KR102459863B1 - Integrated-Optic Biosensor Structure Based on the Evanescent-Field and Two-Mode Power Coupling of Silicon Nitride Rib-Optical Waveguide - Google Patents

Integrated-Optic Biosensor Structure Based on the Evanescent-Field and Two-Mode Power Coupling of Silicon Nitride Rib-Optical Waveguide Download PDF

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Abstract

본 발명 실리콘 나이트라이드(Si3N4) 립-광도파로 기반으로 두-모드 광 파워 결합과 소산파를 이용하여 바이오 물질의 종류와 농도를 감지할 수 있는 집적광학 바이오센서 구조에 관한 것이다.
본 발명에 따른 바이오센서 구조는 기판(100)의 상부에 형성되는 하부 클래딩(200)과, 상기 하부 클래딩(200)의 상부에 형성되는 코어(300)와, 상기 코어(300)의 상부에 형성되어 진단 대상인 바이오물질이 배치되는 상부 클래딩(400)을 포함하는 바이오센서 구조에 있어서, 상기 코어(300)의 상부에는 소산파 형성을 위한 립-광도파로(350)가 돌출 형성되되, 상기 립-광도파로(350)는 광이 입력되는 단일모드 립-광도파로(351)와, 상기 단일모드 립-광도파로(351)에 연장되어 폭이 단일모드 립-광도파로(351)에 비해 상대적으로 넓게 형성되는 두-모드 립-광도파로(352)와, 상기 두-모드 립-광도파로(352)에서 두 갈래로 갈라져 연장되어 광이 출력되는 두-출력 립-광도파로(353)를 포함하여 이루어져, 바이오물질에 대하여 고감도로 빠르고 정확하게 임상 진단을 수행할 수 있도록 제공된다.The present invention relates to an integrated optical biosensor structure capable of detecting the type and concentration of a biomaterial using a two-mode optical power coupling and an evanescent wave based on a silicon nitride (Si 3 N 4 ) rib-optical waveguide.
The biosensor structure according to the present invention includes a lower cladding 200 formed on an upper portion of a substrate 100 , a core 300 formed on an upper portion of the lower cladding 200 , and an upper portion of the core 300 . In the biosensor structure including an upper cladding 400 on which a biomaterial to be diagnosed is disposed, a lip-optical waveguide 350 for forming an evanescent wave is formed protruding from the upper portion of the core 300, the rib- The optical waveguide 350 has a relatively wider width than the single-mode rib-optical waveguide 351 to which light is input, and the single-mode rib-optical waveguide 351 , extending to the single-mode rib-optical waveguide 351 . The two-mode rib-optical waveguide 352 is formed, and the two-mode rib-optical waveguide 352 is bifurcated and extended to include a two-output rib-optical waveguide 353 for outputting light. , it is provided to quickly and accurately perform clinical diagnosis with high sensitivity for biomaterials.

Description

실리콘 나이트라이드 립-광도파로의 두-모드 파워결합과 소산파 기반 집적광학 바이오센서 구조 {Integrated-Optic Biosensor Structure Based on the Evanescent-Field and Two-Mode Power Coupling of Silicon Nitride Rib-Optical Waveguide}{Integrated-Optic Biosensor Structure Based on the Evanescent-Field and Two-Mode Power Coupling of Silicon Nitride Rib-Optical Waveguide}

본 발명은 소산파 기반 집적광학 바이오센서 구조에 관한 것으로, 특히 실리콘 나이트라이드(Si3N4) 립-광도파로 기반으로 두-모드 광 파워 결합과 소산파를 이용하여 바이오 물질의 종류와 농도를 감지할 수 있는 집적광학 바이오센서 구조에 관한 것이다. The present invention relates to an evanescent wave-based integrated optical biosensor structure, and in particular, silicon nitride (Si 3 N 4 ) rib-based optical waveguide-based two-mode optical power coupling and evanescent wave to determine the type and concentration of biomaterials. It relates to an integrated optical biosensor structure capable of sensing.

환자 질병의 진단과 치료, 경과 및 예후 등을 판정하기 위하여 임상 진단 검사를 실시하게 되는데, 이러한 임상 진단은 환자의 혈액이나 소변, 대변 또는 몸의 조직 일부를 조사하거나 뇌파, 심전도 측정 등을 통하여 이루어지게 된다. 하지만, 이러한 종래 대부분의 임상 진단 검사는 절차가 복잡하고, 특수 훈련을 받은 직원이 운영하는 정교한 장비가 필요하기 때문에 많은 비용이 소요된다. 더욱이 이러한 테스트에는 종종 측정할 대상인 바이오 물질에 형광 또는 화학적 발광 마커를 부착하는 시간 소모적인 레이블링(labelling) 과정이 요구되고 있어 임상 진단 과정이 복잡하고 시간이 많이 소요되는 문제점이 있었다. Clinical diagnostic tests are carried out to determine the diagnosis, treatment, progress and prognosis of a patient's disease. Such clinical diagnosis is made by examining the patient's blood, urine, feces, or part of body tissue, or by measuring EEG or electrocardiogram. will lose However, most of these conventional clinical diagnostic tests are expensive because their procedures are complicated and require sophisticated equipment operated by specially trained staff. Moreover, such tests often require a time-consuming labeling process for attaching a fluorescent or chemiluminescent marker to a biomaterial to be measured, making the clinical diagnosis process complicated and time-consuming.

한편, 근래에는 생물의 효소나 항체가 특정한 물질에 반응하는 것을 이용하여 물질이 갖는 성질을 조사하는 바이오센서가 임상 진단에 이용되고 있다. 하지만, 종래 임상 진단을 위해 사용되는 바이오센서는 제작이 복잡하고 정밀도가 떨어지는 한계점이 있었다. On the other hand, in recent years, a biosensor for examining the properties of a substance by using an enzyme or an antibody of an organism to react with a specific substance is used for clinical diagnosis. However, conventional biosensors used for clinical diagnosis have limitations in that they are complicated to manufacture and have poor precision.

