• Korean Journal of Optics and Photonics
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• v.30 no.1
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• pp.15-22
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• 2019

$Si_3N_4$ rib-optical waveguides for evanescent-wave integrated-optical biosensors were analytically interpreted, to derive the single-mode propagation conditions. The integrated-optical biosensor structure based on two-mode interference was proposed, and the rib width and thickness and core thickness for a single-mode and two-mode waveguide (sensing region) were proposed to be $3{\mu}m$, 2 nm, and 150 nm and $3{\mu}m$, 20 nm, and 340 nm respectively. The optical characteristics of each guided-wave mode were investigated utilizing the film mode-matching (FMM) analysis.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2012.08a
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• pp.311-312
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• 2012

본 발표에서는 광학적 분석 시스템에 적용 가능한 발광소자(광원)과 수광소자(광센서)를 집적화시키는 모듈(수 발광 집적모듈) 기술을 제시하고자 한다. 이러한 수-발광 집적모듈은 다양한 응용 분야에 적용 될 수 있다. 예를 들어, 광신호 감지를 위한 광통신용 송-수신 모듈(optical communication), 의료/진단 분야에서 단백질/DNA/박테리아 등의 검출 및 분석에 관한 바이오 센서(bio-sensor), 그리고 대기(가스)/수질 모니터링에 관한 환경센서 등 매우 광범위한 분야에 해당되는 요소 기술이라 할 수 있다. 특히, 이들 분야들 중 바이오 물질을 분석하고 검출하는 광학적 바이오 센서 기술은 높은 경제적 가치와 산업적 성장 잠재력으로 인해 오랫동안 활발한 연구가 진행되어 오고 있다. 이러한 광학적 바이오 센서에서 가장 범용적인 방법 중 하나가 항온-항체 면역반응을 기반으로 하는 형광 검출(fluorescence detection) 기법이다. 이러한 시스템은 전체적으로 광원, 광학계, 그리고 센서로 구성되는데 기존에 일반적으로 사용되고 있는 형광 현미경의 경우는 민감도가 우수하다는 장점은 있으나 상당히 고가이고 부피가 크며 복잡한 광학구성으로 이루어져 있다는 한계점을 가지고 있다. 이러한 맥락에서 고민감도를 확보하면서 휴대성, 고속처리, 저가 등의 특성을 가진 시스템에 대한 요구가 갈수록 증가하고 있다. 이를 해결하기 위한 핵심기술 중의 하나가 수-발광 부분을 집적화 시키는 기술이라 할 수 있다. 본 연구에서는 바이오 센서 기술의 하나로서 형광을 측정하여 혈액내의 진단 지표인자를 검출할 수 있는 휴대용 혈액진단기기에 적용되는 소형 수 발광 집적 모듈을 개발하였다. 혈액내의 검출 성분의 양에 따라 형광의 세기가 변화하게 됨으로써 정량적인 검출이 가능한 원리이다. 모듈의 구조는 크게 광원(발광소자), 광학계, 그리고 광센서(수광소자) 세 영역으로 나누어 진다. 광원은 635 nm 적색 레이저다이오드로서 형광체(Alexa Fluor 647/발광파장: 668 nm)를 여기 시키는 기능을 하며 장착된 볼렌즈 의해 샘플의 형광체 영역으로 집광된다. 광학계는 크게 시준렌즈(collimating lens)와 광학필터로 구성됨으로써 샘플로부터 발생되는 광을 적절하게 수광소자로 전달하는 기능을 하게 된다. 여기서 광학필터의 경우는 기본적으로 Distributed Bragg's Reflector(DBR) 구조로써 실리콘(Si) 포토다이오드 상부에 모노리식(monolithic)하게 형성되며 검출 샘플로부터 진행되는 레이저 광(잡음의 주원인)은 차단하고 형광(광신호)만 통과 시키는 기능을 하게 된다. 따라서 신호 대 잡음비(S/N ratio)를 향상시키기 위해서는 정밀한 광 필터링 기능이 요구됨으로써 박막의 세밀한 공정 조건과 구조적-광학적 특성 분석이 수행되었다. 마지막으로 포토다이오드 소자는 일반적인 구조 이외에 중앙에 원형 구멍이 형성된 특별한 구조가 적용된다. 이것은 포토다이오드 구조에 변화를 줌으로써 모듈 구조를 효율적으로 응용할 수 있다는 의미를 갖는다. 또한 포토다이오드의 전기적-광학적 측정 분석을 통해 잡음 및 감도 특성이 세부적으로 조사되며 형광신호를 효과적으로 측정할 수 있음을 확인하였다. 최종적으로 제작된 모듈은 약 $1{\times}1{\times}1cm^3$ 내외 정도의 크기를 갖는다. 요약하자면 본 발표에서는 광학적 바이오센서에 적용할 수 있는 소형 수-발광 소자 집적모듈을 소개한다. 전체 모듈 설계는 최소한의 부피를 가짐과 동시에 측정의 정밀성을 향상시키는데 초점을 맞추어 진행하였다. 세부요소인 광학필터와 포트다이오드의 경우 잡음 및 민감도에 미치는 중요성 때문에 세밀한 공정 및 특성분석이 수행되었다. 결론적으로 독자적인 설계 및 공정을 통해 휴대성 및 정밀성 등의 목적에 부합한 경쟁력 있는 수-발광 소자 집적모듈 제작 기술을 확보하였다.

