Abstract Doppler optical coherence tomography (DOCT) provides a non-disruptive, high resolution and real-time method for imaging flow velocity profiles inside small channels and capillaries. DOCT has been mostly used in the biomedical field to image blood flow. However, applications in the field of rheology have been rare. In this thesis, the time domain DOCT (TD-DOCT) was utilized to measure flow velocity profiles inside capillaries with high resolution. Time domain configuration was chosen due to the ability to implement dynamic focusing and, in addition, to have sufficient velocity range, especially at high speeds. The accuracy and reliability of the laboratory-built DOCT device was verified with Newtonian suspension and, further, the performance was compared to the commercial DOCT. In vivo measurements with slime mould Physarum polycephalum showed the versatility of DOCT to measure the flow velocity profile of a different kind of scattering suspension even with very low flow rates. The effects of multiple scattering on the accuracy of the measured flow velocity profiles were experimentally studied with two phantom configurations. The first case consisted of the static superficial layer, where the plain glass capillary with flowing Intralipid suspension was embedded into a cuvette. In the second case the moving superficial layer was made by introducing a second glass capillary in front of the studied flow. The results showed that multiple scattering has noticeable effect on the accuracy of the measured flow velocity profiles, especially at the deeper regions. Novel application of the DOCT technique is presented by implementing it to a capillary viscometer. As a result, the absolute viscosity of the Newtonian suspension is derived with high precision directly from the measured flow velocity profile and pressure drop without making any assumption of the flow under study. The results are consistent with the reference values measured with the commercial viscometer. / Tiivistelmä Doppler optinen koherenssitomografia (DOCT) on tekniikka, jolla on mahdollista mitata suspensioiden virtausnopeusprofiili virtausta häiritsemättömästi, reaaliaikaisesti ja tarkalla resoluutiolla ohuista kapillaareista. DOCT-tekniikkaa on hyödynnetty erityisesti lääketieteen alueella silmän rakenteen kuvantamisessa ja veren virtausmittauksissa. Tekniikan sovellukset nesteiden reologian tutkimuksessa ovat olleet harvinaisia. Tämän työn tarkoituksena on kehittää DOCT-tekniikkaa ja soveltaa sitä kapillaariviskometrissä viskositeetin määritykseen suoraan mitatusta virtausnopeusprofiilista. Tässä työssä hyödynnettiin laboratoriossa rakennettua aikatason DOCT-laitetta (TD-DOCT), jolla mitattiin virtausnopeusprofiili kapillaarin sisältä mikrometrien resoluutiolla. TD-DOCT valittiin, koska siinä voitiin käyttää dynaamista fokusointia parantamaan sivusuuntaista resoluutiota ja signaali-kohinasuhdetta. Tämän lisäksi se soveltuu laaja-alaisesti eri virtausnopeuksille, erityisesti nopeille virtauksille. Rakennetun DOCT-laitteen tarkkuus ja luotettavuus todennettiin mittaamalla Newtonista suspensiota ja vertaamalla mittaustuloksia kaupallisella DOCT:lla tehtyihin mittauksiin. Mittaukset elävässä organismissa, Physarum polycephalum -limasienessä, osoittavat laitteen soveltuvuuden erilaisten suspensioiden virtausnopeusprofiilin mittaukseen myös hyvin hitaissa virtauksissa. Moninkertaisen sironnan vaikutusta mitattujen profiilien tarkkuuteen tutkittiin kahdella eri konfiguraatiolla. Ensimmäisessä asetelmassa virtausnopeusprofiili mitattiin kapillaarista, joka oli upotettu valoa sirottavaan Intralipid-suspensioon, ja jonka upotussyvyyttä voitiin säätää. Toisessa asetelmassa muodostettiin dynaaminen valoa sirottava kerros asettamalla toinen Intralipidiä sisältävä kapillaari mitattavan kapillaarin eteen. Tulokset osoittavat, että monikertainen sironta vaikuttaa mitatun virtausnopeusprofiilin tarkkuuteen erityisesti kun valoa sirottava kerroksen paksuus kasvaa. Tässä työssä DOCT -tekniikkaa käytetään ensimmäistä kertaa kapillaariviskometrin yhteydessä. Newtonisen suspension absoluuttinen viskositeetti määritetään hyvin tarkasti suoraan mitatusta virtausnopeusprofiilista ja painehäviöstä ilman oletuksia virtaavasta nesteestä. Mitatut viskositeettiarvot vastaavat vertailumittauksia, jotka tehtiin kaupallisella rotaatioviskosimetrilla.