대한민국 등록특허공보 제10-1946456호 (2019.01.31. 등록)Republic of Korea Patent Publication No. 10-1946456 (registered on Jan. 31, 2019) 대한민국 등록특허공보 제10-1025723호 (2011.03.23. 등록)Republic of Korea Patent Publication No. 10-1025723 (Registered on March 23, 2011)

본 발명은 종래 임상 진단용 바이오센서의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 본 발명의 목적은 임상 진단 검사시 레이블링 과정이 필요 없고, 좁은 장치 공간에서 빠르고 정확한 측정이 가능하도록 하는 바이오센서 구조를 제공하는 데 있다. The present invention has been proposed to solve the problems of the conventional biosensor for clinical diagnosis, and an object of the present invention is to provide a biosensor structure that does not require a labeling process during clinical diagnostic examination and enables fast and accurate measurement in a narrow device space. there is

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 바이오센서 구조는 기판의 상부에 형성되는 하부 클래딩과, 상기 하부 클래딩의 상부에 형성되는 코어와, 상기 코어의 상부에 형성되어 진단 대상인 바이오물질이 배치되는 상부 클래딩을 포함하는 바이오센서 구조에 있어서, 상기 코어의 상부에는 소산파 형성을 위한 립-광도파로가 돌출 형성되되, 상기 립-광도파로는 광이 입력되는 단일모드 립-광도파로와, 상기 단일모드 립-광도파로에 연장되어 폭이 단일모드 립-광도파로에 비해 상대적으로 넓게 형성되는 두-모드 립-광도파로와, 상기 두-모드 립-광도파로에서 두 갈래로 갈라져 연장되어 광이 출력되는 두-출력 립-광도파로를 포함한다.The biosensor structure according to the present invention for achieving the above object includes a lower cladding formed on an upper portion of a substrate, a core formed on the upper portion of the lower cladding, and an upper portion formed on the core and on which a biomaterial to be diagnosed is disposed. In the biosensor structure including a cladding, a rib-optical waveguide for forming an evanescent wave is formed to protrude above the core, and the rib-optical waveguide includes a single-mode rib-optical waveguide through which light is input; A two-mode rib-optical waveguide extending in the rib-optical waveguide and having a relatively wider width than that of a single-mode rib-optical waveguide, and the two-mode rib-optical waveguide split into two branches and extended to output light Includes two-output rib-optical waveguides.

여기서, 상기 바이오물질은 두-모드 립-광도파로의 상부에 배치되도록 상부 클래딩에 삽입되는 마이크로 유체관에 주입되어, 두-모드 립-광도파로의 상부에 배치된다.Here, the biomaterial is injected into the microfluidic tube inserted into the upper cladding so as to be disposed on the upper portion of the two-mode rib-optical waveguide, and is disposed on the upper portion of the two-mode rib-optical waveguide.

상기 립-광도파로에는 두 개의 모드(TE00, TE01)가 도파되되, 상기 두-모드 립-광도파로 영역에서 모드 결합이 일어나 두-모드 간에 광파워가 주기적으로 이동하는 광 파워 결합이 발생한다. Two modes TE00 and TE01 are guided in the rib-optical waveguide, but mode coupling occurs in the two-mode rib-optical waveguide region, and optical power coupling occurs in which optical power periodically moves between the two-modes.

이때, 상기 두-모드 립-광도파로 영역에서 발생하는 모드 결합 주기는 두 모드의 유효굴절률에 의해 결정되어 두-출력 립-광도파로의 두 출력 광파워를 변화시키며, 상기 두-모드의 유효굴절률은 두-모드 립-광도파로의 상부에 배치된 바이오물질의 굴절률에 의해 결정된다. In this case, the mode coupling period occurring in the two-mode rib-optical waveguide region is determined by the effective refractive index of the two modes to change the two output optical powers of the two-output rib-optical waveguide, and the effective refractive index of the two-mode rib-optical waveguide is changed. is determined by the refractive index of the biomaterial disposed on top of the two-mode rib-optical waveguide.

한편, 상기 코어 및 립-광도파로는 실리콘 나이트라이드(Si3N4) 물질로 이루어지고, 상기 상부 클래딩 및 하부 클래딩은 실리콘 다이옥사이드(SiO2) 물질로 이루어지는 것이 바람직하다. Meanwhile, the core and the lip-optical waveguide are made of a silicon nitride (Si 3 N 4 ) material, and the upper cladding and the lower cladding are preferably made of a silicon dioxide (SiO 2 ) material.

상기 립-광도파로의 단일모드 립-광도파로는 립-폭이 2㎛이고, 상기 두-모드 립-광도파로는 립-폭은 4㎛로 형성된다. The single-mode rib-optical waveguide of the rib-optical waveguide has a rib-width of 2 μm, and the two-mode rib-optical waveguide has a rib-width of 4 μm.

또한, 상기 단일모드 립-광도파로와 두-모드 립-광도파로는 립-깊이가 5㎚이고, 상기 두-출력 립-광도파로는 립-폭이 각각 2㎛이고, 광이 출력되는 두-출력 포트는 6㎛ 거리로 이격된다. In addition, the single-mode rib-optical waveguide and the two-mode rib-optical waveguide have a lip-depth of 5 nm, the two-output rib-optical waveguide has a rib-width of 2 μm, respectively, and the two- The output ports are spaced at a distance of 6 μm.

뿐만 아니라, 상기 립-광도파로에 입사되는 광 파장이 0.63㎛ 인 것이 바람직하다.In addition, it is preferable that the wavelength of light incident on the rib-optical waveguide is 0.63 μm.

본 발명에 따른 바이오센서 구조는 실리콘 나이트라이드 립-광도파로의 두-모드 파워결합과 소산파 기반으로 임상 진단 검사를 수행함으로써, 생체 분자들을 측정할 경우 고감도로 빠르고 정확하게 온라인 측정이 가능하며, 단일 칩에서 많은 수의 바이오센서들을 집적화시켜 높은 수준의 통합 및 병렬 측정을 가능하게 하는 효과가 있다.The biosensor structure according to the present invention enables fast and accurate online measurement with high sensitivity when measuring biomolecules by performing a clinical diagnostic test based on the two-mode power coupling of silicon nitride lip-optical waveguide and evanescent wave. By integrating a large number of biosensors in a chip, it has the effect of enabling high-level integration and parallel measurement.

