SOI 기반 슬롯 링 공진기를 이용한 집적광학 바이오케미컬 센서의 연구 :A study of integrated-optical biochemical sensors using slot ring resonator based SOI platform

장재식

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자료유형: 학위논문

저자정보: 장재식 (홍익대학교, 홍익대학교 대학원)

지도교수: 정홍식

발행연도: 2023

저작권: 홍익대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

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이 논문의 연구 히스토리 (3)

2023

SOI 기반 슬롯 링 공진기를 이용한 집적광학 바이오케미컬 센서의 연구

장재식 전자전산공학과 2023.01 학위논문

2022

SOI 슬롯 광도파로 기반 캐스케이드 링 공진기 바이오·케미컬 집적광학 센서의 효용성 해석

장재식 , 정홍식 센서학회지 2022.09 학술저널

SOI 슬롯 광 도파로 기반 단일 및 삽입-분기 채널 링-공진형 바이오·케미컬집적광학 센서의 제원에 대한 감도 해석

장재식 , 정홍식 센서학회지 2022.03 학술저널

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최근 기술 발전 및 COVID-19의 영향으로 건강에 대한 사람들의 관심이 집중되면서, 건강과 관련된 사업이 성장하면서 바이오센서 분야도 많은 성장을 이루었다. Maximize Market Researcher사의 보고서에 따르면, 바이오센서의 시장규모는 지속적으로 확대되고, 사물 인터넷(IoT)의 성장으로 바이오센서의 활용도가 높아질 것이라고 예측하였다. 광도파로 기반 집적광학 센서는 전자기 간섭에 대한 내성, 높은 감도, 집적화 등 다양한 장점들을 가지고 있어서 바이오케미컬 센서뿐만 아니라, 환경 분석 및 음식물 품질관리 등 다양한 분야에서 활용되고 있다.
실리콘 포토닉스는 광학물질로 실리콘을 사용하는 분야로 기존의 CMOS 공정을 활용하여 적은 비용으로 대량생산이 가능한 점과 실리콘의 높은 굴절률을 활용하여 작은 크기로 구조를 만들 수 있는 점 등 다양한 장점을 가지고 있어서 통신, 센서, 레이저, 변조기 등 다양한 분야에서 많은 관심 및 연구가 진행되고 있다.
본 논문에서는 SOI(Silicon-On-Insulator) 물질체계에서 삽입-분기 채널 슬롯 링 공진기와 직렬 캐스케이드 슬롯 링 공진기의 전산해석을 통하여 바이오케미컬 센서로 적합한 제원 및 구조를 확인하였다. Photon Design사의 FIMMPROP과 PICWAVE를 사용하여 전산해석을 진행하였고, 링 공진기의 FSR, FWHM, 품질인자, 감도를 측정 및 계산하였다. 삽입-분기 슬롯 링 공진기의 경우, 링 공진기의 반경(R)과 결합 간격을(d) 변경하여 3개의 제원에 대하여 전산해석을 진행하였고, 어느 파라미터에 초점을 맞추느냐에 따라 센서에 적합한 제원이 달라진다. FSR, FWHM, 감도에 각각 초점을 맞춰서 가장 적절한 제원을 선정하면 순서대로 (R = 59.4 μm, d = 0.5 μm), (R = 77.6 μm, d = 0.2 μm), (R = 77.6 μm, d = 0.5 μm)인 제원들이 가장 적합하다. 직렬 캐스케이드 슬롯 링 공진기는 앞서 언급한 2개의 제원을 이용하여 구현하였고, 전산해석한 결과를 삽입-분기 슬롯 링 공진기(R= 77.6 μm, d = 0.5 μm)와 비교를 해보았을 때, 굴절률 측정범위가 조금 작아졌지만, FSR, FWHM, 품질인자, 감도는 모두 개선이 되었다. 이를 통하여 직렬 캐스케이드 링 공진기가 삽입-분기 채널 슬롯 링 공진기보다 바이오케미컬 센서로서 높은 활용성을 보여주는 것을 확인할 수 있다.

Recently, as people’s attention to health is concentrated due to technological advances and the impact of COVID-19, health-related businesses have grown, and the biosensor field has also achieved a lot of growth. According to a report from Maximize Market Researcher, it is predicted that the market size of biosensors will continue to expand and the utilization of biosensors will increase due to the growth of the Internet of Things (IoT). Because the optical waveguide-based integrated optical sensor has various advantages such as immunity to electromagnetic interference, high sensitivity, and integration, it is used not only in biochemical sensors, but also in fields such as environmental analysis and food control.
Silicon Photonics is a field that uses silicon as an optical material and has various advantages such as mass production at low cost using the existing CMOS process and making a small structure using a high refractive index of silicon, so much attention and research are being conducted in various fields such as optical communication, optical sensor, laser, optical modulator, etc.
In this paper, the specifications and structures suitable for biosensors were confirmed through computational analysis of add-drop channel slot ring resonators and series cascaded slot ring resonators in the SOI material platform. Computational analysis was performed using Photon Design’s FIMMPROP and PICWAVE, and the FSR, FWHM, quality factor, and sensitivity of the ring resonator were calculated. In the case of the add-drop channel slot ring resonator, computational analysis was performed on three specifications by changing the radius(R) and coupling distance(d) of the ring resonators, and the specifications suitable for the sensor vary depending on which parameters is focused. If the most appropriate parameters are selected by focusing on FSR, FWHM, and sensitivity, in order (R=59.4 μm, d=0.5 μm), (R=77.6 μm, d=0.2 μm), and (R=77.6 μm, d=0.5 μm) are most suitable. The series cascade slot ring resonator was implemented using the aforementioned two specifications, and when the computational analysis results were compared with the add-drop channel slot ring resonator (R = 77.6 μm, d = 0.5 μm), the refractive index measurement range is slightly smaller, but FSR, FWHM, quality factor, and sensitivity are all improved. Through this, it can be confirmed that the series cascade ring resonator shows higher utility as a biochemical sensor than the add-drop channel slot ring resonator.

#slot waveguide #biochemical sensor #ring resonator #silicon photonics

I. 서론 1
II. 광도파로 해석 5
II-1) 평면 광도파로 해석 5
II-2) 릿지, 립 광도파로 14
II-3) 슬롯(Slot) 광도파로의 구조 및 광파해석 16
III. 링 공진기의 구조 및 해석 22
III-1) 단일 링 공진기의 구조 22
III-2) 링 공진기의 특성 파라미터 27
III-3) 직렬 캐스케이드 링 공진기의 구조 29
III-4) 직렬 캐스케이드 링 공진기의 Vernier 효과 34
IV. 전산해석 및 성능 평가 36
V. 결론 49
참고 논문 51
Abstract 57

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