Abstract The aim of this thesis was to develop time-to-digital converters (TDC) for the integrated receiver of a pulsed time-of-flight (TOF) laser rangefinder aiming at cm-level accuracy over an input range of 10 m – 15 m. A simple structure, a high integration level and low power consumption are the desired features for such a TDC. From the pulsed TOF laser rangefinder point of view an integrated receiver consisting of both the TDC and the receiver channel on the same die offers the possibility of manufacturing these laser rangefinders with a high integration level and at a low price to fulfil the needs of mass industrial markets. The heart of the TDC is a CMOS ring oscillator, the clock frequency of which is used to calculate the full clock cycles between timing signals, the positions of the timing signals inside the clock period being determined by storing the state of the phase of the ring oscillator for each timing signal. This will improve the resolution of the TDC. Also, additional delay lines are used to generate multiple timing signals, each having a time difference of a fraction of that of the ring oscillator. This will further improve the resolution of the whole TDC. To achieve stable results regardless of temperature and supply voltage variations, the TDC is locked to an on-chip reference voltage, or the resolution of the TDC is calibrated before the actual time interval measurement. The systematic walk error in the receiver channel caused by amplitude variation in the received pulse is compensated for by the TDC measuring the slew rate of the received pulse. This time domain compensation method is not affected by the low supply voltage range of modern CMOS technologies. Three TDC prototypes were tested. A single-shot precision standard deviation of 16 ps (2.4 mm) and a power consumption of 5.3 mW/channel were achieved at best over an input range of 100 ns (15 m). The temperature drifts of an on-chip voltage reference-locked TDC and a TDC based on the calibration method were 90 ppm/°C and 0.27 ps/°C, respectively. The results also showed that a pulsed TOF laser rangefinder with cm-level accuracy over a 0 – 15 m input range can be realized using the integrated receiver with the time domain walk error compensation described here. / Tiivistelmä Väitöskirjatyön tavoitteena oli kehittää aika-digitaalimuunninrakenteita valopulssin kulkuajan mittaukseen perustuvan lasertutkan integroituun vastaanottimeen. Tavoitteena oli saavuttaa senttimetriluokan tarkkuus 10 m – 15 m mittausalueella koko lasertutkan osalta. Aika-digitaalimuuntimelta vaaditaan yksinkertaista rakennetta, korkeaa integroimisastetta ja matalaa tehonkulutusta. Integroitu vastaanotin sisältää sekä aika-digitaalimuuntimen että vastaanotinkanavan ja tarjoaa mahdollisuuden korkeasti integroidun lasertutkan valmistukseen halvalla teollisuuden massamarkkinoiden tarpeisiin. Aika-digitaalimuuntimen ytimenä toimii monivaiheinen CMOS-rengasoskillaattori. Aika-digitaalimuunnos perustuu rengasoskillaattorin täysien kellojaksojen laskentaan laskurilla ajoitussignaalien välillä. Lisäksi rengasoskillaatorin jokaisesta vaiheesta otetaan näyte ajoitussignaaleilla niiden paikkojen määrittämiseksi kellojakson sisällä, jolloin aika-digitaalimuuntimen erottelutarkkuutta saadaan parannettua. Erottelutarkkuutta parannetaan lisää viivästämällä ajoitussignaaleja viive-elementeillä ja muodostamalla näin useita erillisiä ajoitussignaaleja, joiden väliset viive-erot ovat murto-osa rengasoskillaattorin viive-elementin viiveestä. Aika-digitaalimuunnin stabiloidaan käyttöjännite- ja