• Journal of IKEEE
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• v.24 no.2
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• pp.409-418
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• 2020

In this paper, an integrated optical, evanescent-wave biosensor utilizing a multimode interferometer based on a Si₃N₄ rib-optical waveguide consisting of the Si/SiO₂/Si₃N₄/SiO₂ stacked structure was described. The theoretical background of the multimode interferometer was reviewed, and the structure and design process were presented through numerical computational analysis. We analyzed how the dimension (length, width) of the multimode interferometer affected the sensor performance. It has been confirmed through computational analysis that the changes in the refractive index of an analyte greatly affect the mode pattern formation position and output optical power of a multimode interferometer, and proved that this principle could be applied to integrated-optic biosensor.

• Proceedings of the Optical Society of Korea Conference
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• 2009.02a
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• pp.387-388
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• 2009

Biophotonics is an emerging area in a fusion of biology and photonics, especially in advanced bioimaging, optical biosensors, photomodulation, and biochip optical read-out, and optical manipulation. This emerging area also creates many opportunities for interdisciplinary study of biology and photonics. Micro-Electro-Mechanical-System(MEMS) is an attractive technology in miniaturizing sensors and actuactors. For last decade, it has contributed to the development for active and passive small and integrated optical components in optical communication. Recently, this technology is also merging into biology for high sensitive biosensing and high resolution and fast bioimaging in small form factor. In this talk, some key advantages of small optical components and recent biophotonic MEMS achievement will be discussed for miniaturized advanced biophotonic systems.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2012.02a
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• pp.106-106
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• 2012

인체 내 소량의 생체성분을 감지하는 바이오센서 기술은 질병 진단뿐만 아니라 예방 및 관리로 의료서비스 확대 및 의료비 감소 효과를 가져올 수 있는 기술이다. 광 바이오센서는 광학적인 측정방법을 이용하여 다양한 생화학물질들의 상호 반응을 검출해 낼 수 있는 바이오센서로 현재 활발하게 연구가 진행되고 있다. 일반적으로 형광물질, 발색물질 등의 발광물질을 인식물질에 표지하여 인식물질과 분석물질과의 반응 유무를 표지된 발광물질의 광 신호를 감지하여 분석물질을 검출해내는 표지식 광 바이오센서 기술이 상용화되고 있다. 그러나 이러한 분석 방법은 민감도는 우수하지만 분석 시간이 매우 느리고, 고가의 분석 장비를 필요로 하는 단점들을 가지고 있다. 이러한 단점들을 극복하기 위하여 생화학 반응 유무를 표지물질 없이 광학적 방식으로 직접 측정해내는 비 표지식 광 바이오센서 기술이 최근 들어 많이 연구되고 있다. 본 논문에서는 비표지식이면서 분광기 없이 분석 가능한 공진 반사광 바이오센서 기술에 관한 내용을 소개하고자 한다. 공진 반사광 바이오센서는 광파장 이하의 주기를 가진 주기적 공진 격자 표면에서 일어나는 항원-항체 반응에 대한 공진 반사 파장을 측정하여 원하는 바이오물질을 고감도로 검출할 수 있는 바이오센서이다. 또한, 인체 내장을 위하여 플렉시블 기판 상에 GaN LED를 집적하여 전립선암 바이오 마커 검출에 대한 결과를 소개하고자 한다.