도 1은 본 발명에 따른 집적광학 바이오센서 광도파로 구조에서 발생하는 소산파 개념도,
도 2는 본 발명에 따른 바이오센서 립 광도파관의 립 광도파로 구조도,
도 3은 도 2의 A-A' 단면도,
도 4는 도 2의 B-B' 단면도,
도 5는 본 발명에 따른 단일모드 립-광도파로와 두-모드 립-광도파로에 대한 전산해석 그래프 일례,
도 6은 본 발명에 따른 FIMMPROP 소프트웨어를 이용한 전산해석에 적용된 바이오센서의 레이아웃 구조도,
도 7은 본 발명에 따른 주기적인 두-모드 결합을 통해 두-모드 간에 주기적인 광파워 이동이 일어나는 일례,
도 8과 도 9는 본 발명에 따른 바이오물질의 굴절률이 다른 경우 출력 포트가 변경되는 일례,
도 10과 도 11은 본 발명에 따른 바이오물질의 굴절률 변화에 따른 두 출력포트의 광파워에 대한 전산해석 일례,
도 12는 도 10에서의 (Pout2- Pout1)를 계산한 결과,
도 13은 도 11에서의 (Pout2- Pout1)를 계산한 결과,
도 14는 도 12에 대한 1차 미분에 해당되는 기울기인 감지도,
도 15는 도 13에 대한 1차 미분에 해당되는 기울기인 감지도를 나타낸 것이다. 1 is a conceptual diagram of an evanescent wave generated in an integrated optical biosensor optical waveguide structure according to the present invention;
2 is a structural diagram of a rib optical waveguide of a biosensor rib optical waveguide according to the present invention;
Figure 3 is a cross-sectional view AA' of Figure 2,
Figure 4 is a cross-sectional view BB' of Figure 2,
5 is an example of a computational analysis graph for a single-mode rib-optical waveguide and a two-mode rib-optical waveguide according to the present invention;
6 is a layout structure diagram of a biosensor applied to computational analysis using FIMMPROP software according to the present invention;
7 is an example in which periodic optical power transfer occurs between two-modes through periodic two-mode coupling according to the present invention;
8 and 9 are an example in which the output port is changed when the refractive index of the biomaterial according to the present invention is different;
10 and 11 are examples of computational analysis of the optical power of two output ports according to the change in the refractive index of the biomaterial according to the present invention;
12 is a result of calculating (Pout2-Pout1) in FIG. 10,
13 is a result of calculating (Pout2-Pout1) in FIG. 11,
14 is a sensitivity diagram that is a slope corresponding to the first derivative with respect to FIG. 12;
FIG. 15 shows a sensitivity that is a slope corresponding to the first derivative with respect to FIG. 13 .

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명하기로 한다. Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 집적광학 바이오센서 광도파로 구조에서 발생하는 소산파 개념을 나타낸 것이다. 1 illustrates the concept of an evanescent wave generated in an optical waveguide structure of an integrated optical biosensor according to an embodiment of the present invention.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 바이오센서의 광도파로는 기본적으로 상부 클래딩(400)과 코어(300) 및 하부 클래딩(200)을 포함하는데, 광도파로에 입사된 광파의 대부분이 코어(300)를 따라 진행되며, 광파의 매우 작은 일부분이 상부 클래딩(400) 및 하부 클래딩(200) 영역에 나타나는데, 이러한 광파를 소산파(evanescent wave)라 한다. 1, the optical waveguide of the biosensor according to the present invention basically includes an upper cladding 400, a core 300, and a lower cladding 200, and most of the light waves incident on the optical waveguide are the core. Proceeding along (300), a very small portion of the light wave appears in the upper cladding 400 and lower cladding 200 regions, and this light wave is referred to as an evanescent wave.

상기 상부 클래딩(400)에는 마이크로 유체관(microfludics)(401)을 통해 임상 진단 대상인 바이오물질(BM)이 주입되는데, 소산파 집적광학 바이오센서는 상부 클래딩(400)에 존재하는 소산파와 표적 분자물질인 바이오물질(BM)이 상호작용을 하는 경우, 코어(300)를 따라 진행하고 있는 광파의 유효굴절률(effective refractive index)이 영향을 받게 되며, 이로 인해 출력되는 광파의 위상(phase), 세기(intensity) 등이 궁극적으로 변하게 된다. A biomaterial (BM), which is a clinical diagnosis target, is injected into the upper cladding 400 through microfludics 401 , and the evanescent wave integrated optical biosensor includes an evanescent wave and a target molecular material present in the upper cladding 400 . When the biomaterial (BM) interacts, the effective refractive index of the light wave traveling along the core 300 is affected, and as a result, the phase, intensity ( intensity) will eventually change.

