 수 있었다. 또한 본 논문에서 제안된 광결정 결함 모드가 결합된 링공진기 센서를 제안하여, 330 nm/RIU의 높은 민감도와 3.03x10-5의 굴절률 변화까지 측정할수있는 새로운 구조의 광센서소자를 제안하여 기존 광결정 결함 모드 센서에 비해 2배이상 향상된 결과를 얻었다. 마지막으로 전반사 거울 기반의 1차원 광결정 박막 센서와 표면 플라즈몬 공명을 접목시킨 저비용 고감도 광 바이오센서구조를 제안하여, 광결정 구조의 높은 품위값과 표면 플라즈몬 공명의 높은 민감도 특성을 이용하였다. 제안된 구조는 표면 플라즈몬 공명이 적용되지 않은 일반 박막센서에 비해 동일한 유효 굴절률 변화당 위상변화값이 10배이상 증가하여, 6.25x102의 품위값과 380 nm/RIU의 민감도를 도출하였다. 추가적으로 본 논문에서는 광센서소자의 편광에 따른 특성 변화를 고려하여, 원하는 편광으로 광원을 변화시킬수 있는 표면 플라즈몬 공명이 적용된 편광회전기를 설계하였고, 그 크기는 6 μm로 매우 작으며, 98.93 %의 높은 편광 회절률을 가진 소자를 제안하였다. 또한 다중 채널 검출을 위한 광 다중분할기를 2차원 광결정을 이용하여 설계하였고, 2차원 광결정 기반의 광 다중 분할기를 이용하요 전광논리소자로의 응용을 하였다. 제안된 소자는 OR, NOT, NAND, NOR gate의 특성을 하나의 소자로 구현할 수 있고, 기존 광 다중분할기를 이용한 논리소자에 비해 크기가 4.8 μm 과 64 μm 로1/10이하의 초소형 다기능 논리소자의 특성을 지닌다. 집적광학 기반의 광바이오센서의 제작에 있어서, epi. wafer의 근본적 결함으로 인한 동작오류가 있었으나, 반복된 분석과 결과를 토대로 새로운 wafer로 공정이 진행되고 있으며, 빠른 시일내에 좋은 결과를 보일것으로 예상된다.
본 논문에서는 고감도 광 바이오 센서를 구현하기 위해 광결정 구조 및 표면 플라즈몬 공명현상을 이용한 나노-포토닉스 기반의 집적 광소자를 제안하였고, 시뮬레이션을 통해 최적의 성능을 창출할 수 있는 구조를 설계하였으며, 이를 제작, 측정 및 분석하였다. 고감도 광바이오센서를 위한 집적광소자들을 집중적으로 연구하였고, 광바이오센서소자의 성능향상을 위한 편광회전기 및 광 다중분할기에 관한 연구를 진행하였다. 첫째로, 표면 플라즈몬 공명 현상을 이용한 고감도 삼각형 링공진기 센서의 구조를 제안하였다. 제안된 구조는 SPR 미러 표면과 같은 매우 작은 미러 영역에 민감도를 증가시키는 장점을 지닌다. SPR 특성, 미러 손실, 파워 손실 등을 이론적 계산법에 적용하기 위하여 유한차분 시간영역 해석법 (Finite Difference Time Domain, FDTD)을 이용하여 계산하였다. SPR미러에서의 최적화된 금 박막의 두께, 공명각, 품위값(Q-factor) 등이 FDTD 방법을 통하여 계산되었다. 삼각형 공진기에서 금 박막의 두께가 35 nm 일 때 공명각은 22.92도로 나타난다. 표면 플라즈몬 공명 현상에 의해 품위값은 다소 낮아지지만 민감도는 4.2x104 nm/RIU (refractive index unit) 로서 기존의 링 공진기 바이오 센서에 비해 매우 향상된 값을 얻을 수 있었다. 또한 본 논문에서 제안된 광결정 결함 모드가 결합된 링공진기 센서를 제안하여, 330 nm/RIU의 높은 민감도와 3.03x10-5의 굴절률 변화까지 측정할수있는 새로운 구조의 광센서소자를 제안하여 기존 광결정 결함 모드 센서에 비해 2배이상 향상된 결과를 얻었다. 마지막으로 전반사 거울 기반의 1차원 광결정 박막 센서와 표면 플라즈몬 공명을 접목시킨 저비용 고감도 광 바이오센서구조를 제안하여, 광결정 구조의 높은 품위값과 표면 플라즈몬 공명의 높은 민감도 특성을 이용하였다. 제안된 구조는 표면 플라즈몬 공명이 적용되지 않은 일반 박막센서에 비해 동일한 유효 굴절률 변화당 위상변화값이 10배이상 증가하여, 6.25x102의 품위값과 380 nm/RIU의 민감도를 도출하였다. 추가적으로 본 논문에서는 광센서소자의 편광에 따른 특성 변화를 고려하여, 원하는 편광으로 광원을 변화시킬수 있는 표면 플라즈몬 공명이 적용된 편광회전기를 설계하였고, 그 크기는 6 μm로 매우 작으며, 98.93 %의 높은 편광 회절률을 가진 소자를 제안하였다. 또한 다중 채널 검출을 위한 광 다중분할기를 2차원 광결정을 이용하여 설계하였고, 2차원 광결정 기반의 광 다중 분할기를 이용하요 전광논리소자로의 응용을 하였다. 제안된 소자는 OR, NOT, NAND, NOR gate의 특성을 하나의 소자로 구현할 수 있고, 기존 광 다중분할기를 이용한 논리소자에 비해 크기가 4.8 μm 과 64 μm 로1/10이하의 초소형 다기능 논리소자의 특성을 지닌다. 집적광학 기반의 광바이오센서의 제작에 있어서, epi. wafer의 근본적 결함으로 인한 동작오류가 있었으나, 반복된 분석과 결과를 토대로 새로운 wafer로 공정이 진행되고 있으며, 빠른 시일내에 좋은 결과를 보일것으로 예상된다.
Photonic integrated devices using nano-photonics for optical biosensor is explored with the goal of understanding the optical sensing characteristics from theoretical and experimental perspectives. To achieve a high sensitive optical biosensor, we proposed the three kinds of the optical biosensors u...
Photonic integrated devices using nano-photonics for optical biosensor is explored with the goal of understanding the optical sensing characteristics from theoretical and experimental perspectives. To achieve a high sensitive optical biosensor, we proposed the three kinds of the optical biosensors using the nano-photonics techniques as a photonic crystal (PhC) and a surface plasmon resonance (SPR). Firstly, we have optimized an InGaAsP based triangular ring resonator sensor with SPR. This configuration provides good advantages to increase the