lämpötilavaihteluja vastaan lukitsemalla se integroidun piirin sisäiseen jännitereferenssiin, tai sen erottelutarkkuus määritetään ennen varsinaista aikavälinmittausta erillisellä kalibrointimittauksella. Vastaanotetun valopulssin amplitudivaihtelun aiheuttama systemaattinen ajoitusvirhe integroidussa vastaanotinkanavassa kompensoidaan mittaamalla vastaanotetun valopulssin nousunopeus aika-digitaalimuuntimella. Tällainen aikatasoon perustuva kompensointimetodi on myös suorituskykyinen nykyisissä matalakäyttöjännitteisissä CMOS-teknologioissa. Työssä valmistettiin ja testattiin kolme aika-digitaalimuunninprototyyppiä. Muuntimien kertamittaustarkkuuden keskihajonta oli parhaimmillaan 16 ps (2,4 mm) ja tehonkulutus alle 5,3 mW/kanava mittausetäisyyden olessa alle 100 ns (15 m). Sisäiseen jännitereferenssiin lukitun aika-digitaalimuuntimen lämpötilariippuvuudeksi mitattiin 90 ppm/°C ja kalibrointimenetelmällä saavutettiin 0,27 ps/°C lämpötilariipuvuus. Työssä saavutetut tulokset osoittavat lisäksi, että valopulssin kulkuajan mittaukseen perustuvalla lasertutkalla on saavutettavissa senttimetriluokan tarkkuus 0 – 15 m mittausalueella käyttämällä tässä työssä esitettyä integroitua vastaanotinta ja aikatason ajoitusvirhekompensointia.

Abstract In visible light communication (VLC), light emitting diodes (LEDs) are used as transmitters; the air is the transmission medium and the photodiodes are used for receivers. This is often referred to as light fidelity (Li-Fi). In this thesis, we provide the methodology to evaluate the performance of VLC hotspot networks in the context of data downloading on the move scenarios by using throughput-distance relationship models. In this context, first we study the different properties of optical transceiver elements, noise sources, characterization and modelling of artificial light interference, different link topologies and then we introduce the throughput-distance relationship model. Secondly, the analytically based throughput-distance relationship has been developed for evaluating the performance of VLC hotspot networks in indoor environment in both day and night conditions. Simulation results reveal that background noise has a significant impact on the performance of VLC hotspots. As expected, in both indoor and outdoor environments the VLC hotspot performs better at night than during day. The performance of VLC hotspot networks is also quantified in terms of received file size at different bit error rate requirements and velocities of the mobile user. Thirdly, we study the performance of hybrid (Radio-Optical) WLAN-VLC hotspot and compare its performance with stand-alone VLC-only or WLAN-only hotspot cases. In this case, we also consider the data download on the move scenarios in an indoor environment for a single-user as well as for multi-user cases. In this hybrid WLAN-VLC hotspot, both the WLAN and the VLC are characterized by their throughput and communication range. Simulations have been performed to evaluate the performance of such network for data downloading on the move scenario by taking into account performance metrics such as filesize, average connectivity and system throughput. Simulation results reveal that the considered hybrid WLAN-VLC performs always better than stand-alone VLC-only or WLAN-only hotspot both for a single and multi-user cases. Finally, this thesis analyses the feasibility and potential benefits of using hybrid radio-optical wireless systems. In this respect, cooperative communication using optical relays are also introduced in order to increase the