한편, 본 발명에서는 광도파로에 두 개의 모드(TE00, TE01)만 도파되도록 설계되었는데, 여기에서 TE00은 기본모드가 되고 TE01은 제 1 고차모드가 된다. 본 발명에서 명칭되는 "모드"는 광도파로를 손실 없이 진행되는 광파를 의미하는데, 유효굴절률 가장 높고 손실이 가장 적은 모드를 기본모드(TE00), 그 다음 모드를 제 1 고차모드(TE01)라 한다. 이 두 모드 간에는 광파워를 상호 주고받는 광 파워 결합이 발생하게 되는데, 이때 광 파워 결합 주기는 각 모드의 유효굴절률에 의해서 결정되고, 이 유효굴절률은 각 모드의 소산파를 통해서 상부 클래딩(400)의 굴절률에 의해서 결정된다. 따라서 마이크로 유체관(401)을 통해서 상부 클래딩(400) 층으로 바이오물질(BM)을 주입하면, 이로 인해 모드 간 결합 주기가 변경되며, 궁극적으로는 두 출력단 중에서 한쪽 출력단의 광파워가 증가되고 다른 한쪽 광파워는 감소하게 된다. 따라서, 두 출력 광파워의 변화를 이용할 경우 마이크로 유체관(401)을 통해서 주입되는 바이오물질(BM)의 종류 및 분량을 진단할 수 있는 바이오센서가 구현되게 된다. Meanwhile, in the present invention, only two modes (TE00 and TE01) are designed to be guided in the optical waveguide, where TE00 is the basic mode and TE01 is the first higher-order mode. The term "mode" in the present invention means a light wave that travels through the optical waveguide without loss. . Optical power coupling occurs in which optical power is exchanged between these two modes. At this time, the optical power coupling period is determined by the effective refractive index of each mode, and this effective refractive index is determined by the evanescent wave of each mode. is determined by the refractive index of Therefore, when the biomaterial (BM) is injected into the upper cladding 400 layer through the microfluidic tube 401, the coupling period between the modes is changed. One optical power is decreased. Accordingly, a biosensor capable of diagnosing the type and amount of the biomaterial (BM) injected through the microfluidic tube 401 is implemented by using the change in the two output optical powers.

도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 바이오센서 립 광도파관의 립 광도파로 구조도를 나타낸 것이다. 2 is a structural diagram of a rib optical waveguide of a biosensor rib optical waveguide according to an embodiment of the present invention.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에서는 바이오센서에 소산파가 상하부 클래딩(400)(200)에 비교적 크게 나타나는 립(rib) 형태의 광도파로를 구현하였다. 즉, 본 발명에 따른 바이오센서는 코어(300) 상부에 립-광도파로(350)가 돌출되어 일체로 형성되는데, 이 립-광도파로(350)는 광이 입력되는 단일모드 립-광도파로(351)와, 이 단일모드 립-광도파로(351)에서 연장되는 두-모드 립-광도파로(352)와, 두-모드 립-광도파로(352)에서 두 갈래로 갈라져 연장되어 광이 출력되는 두-출력 립-광도파로(353)를 포함한다. 이때, 두-모드 립-광도파로(352)의 립-폭은 단일모드 립-광도파로(351)에 비해 상대적으로 넓게 형성되어 모드 결합에 따른 광 파워 결합이 이루어질 수 있도록 구성된다. As shown in FIG. 2 , in the present invention, a rib-shaped optical waveguide in which an evanescent wave appears relatively large in the upper and lower claddings 400 and 200 is implemented in the biosensor. That is, the biosensor according to the present invention is integrally formed with a rib-optical waveguide 350 protruding from the upper portion of the core 300, and the rib-optical waveguide 350 is a single-mode rib-optical waveguide ( 351), a two-mode rib-optical waveguide 352 extending from the single-mode rib-optical waveguide 351, and bifurcated and extended from the two-mode rib-optical waveguide 352 to output light It includes a two-output rib-optical waveguide 353 . In this case, the rib-width of the two-mode rib-optical waveguide 352 is relatively wider than that of the single-mode rib-optical waveguide 351 , so that optical power coupling according to mode coupling can be achieved.

한편, 본 발명에서는 고 굴절률-차(High Index Contrast, HIC) 립-광도파로를 구현하기 위해, 표준 반도체 공정 라인과의 호환(compatibility), 가시광선 영역에서의 높은 투과성, 저 손실, 낮은 흡수성 그리고 고-굴절률-차 특성을 보이는 실리콘 나이트라이드(Si3N4) 물질로 코어(300) 및 립-광도파로(350)를 형성하고, 실리콘 다이옥사이드(SiO2) 물질로 상부 클래딩(400) 및 하부 클래딩(200)을 형성하였다. 또한, 하부 기판(substrate)(100)으로는 실리콘(Si)이 채택되었다. 이에 따라, 실리콘(Si) 기판(100)의 굴절률(ns)은 3.4, 실리콘 다이옥사이드(SiO2)로 형성된 상부 클래딩(400) 및 하부 클래딩(200)의 굴절률(n3, n2)은 1.46, 실리콘 나이트라이드(Si3N4)로 형성된 코어(300)층의 굴절률(n1)은 2.0을 갖게 된다. On the other hand, in the present invention, in order to realize a high index contrast (HIC) rib-optical waveguide, compatibility with a standard semiconductor process line, high transmittance in the visible region, low loss, low absorption, and Silicon nitride (Si 3 N 4 ) showing high-refractive-index-difference characteristics The core 300 and the rib-optical waveguide 350 were formed of a material, and the upper cladding 400 and the lower cladding 200 were formed of a silicon dioxide (SiO 2 ) material. In addition, silicon (Si) is adopted as the lower substrate 100 . Accordingly, the refractive index (ns) of the silicon (Si) substrate 100 is 3.4, the refractive index (n3, n2) of the upper cladding 400 and the lower cladding 200 formed of silicon dioxide (SiO 2 ) is 1.46, silicon nitride The refractive index n1 of the core 300 layer formed of the Ride (Si 3 N 4 ) is 2.0.

상기 상부 클래딩(400)에는 바이오물질(BM)이 배치되어 바이오센서에 의해 분석될 수 있도록 하는데, 본 발명에서는 바이오물질(BM)을 상부 클래딩(400)에 배치하기 위해 마이크로 유체관(microfludics)(401)을 이용하였다. 즉, 본 발명에서는 실리콘 다이옥사이드(SiO2) 물질로 제작된 상부 클래딩(400)에서, 두-모드 립-광도파로(352)의 상부에 위치하는 실리콘 다이옥사이드(SiO2)를 식각하여 제거한 후, 실리콘 다이옥사이드(SiO2)이 제거된 위치에 바이오물질 주입구(BM in)와 배출구(BM out)가 형성된 마이크로 유체관(401)을 배치하였다. 이에 따라, 진단 대상인 바이오물질(BM)을 마이크로 유체관(401)에 주입하고, 코어(300) 및 립-광도파로(350)에 광을 입사하면, 바이오물질(BM)에 따라 두-모드 립-광도파로(352)에서 모드 결합에 따른 광 파워 결합이 이루어져 두-모드 립-광도파로(353)를 통하여 출력되게 된다. A biomaterial (BM) is disposed on the upper cladding 400 to be analyzed by a biosensor, and in the present invention, microfluidics (microfludics) ( 401) was used. That is, in the present invention, in the upper cladding 400 made of a silicon dioxide (SiO 2 ) material, the silicon dioxide (SiO 2 ) positioned on the two-mode rib-optical waveguide 352 is removed by etching and then silicon A microfluidic tube 401 having a biomaterial inlet (BM in) and an outlet port (BM out) was disposed at the position where the dioxide (SiO 2 ) was removed. Accordingly, when the biomaterial (BM) to be diagnosed is injected into the microfluidic tube 401 and light is incident on the core 300 and the lip-optical waveguide 350, the two-mode lip according to the biomaterial BM - In the optical waveguide 352 , optical power coupling is performed according to mode coupling, and the two-mode rib-optical waveguide 353 is outputted.