sensitivity in the extremely small sensing area of the SPR mirror by using drastic phase shift on SPR. By using the finite difference time domain analysis, we have obtained the SPR characteristics, the mirror losses, and the power loss, and applied them to the theoretical resonator calculation. The properties such as the optimum gold thickness in the SPR mirror, resonance angle, and the Q-factor of our proposed sensors are calculated. When the gold thickness in the SPR mirror is 35 nm, the resonance angle is 22.92°. Although the Q-factor is smaller than the previous results because of a power loss on the surface plasmon resonance, the enhanced sensitivity of 4.2x104 nm/RIU (refractive index unit), which is larger than the largest previous value in micro resonator-type biosensors, has been theoretically obtained at the resonance angle. Secondly, a novel biosensor structure, which we refer to as a stadium-shaped ring resonator (SSRR) with a dual photonic crystal micro-cavity (PCM), has been optimized and characterized. This device is comprised of a waveguide with an evanescently coupled defect mode on the side waveguide. The broad filter characteristics and the poor extinction ratio of the single PCM-DC are improved by the dual PCM-SSRR. Also, we confirmed that mutual interference occurs in a narrow position in the dual PCM. When the effective index is changed 10-3, the resonance peak was shifted 0.33 nm, and the output power was changed 1.84 dB at the 1556.9 nm wavelength. Assuming a detectable spectral resolution of 10 picometers, we estimated the refractive index detection limit of this device to be 3.03×10-5. Finally, we have theoretically analyzed and fabricated a 1D PhC sensor with SPR based on the total internal reflection mirror. The proposed sensor has a 6.25 x 102 Q-factor based on the 1D PhC and a 0.38 x 103 nm/RIU sensitivity using SPR-based high sensitivity as the rapid phase variations as 0.4 degree per 10-4 refractive index change. The resonance characteristics of the fabricated 1D PhC structure is observed around 780 nm wavelength as the simulation results. The 1D PhC structure with SPR will be fabricated. In addition, the integrated optical polarization rotator based on the slotted optical waveguide (SOW) with surface plasmon polariton is proposed for the polarization sensitive optical biosensor devices. The ultra-small rotator length of 6 μm is obtained by the plasmonics effect. The polarization conversion effeciency of 98.93 % is observed near the wavelength of 1550 nm along with a propagation loss of -0.08 dB/μm, which is obtained by a thin dielectric buffer layer between the metal and Si waveguide to reduce the propagation loss. Furthermore, a multifunctional all-optical logic gates based on a 2D photonic crystal multimode interference (PC-MMI) with the λ/4-shifted input structure has been proposed and analyzed in the Si material system for the wavelength of 1.55 μm. The device can be operated in four logical functions of OR, NOT, NAND, and NOR gates depending on the proper choice of input and control signals. With the simulation by using the FDTD method, the width and length of the PC-MMI turn out to be 4.8 and 64 μm, respectively. It has 1/10 smaller size than a conventional MMI optical logic devices with large length about 1 mm.