• The Journal of the Institute of Internet, Broadcasting and Communication
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• v.10 no.5
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• pp.153-160
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• 2010

We optimized the Si(substrate)/$SiO_2$(cladding)/$Si_3N_4$(antiresonant cladding)/$SiO_2$(core)/air multi-layers rib-optical waveguides of antiresonant reflecting optical waveguide (ARROW) for integrated optical biosensor structure utilizing beam propagation method (BPM). Thickness of anti-resonant cladding was derived to minimize the propagation loss and leaky field mode deeply related with evanescent mode was theoretically derived. Depth, width, refractive index and cladding thickness of anti-resonant cladding were numerically calculated into 2.3${\mu}m$, 5${\mu}m$, 1.488, and 0.11${\mu}m$ respectively to minimize propagation loss using the BPM simulation tool. Finally one- and two-dimensional propagation characteristics of ARROW was confirmed.

• Journal of Sensor Science and Technology
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• v.27 no.1
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• pp.25-30
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• 2018

Closed-form analytical expressions and 3-dimensional normalized charts for the homogeneous sensing and surface sensing structures are derived to provide the conditions for the maximum sensitivity of integrated-optic biosensors based on evanescent-wave and stepindex planar optical waveguides. The analysis is made for transverse electric (TE) polarization mode, in both cases where the measurand is homogeneously distributed in the cover (namely, homogeneous sensing), and where it is an ultrathin film on the waveguide-cover interface (namely, surface sensing).

• Journal of Sensor Science and Technology
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• v.30 no.3
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• pp.131-138
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• 2021

The optimization of the specifications of vertical silicon on insulator (SOI) slot optical waveguides suitable for integrated-optical biochemical sensors was performed through computational analysis of the confinement factor of the guided mode distributed in the slot in addition to analytical examination of the TE mode. The optimized specifications were confirmed based on sensitivity in terms of the change in the refractive index of the biochemical analyte. When the slot width, rail width, and height were set to 120 nm, 200 nm, and 320 nm, respectively, the confinement factor was evaluated to be about 56% and the sensitivity was at least 0.9 [RIU/nm].

• Journal of Sensor Science and Technology
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• v.31 no.2
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• pp.107-114
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• 2022

The effects of ring radius and coupling spacing on the free spectral range (FSR), full width at half maximum (FWHM), quality factor, and sensitivity of single-channel and add-drop channel slot ring resonators were systematically investigated using FIMMPROP and PICWAVE numerical software. The single-channel ring resonator exhibited better characteristics, namely, a wider FSR and narrower FWHM compared with the add-drop structure; thus, it was evaluated to be more suitable for biochemical sensors. The FSR, FWHM, quality factor, and sensitivity for a single channel ring resonator with a radius of 59.4 ㎛ and coupling gap of 0.5 ㎛ were 2.4 nm, 0.087 nm, 17677, and 550 [nm/RIU], respectively.

• Korean Journal of Optics and Photonics
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• v.17 no.1
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• pp.54-59
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• 2006

Biophotonic sensors based on polymer waveguide with Bragg reflection grating are demonstrated in this work. Waveguide Bragg reflectors were designed by using the effective index method and the transmission matrix method. The grating pattern was formed by exposing the laser interference pattern on a photoresist. On top of the inverted rib waveguide, the Bragg reflection grating was inscribed by the O2 plasma etching. In order to perform the bio-molecule detection experiment, a calixarene molecule was self-assembled on top of thin Au film deposited on the waveguide Bragg reflector. To measure the response of the sensor, several PBS solutions with different concentrations of potassium ion from 1 pM to $100\;{\mu}M$ were dropped on the sensor surface. The shift of Bragg reflection wavelength was observed from the fabricated sensor device, which was proportional to the concentration of potassium ion ranging from 1 pM to 108 pM.