한편, 본 발명에 따른 바이오센서의 립-광도파로(350)에서 도파 모드의 개수, 종류 등은 입사 광파의 파장(wavelength), 코어-두께(thickness), 립-폭(width), 립-깊이(depth) 등에 의해서 전적으로 결정된다. On the other hand, in the rib-optical waveguide 350 of the biosensor according to the present invention, the number and type of waveguide modes are the wavelength, core-thickness, rib-width, and lip-depth of the incident light wave. It is entirely determined by the depth.

도 3은 도 2에서 단일모드 립-광도파로 영역인 A-A' 단면도를 나타낸 것이고, 도 4는 두-모드 립-광도파로 영역인 B-B' 단면도를 나타낸 것이다. FIG. 3 is a cross-sectional view of the single-mode rib-optical waveguide region A-A' in FIG. 2, and FIG. 4 is a cross-sectional view of the two-mode rib-optical waveguide region B-B'.

도 3과 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시 예에서 단일모드 립-광도파로(351)와 두-모드 립-광도파로(352)의 코어-두께(깊이)는 모두 175㎚이고, 립-깊이(depth)는 5㎚로 형성된다. 또한, 단일모드 립-광도파로(351)는 립-폭이 2㎛로 형성되고, 두-모드 립-광도파로(352)의 립-폭은 4㎛로 형성된다. 또한, 두-출력 립-광도파로(353)는 립-폭이 각각 2㎛이고, 광이 출력되는 두-출력 포트는 6㎛ 거리로 이격된다(도 6 참조). 그리고 바이오센서의 전체 폭은 20㎛, 하부 클래딩(200) 및 상부 클래딩(400)의 깊이는 2㎛로 형성되며, 바이오센서의 길이는 분석 대상인 바이오물질(BM)의 굴절률 측정 범위에 따라 가변적으로 설정된다. 3 and 4, in the embodiment of the present invention, the core-thickness (depth) of the single-mode rib-optical waveguide 351 and the two-mode rib-optical waveguide 352 is 175 nm, The lip-depth is formed to be 5 nm. Also, the single-mode rib-optical waveguide 351 has a rib-width of 2 μm, and the two-mode rib-optical waveguide 352 has a rib-width of 4 μm. In addition, the two-output rib-optical waveguide 353 has a rib-width of 2 μm, respectively, and the two-output ports through which light is output are spaced apart by a distance of 6 μm (see FIG. 6 ). In addition, the total width of the biosensor is 20 μm, and the depth of the lower cladding 200 and the upper cladding 400 is 2 μm, and the length of the biosensor is variable depending on the refractive index measurement range of the biomaterial (BM) to be analyzed. is set

또한, 본 발명의 실시 예에서 상기 립-광도파로(350)에는 0.63㎛의 파장을 갖는 광이 입사되는데, 이 0.63㎛ 파장의 광은 진단 대상인 바이오물질을 구성하는 세포에서 광흡수가 매우 작아 세포들에게 최소한의 포토-데미지(photo-damage)만 주기 때문에 세포 손실 없이 바이오물질을 진단할 수 있도록 해준다. 이러한 입사광의 파장은 바이오센서 구조에서 립-광도파로(350) 제원에 따라 적절히 변경될 수 있는데, 예를 가격이 비교적 저렴한 실리콘 포토디텍터(silicon photodetector)를 적용하면 0.5㎛∼0.9㎛의 가시광선과 근적외선 파장 영역을 이용하여 바이오물질을 진단할 수 있 있다. In addition, in the embodiment of the present invention, light having a wavelength of 0.63 μm is incident on the rib-optical waveguide 350, and the light with a wavelength of 0.63 μm is very small in light absorption in the cells constituting the biomaterial to be diagnosed. Because it only causes minimal photo-damage to cells, it enables the diagnosis of biomaterials without cell loss. The wavelength of the incident light may be appropriately changed according to the specifications of the lip-optical waveguide 350 in the biosensor structure. For example, when a relatively inexpensive silicon photodetector is applied, visible light and near infrared rays of 0.5 μm to 0.9 μm are applied. Biomaterials can be diagnosed using the wavelength region.

본 발명에서는 “Photo Design” 회사의 상용 소프트웨어인 FIMMWAVE를 사용해서 립-폭이 2㎛m인 단일모드 립-광도파로(351)와, 립-폭인 4㎛인 두-모드 립-광도파로(352) 각각에 대해서 전산해석을 수행하였다. 도 5는 단일모드 립-광도파로(351)와 두-모드 립-광도파로(352)에 대한 전산해석 그래프 일례를 나타낸 것으로, 2um, 4um 립-폭에 대한 전산해석은 단일모드와 두-모드임을 보여주고 있다.In the present invention, a single-mode rib-optical waveguide 351 with a rib-width of 2 μm and a two-mode rib-optical waveguide 352 with a rib-width of 4 μm are used using FIMMWAVE, a commercial software of “Photo Design” company. ), computational analysis was performed for each. 5 shows an example of a computational analysis graph for the single-mode rib-optical waveguide 351 and the two-mode rib-optical waveguide 352, and the computational analysis for the 2um and 4um rib-width is single-mode and two-mode. is showing that

이하에서는 상기의 구조로 이루어진 바이오센서 구조에서, 두-모드 립-광도파로(352) 영역에서 모드결합이 발생하여 두-모드 간에 광파워 이동이 일어나는 것에 대하여 설명하기로 한다. Hereinafter, in the biosensor structure having the above structure, mode coupling occurs in the region of the two-mode rib-optical waveguide 352 and optical power transfer between the two-modes will be described.