Photonic integrated devices using nano-photonics for optical biosensor is explored with the goal of understanding the optical sensing characteristics from theoretical and experimental perspectives. To achieve a high sensitive optical biosensor, we proposed the three kinds of the optical biosensors using the nano-photonics techniques as a photonic crystal (PhC) and a surface plasmon resonance (SPR). Firstly, we have optimized an InGaAsP based triangular ring resonator sensor with SPR. This configuration provides good advantages to increase the sensitivity in the extremely small sensing area of the SPR mirror by using drastic phase shift on SPR. By using the finite difference time domain analysis, we have obtained the SPR characteristics, the mirror losses, and the power loss, and applied them to the theoretical resonator calculation. The properties such as the optimum gold thickness in the SPR mirror, resonance angle, and the Q-factor of our proposed sensors are calculated. When the gold thickness in the SPR mirror is 35 nm, the resonance angle is 22.92°. Although the Q-factor is smaller than the previous results because of a power loss on the surface plasmon resonance, the enhanced sensitivity of 4.2x104 nm/RIU (refractive index unit), which is larger than the largest previous value in micro resonator-type biosensors, has been theoretically obtained at the resonance angle. Secondly, a novel biosensor structure, which we refer to as a stadium-shaped ring resonator (SSRR) with a dual photonic crystal micro-cavity (PCM), has been optimized and characterized. This device is comprised of a waveguide with an evanescently coupled defect mode on the side waveguide. The broad filter characteristics and the poor extinction ratio of the single PCM-DC are improved by the dual PCM-SSRR. Also, we confirmed that mutual interference occurs in a narrow position in the dual PCM. When the effective index is changed 10-3, the resonance peak was shifted 0.33 nm, and the output power was changed 1.84 dB at the 1556.9 nm wavelength. Assuming a detectable spectral resolution of 10 picometers, we estimated the refractive index detection limit of this device to be 3.03×10-5. Finally, we have theoretically analyzed and fabricated a 1D PhC sensor with SPR based on the total internal reflection mirror. The proposed sensor has a 6.25 x 102 Q-factor based on the 1D PhC and a 0.38 x 103 nm/RIU sensitivity using SPR-based high sensitivity as the rapid phase variations as 0.4 degree per 10-4 refractive index change. The resonance characteristics of the fabricated 1D PhC structure is observed around 780 nm wavelength as the simulation results. The 1D PhC structure with SPR will be fabricated. In addition, the integrated optical polarization rotator based on the slotted optical waveguide (SOW) with surface plasmon polariton is proposed for the polarization sensitive optical biosensor devices. The ultra-small rotator length of 6 μm is obtained by the plasmonics effect. The polarization conversion effeciency of 98.93 % is observed near the wavelength of 1550 nm along with a propagation loss of -0.08 dB/μm, which is obtained by a thin dielectric buffer layer between the metal and Si waveguide to reduce the propagation loss. Furthermore, a multifunctional all-optical logic gates based on a 2D photonic crystal multimode interference (PC-MMI) with the λ/4-shifted input structure has been proposed and analyzed in the Si material system for the wavelength of 1.55 μm. The device can be operated in four logical functions of OR, NOT, NAND, and NOR gates depending on the proper choice of input and control signals. With the simulation by using the FDTD method, the width and length of the PC-MMI turn out to be 4.8 and 64 μm, respectively. It has 1/10 smaller size than a conventional MMI optical logic devices with large length about 1 mm.
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