A subwavelength-scale low-refractive index slot structure sandwiched between high-refractive index regions has attracted a lot of attention due to strong light confinement in a slot region. Most of the recent works has been reported based on the vertical slot structure. However, etching such a thin, high aspect ratio slot is difficult and usually requires time consuming lithography techniques such as the e-beam lithography or focused ion-beam milling. Moreover, the surface roughness of slot side wall induced by the imperfection of fabrication restricts the quality factor of the demonstrated micro-resonator due to large scattering loss. Recently, we demonstrated a horizontal air slot with smooth sidewalls in atomic scale by using multilayer deposition and selective chemical etching. Using conventional photolithography, reactive ion etching, and selective wet-etching, horizontal slot microdisk resonators can be formed. The fundamental TM modes of the demonstrated horizontal slot microdisk resonators concentrate the electric fields strongly into the air slot with a thickness in the order of tens of nm. The strong field concentration enables to increase the sensitivity of bio-material sensing further than the conventional, evanescent-field based biosensors.
In this thesis, we discuss on the performance of the horizontal slot microdisk as a biosensor theoretically and experimentally. Theoretical and numerical calculations show that, for resonator-based biosensors, the mode overlap is the limiting factor for the sensing performance. We note that our horizontal slot microdisk resonators offer about an order of magnitude enhanced surface sensitivity compared to conventional microdisks without slots. In addition, employing multiple slots, we can further enhance the surface sensitivity with a factor of 2. We demonstrated single-slot SiN microdisks as bio-sensors. Surface sensitivity and detection limit of streptavidin - biotin reaction, which is one of the materials used for biosensing, were measured statistically by fabricating a silicon nitride single-slot microdisk. Statistical measurements show that the surface sensitivity of the single-slot SiN microdisk can be 80 times higher than the previously reported Si waveguides in vitro. This sensitivity can increase further by factor 11.72 using optimized multislot structure. Creating a fully optimized multislot structure were difficult. We found feasible structure for biosensing and fabricate multislot microdisk resonator for biosensor. We experimentally demonstrate that the double slot microdisk resonator has improved surface sensitivity by about 18 % over the single slot disk resonator. We also integrated a waveguide with a horizontal slot microdisk on chip for reducing the measurement error and operating in water environment, and measured the transmission spectrum of the waveguide coupled resonator.
고 굴절률 물질 사이에 파장이하 크기의 저 굴절율 물질이 끼어있는 구조로 구성된 슬롯 구조는 파장이하 크기인 슬롯 영역에서 빛을 강하게 가둠으로 인해 많은 주목을 받고 있다. 하지만 대부분의 연구는 수직 슬롯 구조로 수행되었다. 그러나, 얇고 높은 종횡비의 슬롯을 수직 구조로 식각하는 것은 어렵고, 일반적으로 전자빔 리소그래피 또는 집중 이온빔과 같은 시간 소모적인 리소그래피 기술을 필요로 한다. 더욱이, 제작과정의 불완전성으로 인한 슬롯 측면 벽의 거칠기로, 큰 표면 산란 손실이 생겨 공진기의 품위값을 제한한다. 최근에, 우리는 다층 증착 및 선택적 화학적 에칭을 사용함으로써, 평탄한 측벽을 갖는 수십 나노미터 두께의 미세한 슬롯을 갖는 미세 원반 공진기를 만들었고, 이는 종래의 포토 리소그래피, 반응성 이온 에칭 및 선택적 습식 에칭을 사용하여 제작 할 수 있었다. 제작된 공진기의 TM 모드는 파장이하 크기인 수십 나노미터 두께의 슬롯에 빛이 집중된 모드이다. 이렇게 좁은 영역에 빛이 집중되는 슬롯 구조를 바이오 센서에 응용하면, 종래의 에바네슨트 필드 기반의 바이오 센서보다 감도가 더 증가 할 수 있다.
본 논문에서는 이러한 슬롯 형 미세 원반 공진기를 바이오 센서로 응용할 때의 성능에 대해서 이론적, 실험적 방법으로 연구하였다. 계산을 통하여, 우리는 공진기 기반의 바이오 센서의 경우, 모드 오버랩이 성능의 제한 요소임을 알게 되었다. 이 결과를 바탕으로 슬롯 공진기는 기존의 슬롯이 없는 구조보다 10 배 이상 증가한 표면 감도를 갖는 것을 알 수 있었고, 다중 슬롯을 이용하여 표면 감도를 2 배 더 향상시킬 수 있다는 것을 알았다. 실리콘 나이트라이드 단일 슬롯 미세 원반 공진기 구조를 제작하여 바이오 센싱에 많이 쓰이는 물질 중 하나인 스트렙타비딘과 비오틴의 반응의 농도 민감도 및 검출 한계를 통계적 방법으로 측정 하였다. 통계적 측정에 따르면 실리콘 나이트라이드 단일 슬롯 미세 원반 공진기의 표면 감도는 이전에 보고 된 실리콘 광 도파관 구조에서 측정된 값 보다 약 80 배 가량 더 높았다. 그리고 계산을 통하여 최적화된 다중 슬롯 구조를 사용하면 이러한 표면 감도가 11.72 배 정도 더 증가할 수 있음을 보였다. 완전히 최적화 된 멀티슬롯 구조를 만드는 것은 어려웠지만, 우리는 실현 가능한 구조를 찾아내고 이중 슬롯을 가진 미세 원반 공진기를 제작하여, 실험적으로 이중 슬롯 미세 원반 공진기가 단일 슬롯 미세 원반 공진기에 비해 약 18 % 향상된 표면 감도를 가지고 있음을 보였다. 추가적으로 우리는 광 도파관을 칩 위의 슬롯 공진기에 결합하여 측정 오차를 줄이고 물에서의 측정을 가능하게 하였고, 광 도파관과 결합된 공진기의 스펙트럼을 측정하였다.
