Abstract This Thesis proposes and describes the use of optical coherence tomography (OCT) as a non-contact and non-destructive characterization technique for printed electronics. It is based on and includes the first published results of such an application of the OCT technique. Several different types of structures were studied to evaluate the feasibility of the application. The measurement data was used to define the surface topography, physical dimensions of the specimen features, and to evaluate the ability to characterize multi-layered and multi-material structures. Presented OCT measurements were done for: screen-printed conductive and insulating structures, microfluidic channels, microscopy glass and organic field effect transistors (OFET), both coated with polymer, and inkjet-printed colour filters. A novel approach to encapsulation inspection was presented. The results show that OCT could be used for full volumetric and non-destructive characterization of the 1-to-2-µm-thin protective layers used in organic and printed electronics. The measurements presented in the Thesis were done using OCT devices in time and in spectral domains. Despite the focus on studying the application of the technique, as a result of observations and limitations of the existing equipment, a new type of OCT device has been developed. A high data acquisition rate of the spectrometer-based systems (SD-OCT) was combined with a broadband supercontinuum light source, used so far mainly in the time-domain (TD-OCT), to enable the sub-micron-resolution spectral domain optical coherence tomography (SMR SD-OCT). The supercontinuum generation effects with virtually white probing light and enables not only superior resolution, but also, e.g., true-colour OCT imaging. The measurements performed on the inkjet-printed colour filters confirm that despite the absorptive properties of the materials, characterization of the few-microns-thin ink layers is possible using visible range of the electromagnetic spectrum and spectral domain OCT. The study shows the potential and versatility of OCT in the printed electronics characterization. In addition, the Thesis discusses further development of the technique, needed to fully match the challenging requirements of the on-line quality inspection. / Tiivistelmä Väitöstyössä sovelletaan optista koherenssitomografiaa (OCT) painetun elektroniikan kontaktittomaan ja kohdetta rikkomattomaan karakterisointiin. Väitöstyö pohjautuu tuloksiin, joissa OCT-tekniikkaa on hyödynnetty ensimmäistä kertaa painettavan elektroniikan rakenteen karakterisoinnissa. Tekniikan soveltuvuutta tutkittiin mittaamalla useita erilaisia näytteitä. Mitattua dataa käytettiin pinnan topografian ja näytteen dimensioiden määritykseen. Lisäksi tutkittiin tekniikan soveltuvuutta monikerrosrakenteiden ja useista eri materiaaleista koostuvien näytteiden mittaukseen. OCT-mittaukset tehtiin seuraaville näytteille; silkkipainetuille johteille ja eristeille, mikrokanaville, polymeerillä päällystetyille mikroskooppilaseille ja orgaanisista aineista valmistettu kanavatransistoreille (OFET) sekä mustesuihkutulostimella valmistetuille värisuodattimille. Orgaaniset materiaalit ja painettava elektroniikka suojataan yleensä koteloinnilla. Tässä väitöstyössä esitellään uusi menetelmä koteloinnin tarkastukseen. Tulokset osoittavat, että OCT-tekniikkaa voidaan hyödyntää 1-2 mikrometrin paksuisen eristekerroksen volumetrisen rakenteen karakterisointiin kohdetta rikkomatta. Tässä väitöstyössä tehdyt mittaukset tehtiin aika- ja spektritason OCT-laitteilla. Huolimatta siitä, että väitöskirjatutkimus keskittyi tekniikan uusiin sovelluksiin, väitöstyössä havaittiin käytettävissä olevien laitteiden puutteellisuudet, jonka vuoksi myös uusi OCT-laite kehitettiin. Spektrometriin pohjautuvan OCT-systeemin (SD-OCT) nopeus yhdistettiin laajakaistaisen supercontinuum valonlähteen kanssa, jota on käytetty aikaisemmin käytännössä vain aikatason OCT-laitteissa (TD-OCT). Laajakaistainen valonlähde mahdollistaa jopa alle mikrometrin syvyyssuuntaisen resoluution. Supercontinuum valonlähde tuottaa käytännöllisesti katsoen valkoista valoa, joka mahdollistaa sekä erinomaisen tarkkuuden, että objektin luonnollisen värin mittaamisen. Mittaustulokset värisuodattimilla osoittavat, että vaikka suodattimissa käytetyt materiaalit absorpoivat spektritason OCT:ssa hyödynnettyä näkyvän aallonpituusalueen spektriä, tekniikalla on mahdollista mitata muutamien mikrojen paksuisia värisuodatinkalvoja. Väitöstutkimus osoittaa OCT-tekniikan monipuolisuuden ja mahdollisuudet painettavan elektroniikan karakterisoinnissa. Lisäksi väitöstyö käsittelee tekniikan jatkokehitystä, jotta se voisi vastata mahdollisimman hyvin reaaliaikaisen laadunvalvonnan tarpeisiin.