본 발명의 실시 예에서는 “Photon Design”사의 “FIMMPROP” 상용 소프트웨어를 이용하여, 본 발명에 따른 바이오센서 구조에서 두-모드 립-광도파로(352) 영역에서 모드결합이 발생하여 두-모드 간에 광파워 이동이 일어나는지를 검증하였다. In an embodiment of the present invention, by using “FIMMPROP” commercial software from “Photon Design”, in the biosensor structure according to the present invention, mode coupling occurs in the two-mode rib-optical waveguide 352 region, so that the light between the two modes is It was verified that the power transfer occurred.

도 6은 FIMMPROP 소프트웨어를 이용한 전산해석에 적용된 바이오센서의 레이아웃을 나타낸 것이고, 도 7은 주기적인 두-모드 결합을 통해 두-모드 간에 주기적인 광파워 이동이 일어나는 것을 나타낸 화면이다. 6 shows the layout of the biosensor applied to the computational analysis using the FIMMPROP software, and FIG. 7 is a screen showing the periodic optical power movement between the two-modes through the periodic two-mode combination.

도 6과 도 7에 도시된 바와 같이, FIMMPROP 소프트웨어를 이용한 전산해석에 따르면, 두-모드 립-광도파로(352) 영역에서 TE00, TE01 두 모드가 도파되면서, 두-모드 결합을 통해서 광파워의 주기적으로 이동하는 것을 확인할 수 있다. 6 and 7, according to the computational analysis using the FIMMPROP software, two modes TE00 and TE01 are guided in the two-mode rib-optical waveguide 352 region, You can see it moving periodically.

도 7의 검증 화면은 두-모드 광도파로 영역 길이 L = 3841.46㎛ 이고, 측정 대상인 바이오물질 굴절률이 1.33로 설정된 결과이다. 두-모드 립-광도파로(352) 영역에서 TE00, TE01 두 모드 간에 모드결합이 주기적으로 일어나고 있는데, 특히 도 7의 (a)와 (b)에서와 같이 두-모드 간에 광파워 이동을 3차원 모드세기(intensity) 분포를 통해서 확인할 수 있다. 또한, 도 7의 (c)와 (d)에서는 두 출력 립-광도파로(350)에서 광파워가 궁극적으로는 Pout2로 출력되는 것을 보여주고 있다. 이와 같이, 본 발명에서 제안된 바이오센서 구조는 특정한 두-모드 광도파로 영역의 길이에 대하여 바이오물질의 굴절률 변화에 따라 모드결합의 주기가 변경되고, 이에 따라 두 출력 광파워가 민감하게 영향을 받는 것을 알 수 있다.The verification screen of FIG. 7 is a result of the two-mode optical waveguide region length L = 3841.46 μm, and the measurement target biomaterial refractive index is set to 1.33. In the region of the two-mode rib-optical waveguide 352, mode coupling occurs between the two modes TE00 and TE01 periodically. In particular, as shown in (a) and (b) of FIG. It can be confirmed through the mode intensity distribution. Also, FIGS. 7(c) and 7(d) show that optical power is ultimately output to Pout2 from the two output rib-optical waveguides 350 . As such, in the biosensor structure proposed in the present invention, the period of mode coupling is changed according to the change in the refractive index of the biomaterial with respect to the length of a specific two-mode optical waveguide region, and accordingly, the two output optical powers are sensitively affected. it can be seen that

도 8과 도 9는 바이오물질의 굴절률이 다른 경우 출력 포트가 변경되는 것을 나타내는 화면이다. 8 and 9 are screens showing that the output port is changed when the refractive indices of the biomaterial are different.

도 8은 바이오물질의 굴절률이 1.33 일 때의 광파워 출력포트 일례이고, 도 9는 바이오물질의 굴절률이 1.35 일 때 광파워 출력포트 일례로서, 두-모드 립-광도파로(352) 영역의 길이가 결정된 상태에서 바이오물질의 굴절률에 따라 두 출력포트로부터 출력되는 광파워가 변하게 되는 것을 확인할 수 있다. 8 is an example of an optical power output port when the refractive index of the biomaterial is 1.33, and FIG. 9 is an example of an optical power output port when the refractive index of the biomaterial is 1.35. The length of the two-mode rib-optical waveguide 352 region It can be seen that the optical power output from the two output ports is changed according to the refractive index of the biomaterial in a state where is determined.

또한, 바이오물질의 굴절률이 특정구간에서 연속적으로 변할 경우 두 출력포트로부터 출력되는 광파워를 상용 소프트웨어 “FIMMPROP”를 적용해서 검증하였는데, 도 10과 도 11은 바이오물질의 굴절률 변화에 따른 두 출력포트의 광파워에 대한 전산해석 일례를 나타낸 것이다. In addition, when the refractive index of the biomaterial continuously changes in a specific section, the optical power output from the two output ports was verified by applying the commercial software “FIMMPROP”. FIGS. 10 and 11 show two output ports according to the change in the refractive index of the biomaterial An example of computational analysis of the optical power of

도 10은 두-영역 립-광도파로(350)의 폭(W)과 길이(L)가 W=4㎛, L=3841.6㎛, 굴절률 범위 1.36∼1.43 인 경우이고, 도 11은 W=4㎛, L=26250㎛, 굴절률 범위 1.398∼1.41인 경우의 전산해석을 보여주고 있다. 10 shows a case where the width W and the length L of the two-region rib-optical waveguide 350 are W=4 μm, L=3841.6 μm, and the refractive index range is 1.36 to 1.43, and FIG. 11 shows W=4 μm. , L=26250㎛, and the refractive index range of 1.398 to 1.41 shows the computational analysis.

