Using an optical mode formed in a photonic device, optical trapping force is generated due to a change in the momentum as light passes through a particle, and can selectively control the position of the micro-particles in space. In particular, optical waveguides that can be fabricated by semiconductor processing have been actively studied since those structures can be integrated with microfluidic systems. However, the optical trapping using conventional optical waveguides employs the near-field generated from the surface of the structure. Because there is a strong force toward the surface, physical contact between the particle and the surface occurs during the trapping. The Contact can have physical and chemical effects on the particles. Therefore, it is essential to implement a system that can control the light spatially away from the surface.
In this dissertation, we propose inverted rib-type waveguides with an open trench to overcome limitations in the planar structure, and demonstrate stable, free-space optical trapping and manipulation in an integrated microfluidic system. The open trench designed to be deeper and wider than the optical mode enables full utilization of the optical power away from all surfaces. First, numerical simulations are performed to generate the optical mode in the free space in the microfluidic channel and to analyze the optical trapping force for the three - dimensional space. After integration with polydimethylsiloxane (PDMS) microfluidic channel for particle delivery, 0.65 $\mu$m and 1 $\mu$m diameter polystyrene beads were trapped in free space of the trench. The position of the trapped particle was controlled experimentally by controlling the relative optical power at the end of the waveguides. And the optical trapping force in each direction was analyzed by comparing with numerical simulation.
광 소자 내 형성되는 광 모드를 이용하면, 빛이 입자를 지나면서 생기는 운동량 변화로 인한 광 포획 힘이 발생하여 마이크로 입자를 선택적으로 제어할 수 있다. 특히 반도체 공정으로 제작 가능한 광 도파로는 마이크로 유체 시스템과 집적 시킬 수 있기 때문에 활발한 연구가 진행되어 왔다. 하지만 기존의 광 도파로를 이용한 광 포획 연구는 구조체의 표면에서 발생하는 근접장을 이용한 것으로, 표면 쪽으로의 힘이 강하게 존재하기 때문에 실제 포획하고자 하는 입자와 표면 사이에 물리적인 접촉이 발생한다. 이러한 입자와 소자 표면 간 접촉은 입자의 물리적, 화학적인 영향을 줄 수 있다. 따라서 구조체 표면으로부터 공간적으로 떨어진 곳에서 빛을 제어할 수 있는 시스템을 구현하는 것이 필수적이다.
본 논문에서는 기존 연구의 한계를 극복하고자 열린 트렌치가 있는 거꾸로 된 립형 도파관을 제안하여 미세 유체 시스템이 결합된 광 소자의 자유 공간 내 안정적인 광 포획 및 제어를 구현하였다. 광 모드보다 깊고 넓게 설계된 열린 트렌치는 광 모드를 소자의 모든 표면에서 떨어지도록 만들기 때문에 광 파워를 최대한 활용할 수 있게 한다. 먼저, 수치 시뮬레이션을 통해 미세 유체 채널 내 자유 공간 상에서 광 모드를 형성하고 3차원 공간에 대해 광 포획 힘을 분석하였다. 다음으로 PDMS 유세 유체 채널을 통해 주입된 0.65 $\mu$m와 1 $\mu$m 크기의 폴리스티렌 입자를 자유 공간 내에서 안정적으로 광 포획하였다. 또한 여기된 도파로 양 끝 단에서 여기되는 광 파워의 상대적인 크기를 조절하여 포획된 입자의 위치를 실험적으로 제어하였으며, 수치 시뮬레이션과 비교하여 각 방향에 대한 광 포획 힘을 분석하였다.