The detection of Earth-like exoplanets and the characterization of their atmospheres is a challenge one needs to solve to assess their habitability and the presence of life in the universe. If this challenge is still unresolved today, even in the era of giant telescopes, it is mainly because of the very high contrast between these exoplanets and their host star and also their proximity. To overcome both of these constraints, a new method combining high-dispersion spectroscopy and nulling interferometry has been imagined. The idea is to use the nulling interferometry to attenuate the star light emission and detect the inner rocky planets with a high angular resolution. The high-dispersion spectroscopy is increasing the exoplanet detectability significantly which enables to relax the star attenuation requirement for an Earth-like observation. Our simulation made for an exoplanet similar to the Earth orbiting Proxima Centauri is giving a condition for the star attenuation ∼10−4 to detect it. Given this condition, we are able to evaluate the unability of a photonic device at our disposal to achieve such performance without dealing with its limitations. If a future project manages to overcome these limitations, this device could be part of a precursor instrument at IPAG to demonstrate experimentally the performance of high-dispersion nulling interferometry. / Upptäckten av jordliknande exoplaneter och karakteriseringen av deras atmosfärer är en utmaning man behöver lösa för att bedöma deras beboelighet och närvaron av liv i universum. Om denna utmaning fortfarande inte är löst idag, även i jätteteleskopens tid, beror det främst på den mycket höga kontrasten mellan dessa exoplaneter och deras värdstjärna och också deras närhet. För att övervinna båda dessa begränsningar har en ny metod som kombinerar högdispersionsspektroskopi och nullingsinterferometri föreställts. Idéen är att använda nullingsinterferometrin för att minska stjärnljusemissionen och upptäcka de inre steniga planeterna med hög vinkelupplösning. Spektroskopin med hög dispersion ökar exoplanetens detekterbarhet betydligt vilket gör det möjligt att minska stjärndämpningsbehovet för en jordliknande observation. Vår simulering för en exoplanet som liknar jorden som kretsar omkring Proxima Centauri ger ett tillstånd för stjärndämpningen att ∼10−4 för att upptäcka den. Med tanke på detta villkor kan vi utvärdera oförmågan hos en fotonisk enhet till vårt förfogande för att uppnå sådan prestanda utan att hantera dess begränsningar. Om ett framtida projekt lyckas övervinna dessa begränsningar kan den här enheten vara en del av ett föregångarinstrument på IPAG för att experimentellt visa prestanda för högdispersionsnullningsinterferometri.

Abstract Integrated optical (IO) sensor allowing sensitive, label-free, real-time and multi-parameter monitoring of bio-molecular interactions are conventionally fabricated with inorganic dielectrics inherited from CMOS manufacturing technology. Polymers as complement materials to inorganic dielectrics are becoming to have an increasing market share for IO circuits in optical communications networks owing to its good optical properties, versatile processibility and low cost. This work aims at developing disposable low-cost biosensors based mainly on polymeric materials, with a performance comparable to inorganic-dielectric based IO biosensors. This thesis describes the development of polymer IO biosensors based on the Young interferometer (YI) transducer platform for ambient noise compensation and a complete periodic intensity fringe pattern. Three different waveguide configurations were utilized, taking into consideration operational simplicity, fabrication simplicity and enhanced sensitivity. Among the developed polymer biosensors, an unconventional interferometer structure: a vertically placed dual-slab waveguide interferometer and an inverted rib waveguide configuration were employed. To enhance the sensitivity of the waveguides, deposition of Ta2O5 high index coating was performed on the rib waveguide configuration. Along with the development of polymer biosensors based on