도 10에서와 같이 굴절률이 1.36에서 1.43까지 선형적으로 증가함에 따라 Pout1 출력파워는 감소하고, Pout2 출력파워는 증가함을 보여주고 있다. 또한, 도 11에서와 같이 굴절률이 1.398에서 1.41까지 선형적으로 증가함에 따라 Pout1 출력파워는 감소하고, Pout2 출력파워는 증가함 보여주고 있다.As shown in FIG. 10 , as the refractive index increases linearly from 1.36 to 1.43, the output power of Pout1 decreases and the output power of Pout2 increases. Also, as shown in FIG. 11 , as the refractive index increases linearly from 1.398 to 1.41, the output power of Pout1 decreases and the output power of Pout2 increases.

본 발명에서 제안된 바이오센서의 감지도(sensitivity)를 평가하기 위해 측정된 두 광출력 파워로부터 (Pout2- Pout1)를 도출할 수 있다. 도 12는 도 10에서의 (Pout2- Pout1)를 계산한 결과이고, 도 13은 도 11에서의 (Pout2- Pout1)를 계산한 결과를 보여주고 있는데, 이러한 계산 과정은 두 개의 포토다이오드(photodiode)를 사용하여 측정할 수 있다. In order to evaluate the sensitivity of the biosensor proposed in the present invention, (Pout2-Pout1) can be derived from the two measured optical output powers. 12 is a result of calculating (Pout2-Pout1) in FIG. 10, and FIG. 13 shows a result of calculating (Pout2-Pout1) in FIG. 11. This calculation process is performed using two photodiodes. can be measured using

이러한 바이오센서의 감지도(sensitivity)는 굴절률 변화에 따른 출력광의 변화로 정의된다. 본 발명에서는 감지도를 굴절률 변화에 따른 두 출력광 차의 변화로 정의하였으며, 수학적으로는 도 12 및 도 13의 그래프에 대한 1차 미분인 기울기(slope)에 해당된다. The sensitivity of such a biosensor is defined as a change in output light according to a change in refractive index. In the present invention, the sensitivity is defined as the change in the difference between the two output lights according to the change in the refractive index, and mathematically corresponds to the slope, which is the first derivative of the graphs of FIGS. 12 and 13 .

도 14와 도 15는 도 12 및 도 13에 대한 1차 미분에 해당되는 기울기인 감지도를 나타낸 것이다. 도 14와 같이 1.36∼1.43 범위의 바이오물질 굴절률에 대해서 감지도는 0.045∼0.085(au/RIU) 이고, 도 15와 같이 1.398∼1.41 굴절률 범위에 대해서 감지도는 0.04-0.1(au/RIU)를 보이고 있다. 여기서, au는 arbitrary unit에 해당되는 약자로서 출력광의 파워가 정규화(normalization) 되었기 때문에 구체적인 파워 단위 대신 “au”를 사용되었으며, RIU는 Refractive Index Unit의 약어이다. 주어진 굴절률 범위에서 감지도가 균일한 특성을 나타내는 것이 가장 바람직하지만, 본 발명에서 얻어진 감지도 수준은 매우 양호한 것이며, 실질적으로 바이오물질의 굴절률 측정 시 이러한 감지도의 편차는 전기적인 후속 처리과정에서 충분히 보정 가능하다.14 and 15 show the sensitivity that is the slope corresponding to the first derivative with respect to FIGS. 12 and 13 . As shown in FIG. 14, for the refractive index of the biomaterial in the range of 1.36 to 1.43, the sensitivity is 0.045 to 0.085 (au/RIU), and as shown in FIG. 15, the sensitivity is 0.04-0.1 (au/RIU) for the refractive index range of 1.398 to 1.41 is showing Here, au is an abbreviation for an arbitrary unit, and since the power of the output light is normalized, “au” is used instead of a specific power unit, and RIU is an abbreviation of Refractive Index Unit. Although it is most desirable to exhibit a characteristic with a uniform sensitivity in a given refractive index range, the sensitivity level obtained in the present invention is very good, and the deviation of such sensitivity when measuring the refractive index of a biomaterial is sufficient in the subsequent electrical processing process. can be corrected

이와 같이, 본 발명에서는 코어(300) 상부에 단일모드 립-광도파로(351)와 두-모드 립-광도파로(352) 및 두-출력 립-광도파로(353)가 일체로 형성되는 바이오센서 립-광도파로(350) 구조를 제공함으로써, 바이오물질의 굴절률에 따라 변화되는 두 출력 광파워를 이용하여 바이오물질의 종류 및 분량을 결정하여 진단할 수 있게 된다. As described above, in the present invention, the single-mode rib-optical waveguide 351, the two-mode rib-optical waveguide 352, and the two-output rib-optical waveguide 353 are integrally formed on the upper part of the core 300 in the present invention. By providing the structure of the rib-optical waveguide 350, the type and amount of the biomaterial can be determined and diagnosed using two output optical powers that change according to the refractive index of the biomaterial.

한편, 상술한 실시 예에서는 단일모드 립-광도파로(351)와 두-모드 립-광도파로(352)의 립-폭이 2㎛ 및 4㎛인 것으로 설명하였고, 입사 광이 0.63㎛ 파장을 갖는 것으로 설명하였지만, 이러한 수치는 검사 대상인 바이오물질의 종류 및 분량 등에 따라 다양하게 변경될 수 있음은 당연하다. Meanwhile, in the above-described embodiment, it has been described that the rib-widths of the single-mode rib-optical waveguide 351 and the two-mode rib-optical waveguide 352 are 2 μm and 4 μm, and the incident light has a wavelength of 0.63 μm. However, it is natural that these values may be changed in various ways depending on the type and amount of the biomaterial to be tested.

이와 같이 본 발명은 상술한 실시 예에 한정되는 것은 아니며 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 갖는 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구 범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 이루어질 수 있음은 물론이다. As such, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications and changes can be made by those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains within the scope of equivalents of the technical spirit of the present invention and the claims to be described below. Of course, variations can be made.

