최근 휴대용 건강진단 및 미세 먼지 센서를 위한 다양한 센서가 연구되고 있다. 그 중, 집적 광학 센서는 높은 품위값, 소형화와 라벨 프리 방식을 사용하는 장점이 있습니다. 집적 광학 센서는 Surface Plasmon Resonance(SPR) 현상, Localized SPR 현상, 공진 특성, ...
최근 휴대용 건강진단 및 미세 먼지 센서를 위한 다양한 센서가 연구되고 있다. 그 중, 집적 광학 센서는 높은 품위값, 소형화와 라벨 프리 방식을 사용하는 장점이 있습니다. 집적 광학 센서는 Surface Plasmon Resonance(SPR) 현상, Localized SPR 현상, 공진 특성, 간섭계 등 다양한 광학 특성을 사용합니다. 이 광학 센서의 구동 원리는 감지 영역에서 반응이 일어날 때, 유효굴절률이 변하게 되고 이는 공진 파장 변이를 유발합니다. 이러한 공진 파장 변이를 측정함으로써 센서로 쓰일 수 있다. 기존의 집적 광학 센서는 단일모드 도파관 기반 공진기가 연구되었지만, 나노 스케일 구조의 높은 제조 비용은 대량 생산성에 제한이 있다. 이 문제를 해결하기 위해, 마이크로 스케일의 다중모드 도파관 기반의 S-bend 공진기를 설계했다. 일반적으로, 다중모드 도파관은 모달 분산과 출력단 에서의 다중 피크로 인해 성능저하가 발생하여 광 공진기로 사용될 수 없었다. 따라서, 굽힘 손실을 이용한 모드분리 현상을 사용하여, S-bend 공진기의 다중 피크를 제거하였다. 이 현상은 고차모드와 기본모드 사이의 유효굴절률 차이를 이용하여 고차모드를 효율적으로 제거하는 현상이다. S-bend 공진기는 다중모드 도파관, 다중모드 간섭계 커플러 및 다수의 반원으로 구성된다. 다중모드 도파관은 높이 3, 폭 2 μm로 설계하였다. 다중모드 간섭계는 3dB비율에서 손실이 가장 적기 때문에 3dB 커플러로 설계하였다. 반원의 수는 S-bend 공진기의 층(N)을 결정하는 요소이다. 따라서, 모드분리 현상을 효과적으로 적용하기 위해 N값을 가변적으로 설정했다. 결과적으로, 반원의 반지름이 각각 10.5와 10 μm 일 때, 품위값은 2.7×103¬ 및 3.3×103, 민감도는 61 및 52 nm/RIU의 값에 도달할 수 있었다. 이러한 결과는 단일모드 도파관 기반의 공진기의 성능이 다중모드 도파관 기반의 공진기에서 나올수 있음을 보여준다. 따라서, 다중모드 도파관 기반의 공진기는 굴절률 센서에 호환 가능함을 보여준다.
최근 휴대용 건강진단 및 미세 먼지 센서를 위한 다양한 센서가 연구되고 있다. 그 중, 집적 광학 센서는 높은 품위값, 소형화와 라벨 프리 방식을 사용하는 장점이 있습니다. 집적 광학 센서는 Surface Plasmon Resonance(SPR) 현상, Localized SPR 현상, 공진 특성, 간섭계 등 다양한 광학 특성을 사용합니다. 이 광학 센서의 구동 원리는 감지 영역에서 반응이 일어날 때, 유효굴절률이 변하게 되고 이는 공진 파장 변이를 유발합니다. 이러한 공진 파장 변이를 측정함으로써 센서로 쓰일 수 있다. 기존의 집적 광학 센서는 단일모드 도파관 기반 공진기가 연구되었지만, 나노 스케일 구조의 높은 제조 비용은 대량 생산성에 제한이 있다. 이 문제를 해결하기 위해, 마이크로 스케일의 다중모드 도파관 기반의 S-bend 공진기를 설계했다. 일반적으로, 다중모드 도파관은 모달 분산과 출력단 에서의 다중 피크로 인해 성능저하가 발생하여 광 공진기로 사용될 수 없었다. 따라서, 굽힘 손실을 이용한 모드분리 현상을 사용하여, S-bend 공진기의 다중 피크를 제거하였다. 이 현상은 고차모드와 기본모드 사이의 유효굴절률 차이를 이용하여 고차모드를 효율적으로 제거하는 현상이다. S-bend 공진기는 다중모드 도파관, 다중모드 간섭계 커플러 및 다수의 반원으로 구성된다. 다중모드 도파관은 높이 3, 폭 2 μm로 설계하였다. 다중모드 간섭계는 3dB비율에서 손실이 가장 적기 때문에 3dB 커플러로 설계하였다. 반원의 수는 S-bend 공진기의 층(N)을 결정하는 요소이다. 따라서, 모드분리 현상을 효과적으로 적용하기 위해 N값을 가변적으로 설정했다. 결과적으로, 반원의 반지름이 각각 10.5와 10 μm 일 때, 품위값은 2.7×103¬ 및 3.3×103, 민감도는 61 및 52 nm/RIU의 값에 도달할 수 있었다. 이러한 결과는 단일모드 도파관 기반의 공진기의 성능이 다중모드 도파관 기반의 공진기에서 나올수 있음을 보여준다. 따라서, 다중모드 도파관 기반의 공진기는 굴절률 센서에 호환 가능함을 보여준다.