the inverted-rib waveguide configuration, a fabrication process was also developed featuring UV-imprinting and spin coating. The simple two-step fabrication process demonstrated using a polymer mold is potentially transferable to the roll-to-roll manufacture process. Calibration of the developed sensors was performed by homogeneous refractive index (RI) sensing with glucose de-ionized water solutions. By investigating an antibody – antigen binding interaction involving C-reactive protein and its conjugates, this thesis confirmed the applicability of the developed sensors to specific molecule detection. Moreover, to establish the influence of water molecular absorption on measurement stability, an evaluation was carried out on the polymeric waveguide. Finally, the thesis presented a comparison between the developed sensors, exploring their sensitivities, stabilities, limits of detection (LODs) and other aspects related to operation and fabrication. The results indicated that the Ta2O5-coated polymer waveguide sensor had a high sensing capability. In homogeneous RI sensing, the achieved detection limits were 9×10-7 RIU (refractive index unit), i.e., three times the noise level, and 270 fg/mm2 for surface mass density. / Tiivistelmä Integroidulla optiikalla toteutetut anturit mahdollistavat biomolekulaarisen vuorovaikutuksen tutkimisen käyttäen herkkiä moniparametrisia ja merkkiaineettomia menetelmiä. Näiden bioantureiden valmistukseen käytetään tavallisesti CMOS-teknologian piiristä tuttuja epäorgaanisia puolijohteita ja eristemateriaaleja. Viime aikoina on kuitenkin polymeeristen materiaalien käyttöä integroidussa optiikassa tutkittu merkittävästi johtuen polymeerien hyvistä optisista ominaisuuksista, monipuolisesta työstettävyydestä ja edullisista kustannuksista. Tämän työn tarkoituksena on kehittää edullisia, kertakäyttöisiä, pääasiallisesti polymeerisistä materiaaleista valmistettuja bioantureita, jotka vastaavat suorituskyvyltään epäorgaanisista materiaaleista valmistettuja integroidun optiikan antureita. Tässä työssä kehitetyt polymeeriset integroidun optiikan bioanturit perustuvat Youngin interferometriin mahdollistaen ympäristökohinan kompensoinnin ja ne tuottavat pintavuorovaikutusten tutkimiseen jaksoittaisen interferenssikuvion. Työssä hyödynnettiin kolmea erilaista valokanavarakennetta huomioiden niiden käytön helppous, valmistuksen yksinkertaisuus ja mittausherkkyys. Yksi kehitetyistä polymeerisistä bioantureista koostui päällekkäisistä kerrostetuista polymeerikerroksista. Toisen tutkitun rakenteen toiminta puolestaan perustui käänteiseen harjannevalokanavaan. Mittausherkkyyttä parannettiin pinnoittamalla polymeerirakenne Ta2O5-pinnoitteella. Näin muodostui kerrostettu komposiittivalokanava, joka oli tässä työssä tutkittu kolmas sensorirakenne. Itse bioanturien lisäksi kehitettiin myös valmistusprosessi, jossa hyödynnettiin UV-painatusta ja nestefaasipinnoitusta. Tässä työssä havaittiin lisäksi, että kehitetty yksinkertainen valmistusmenetelmä on paitsi toimiva, myös mahdollisesti siirrettävissä rullalta rullalle valmistus- ja tuotantoteknologiaan. Kehitettyjen anturien kalibrointi suoritettiin homogeenisella taitekerroinmittauksella käyttäen liuoksia, jotka valmistettiin glukoosista ja deionisoidusta vedestä. Kehitettyjen anturien soveltuvuus spesifien molekyylien tunnistamista varten todennettiin tutkimalla vasta-aineiden ja antigeenien sitoutumisreaktioita ja vuorovaikutusta C-reaktiivisella proteiinilla ja sen konjugaateilla. Lisäksi työssä tutkittiin veden absorption vaikutusta mittauksen stabiilisuuteen. Tutkimuksessa suoritettiin vertailu kehitettyjen anturien ja niiden ominaisuuksien välillä kiinnittäen huomiota mittausherkkyyteen, stabiilisuuteen, määritys- ja toteamisrajoihin ja muihin anturien valmistukseen sekä käyttöön liittyviin keskeisiin piirteisiin. Tulokset osoittavat, että Ta2O5-pinnoitetun polymeerivalokanavan mittausherkkyys oli suurin vertailluista rakenteista. Homogeenisessä taitekerroinmittauksessa saavutettu määritys- ja toteamisraja oli 9×10-7 taitekerroinyksikköä (RIU). Pintamassatiheysmittauksessa saavuttu tulos oli 270 fg/mm2.