100 : 기판 200 : 하부 클래딩
300 : 코어 350 : 립-광도파로
351 : 단일모드 립-광도파로 352 : 두-모드 립-광도파로
353 : 두-출력 립-광도파로 400 : 상부 클래딩
401 : 마이크로 유체관 BM : 바이오물질100: substrate 200: lower cladding
300: core 350: rib-optical waveguide
351: single-mode rib-optical waveguide 352: two-mode rib-optical waveguide
353: two-output rib-optical waveguide 400: upper cladding
401: microfluidic tube BM: biomaterial

Claims (8)

삭제delete 삭제delete 삭제delete 기판(100)의 상부에 형성되는 하부 클래딩(200)과, 상기 하부 클래딩(200)의 상부에 형성되는 코어(300)와, 상기 코어(300)의 상부에 형성되어 진단 대상인 바이오물질(BM)이 배치되는 상부 클래딩(400)을 포함하는 바이오센서 구조에 있어서,
상기 코어(300)의 상부에는 소산파 형성을 위한 립-광도파로(350)가 돌출 형성되되, 상기 립-광도파로(350)는 광이 입력되는 단일모드 립-광도파로(351)와, 상기 단일모드 립-광도파로(351)에 연장되어 폭이 단일모드 립-광도파로(351)에 비해 상대적으로 넓게 형성되는 두-모드 립-광도파로(352)와, 상기 두-모드 립-광도파로(352)에서 두 갈래로 갈라져 연장되어 광이 출력되는 두-출력 립-광도파로(353)를 포함하고,
상기 바이오물질(BM)은 상부 클래딩(400)에 삽입되는 마이크로 유체관(401)에 주입되어, 두-모드 립-광도파로(352)의 상부에 배치되며,
상기 립-광도파로(350)에는 두 개의 모드(TE00, TE01)가 도파되되, 상부에 배치된 바이오물질(BM)에 의해 두-모드 립-광도파로(352) 영역에서 모드 결합이 일어나 두-모드 간에 광파워가 주기적으로 이동하는 광 파워 결합이 발생하도록 하고,
상기 두-모드 립-광도파로(352) 영역에서 발생하는 모드 결합 주기는 두 모드의 유효굴절률에 의해 결정되어 두-출력 립-광도파로(353)의 두 출력 광파워를 변화시키며, 상기 두-모드의 유효굴절률은 두-모드 립-광도파로(352)의 상부에 배치된 바이오물질(BM)의 굴절률에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 바이오센서 구조.
The lower cladding 200 formed on the substrate 100, the core 300 formed on the lower cladding 200, and the biomaterial (BM) formed on the core 300 to be a diagnosis target In the biosensor structure including the disposed upper cladding 400,
A rib-optical waveguide 350 for forming an evanescent wave is protruded from an upper portion of the core 300, and the rib-optical waveguide 350 includes a single-mode rib-optical waveguide 351 to which light is input; A two-mode rib-optical waveguide 352 extending to the single-mode rib-optical waveguide 351 and having a width relatively wider than that of the single-mode rib-optical waveguide 351, and the two-mode rib-optical waveguide and a two-output rib-optical waveguide 353 that is bifurcated and extended in 352 to output light,
The biomaterial (BM) is injected into the microfluidic tube 401 inserted into the upper cladding 400, and is disposed on the two-mode rib-optical waveguide 352,
Two modes TE00 and TE01 are guided in the rib-optical waveguide 350, but mode coupling occurs in the two-mode rib-optical waveguide 352 region by the biomaterial BM disposed thereon. to cause optical power coupling in which optical power periodically moves between modes,
The mode coupling period occurring in the region of the two-mode rib-optical waveguide 352 is determined by the effective refractive index of the two modes to change the two output optical powers of the two-output rib-optical waveguide 353, The effective refractive index of the mode is determined by the refractive index of the biomaterial (BM) disposed on the upper portion of the two-mode rib-optical waveguide (352).
 제 4항에 있어서,
상기 코어(300) 및 립-광도파로(350)는 실리콘 나이트라이드(Si3N4) 물질로 이루어지고,
상기 하부 클래딩(200) 및 상부 클래딩(400)은 실리콘 다이옥사이드(SiO2) 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 바이오센서 구조.
5. The method of claim 4,
The core 300 and the rib-optical waveguide 350 are made of a silicon nitride (Si 3 N 4 ) material,
The lower cladding 200 and the upper cladding 400 are silicon dioxide (SiO 2 ) A biosensor structure, characterized in that made of a material.
 제 4항에 있어서,
상기 립-광도파로(350)의 단일모드 립-광도파로(351)는 립-폭이 2㎛이고, 상기 두-모드 립-광도파로(352)는 립-폭은 4㎛로 형성되는 것을 특징으로 하는 바이오센서 구조.
5. The method of claim 4,
The single-mode rib-optical waveguide 351 of the rib-optical waveguide 350 has a rib-width of 2 μm, and the two-mode rib-optical waveguide 352 has a rib-width of 4 μm. biosensor structure with
 제 6항에 있어서,
상기 단일모드 립-광도파로(351)와 두-모드 립-광도파로(352)는 립-깊이가 5㎚이고,
상기 두-출력 립-광도파로(353)는 립-폭이 각각 2㎛이고, 광이 출력되는 두-출력 포트는 6㎛ 거리로 이격된 것을 특징으로 하는 바이오센서 구조.
7. The method of claim 6,
The single-mode rib-optical waveguide 351 and the two-mode rib-optical waveguide 352 have a rib-depth of 5 nm,
The two-output rib-optical waveguide (353) has a rib-width of 2 μm, respectively, and the two-output ports through which light is output are spaced apart by a distance of 6 μm.
 제 4항에 있어서,
상기 립-광도파로(350)에 입사되는 광 파장이 0.63㎛ 인 것을 특징으로 하는 바이오센서 구조.5. The method of claim 4,
The biosensor structure, characterized in that the wavelength of the light incident on the rib-optical waveguide (350) is 0.63㎛.
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