Recently, various sensing methods for portable medical examination and fine dust detection have been studied. Among them, integrated optical sensors have the advantages of the high-quality factor, small size, and label-free method. The integrated optical sensors use various optical characteristics s...
Recently, various sensing methods for portable medical examination and fine dust detection have been studied. Among them, integrated optical sensors have the advantages of the high-quality factor, small size, and label-free method. The integrated optical sensors use various optical characteristics such as SPR ( surface plasmon resonance ) phenomenon, LSPR ( localized SPR ) phenomenon, resonance characteristics, interference characteristics. The driving principle of this optical sensor is that the effective refractive index changes and the resonance conditions change when the object reacts in the detection area. According to these changes, the resonance wavelength can be shifted and sensed by measuring the resonance wavelength according to the external condition change. Conventional optical resonators have been studied for single-mode waveguide-based resonator to improve performance, but the high manufacturing costs of nano-scale structures limit the mass production. To overcome this problem, we designed an S-bend resonator based on a micro-scale multimode waveguide. In general, multimode waveguides cannot be used as optical resonators due to the performance degradation owing to modal dispersion and output transmission through multi-peaks. Therefore, using the mode discrimination with bending loss, the S-bend resonator performed output transmission without multi-peaks. This phenomenon is used to efficiently remove higher-order modes by using the effective refractive index difference between the higher-order mode and the fundamental mode. In this paper, the S-bend resonator consists of a multimode waveguide, a multimode interference ( MMI ) coupler, and a number of semi-circles. The multimode waveguide is designed with a height of 3 and a width of 2 μm. Also, the MMI coupler is designed as a 3-dB coupler because it is the least loss at 3-dB ratio. The number of semi-circles determines the layer (N) of the S-bend resonator. So, the value of N is set variably to effectively apply the mode discrimination phenomenon. As a results, when the radii were 10.5 and 10 μm, respectively, FSR could reach 3.01 and 3.1 nm, Q-factor to 3.3×103 and 2.7×103, sensitivity to 61 and 52 nm/RIU, extinction ratio to 6.9 and 9.7 dB. These results show that single-mode waveguide-based resonator performance can be achieved in multi-mode waveguide-based resonators. Based on these results, the multi-mode waveguide-based resonator can exhibit the performance of the single-mode waveguide-based resonator. Also, it shows that the S-bend resonator can be used as refractive index sensor.
Recently, various sensing methods for portable medical examination and fine dust detection have been studied. Among them, integrated optical sensors have the advantages of the high-quality factor, small size, and label-free method. The integrated optical sensors use various optical characteristics such as SPR ( surface plasmon resonance ) phenomenon, LSPR ( localized SPR ) phenomenon, resonance characteristics, interference characteristics. The driving principle of this optical sensor is that the effective refractive index changes and the resonance conditions change when the object reacts in the detection area. According to these changes, the resonance wavelength can be shifted and sensed by measuring the resonance wavelength according to the external condition change. Conventional optical resonators have been studied for single-mode waveguide-based resonator to improve performance, but the high manufacturing costs of nano-scale structures limit the mass production. To overcome this problem, we designed an S-bend resonator based on a micro-scale multimode waveguide. In general, multimode waveguides cannot be used as optical resonators due to the performance degradation owing to modal dispersion and output transmission through multi-peaks. Therefore, using the mode discrimination with bending loss, the S-bend resonator performed output transmission without multi-peaks. This phenomenon is used to efficiently remove higher-order modes by using the effective refractive index difference between the higher-order mode and the fundamental mode. In this paper, the S-bend resonator consists of a multimode waveguide, a multimode interference ( MMI ) coupler, and a number of semi-circles. The multimode waveguide is designed with a height of 3 and a width of 2 μm. Also, the MMI coupler is designed as a 3-dB coupler because it is the least loss at 3-dB ratio. The number of semi-circles determines the layer (N) of the S-bend resonator. So, the value of N is set variably to effectively apply the mode discrimination phenomenon. As a results, when the radii were 10.5 and 10 μm, respectively, FSR could reach 3.01 and 3.1 nm, Q-factor to 3.3×103 and 2.7×103, sensitivity to 61 and 52 nm/RIU, extinction ratio to 6.9 and 9.7 dB. These results show that single-mode waveguide-based resonator performance can be achieved in multi-mode waveguide-based resonators. Based on these results, the multi-mode waveguide-based resonator can exhibit the performance of the single-mode waveguide-based resonator. Also, it shows that the S-bend resonator can be used as refractive index sensor.
Keyword
#Integrated optical sensor Refractive index sensor S-bend resonator mode discrimination multi-mode waveguide 집적 광학 센서 굴절률 센서 S-bend 공진기 모드분리 현상 다중모드 도파관
학위논문 정보
저자
김도현
학위수여기관
중앙대학교 대학원
학위구분
국내석사
학과
전자전기공학과 전파 및 광파전공
지도교수
최영완,최우준
발행연도
2020
총페이지
ix, 50장
키워드
Integrated optical sensor Refractive index sensor S-bend resonator mode discrimination multi-mode waveguide 집적 광학 센서 굴절률 센서 S-bend 공진기 모드분리 현상 다중모드 도파관
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