coverage and energy efficiency of the battery operated device. Potential benefits are identified as service connectivity and energy efficiency of battery operated device in an indoor environment. Simulation results reveal that user connectivity and energy efficiency depend on user density, coverage range ratio between single-hop and multi-hop, relay probabilities and mobility of the user. / Tiivistelmä Näkyvään valoon pohjautuvassa tiedonsiirrossa (VLC) valodiodeja (LED) käytetään lähettiminä, ilma on siirtokanava ja valoilmaisimia käytetään vastaanottimina. Tätä kutsutaan usein nimellä light fidelity (Li-Fi). Tässä työssä tarjoamme menetelmiä VLC ”hotspot” verkkojen suorituskyvyn arviointiin tiedonsiirtonopeus-etäisyysmalleilla skenaarioissa, jossa tietoa ladataan liikkeessä. Tässä kontekstissa tutkimme ensin optisen lähettimen komponenttien eri ominaisuuksia, kohinan lähteitä, keinovalon häiriömalleja ja tiedonsiirtolinkkien topologioita, jonka jälkeen esittelemme tiedonsiirtonopeuden ja etäisyyden välisen mallin. Toiseksi kehitetyn analyyttisen tiedonsiirto-etäisyys mallia käytetään arvioitaessa VLC hotspot verkkojen suorituskykyä sisäympäristössä sekä päivä että yö olosuhteissa. Simulointien tulokset osoittavat, että taustakohinalla on suuri vaikutus VLC verkkojen suorituskykyyn. Kuten odotettua, sisä- ja ulkotiloissa VLC hotspot toimii paremmin yöllä kuin päivällä. VLC hotspot verkkojen suorituskyky arvioidaan myös vastaanotetun tiedoston koon, eri bittivirhesuhteen vaatimuksilla ja liikkuvan käyttäjän nopeuden suhteen. Kolmanneksi tutkimme hybridi WLAN-VLC hotspot verkon suorituskykyä ja vertaamme sen suorituskykyä pelkän VLC- tai WLAN hotspot tapauksessa. Käsittelemme myös skenaarioita jossa tiedoston lataus tapahtuu liikkeessä sisätilassa yhden käyttäjän sekä monen käyttäjän tapauksissa. Tässä hybridi WLAN-VLC hotspot, sekä erilliset WLAN- ja VLC verkot ovat määritelty niiden tiedonsiirtonopeuden ja kantaman perusteella. Näiden verkkojen suorituskykyä arvioitaessa on tehty joukko tietokonesimulointeja verkossa tapahtuvasta tietojen lataamisesta liikkeessä ottamalla huomioon suorituskyvyn mittarit kuten tiedoston koko, keskimääräinen yhteyden kesto ja saavutettu läpäisy. Simuloinnin tulokset paljastavat, että hybridi WLAN-VLC toimii aina paremmin kuin pelkkä VLC tai WLAN hotspot sekä yhden että monen käyttäjän tapauksessa. Lopuksi työssä analysoidaan ehdotetun järjestelmän toteutettavuus ja mahdolliset edut käytettäessä hybridejä radio-optisia langattomia järjestelmiä. Tältä osin esitellään myös kooperatiiviseen viestintään perustuvat optiset releet parantamaan verkon kattavuutta ja energiatehokkuutta akkukäyttöisissä laitteissa. Mahdolliset hyödyt tunnistetaan palvelun konnektiivisuudessa ja energiatehokkuudessa akkukäyttöisissä laitteissa sisätiloissa. Simulointien tulokset osoittavat, että käyttäjien konnektiivisuus ja energiatehokkuus riippuvat käyttäjätiheydestä, kantaman ja etäisyyden välisestä suhteesta yhden hypyn ja monen hypyn välillä, releointi todennäköisyydestä ja käyttäjien mobiliteetista.

Abstract This thesis reports on studies of plasmonic nanoparticles and particularly gold nanostars as signal enhancers and contrast agents for biophotonic applications including visualisation, treatment of living cells and chemical sensing. In this thesis, the optical properties of nanoparticles of different size and morphology and their silica composites were compared. Because they are the most suitable plasmonic nanostructures, gold nanostars were utilised for optical imaging modalities such as confocal microscopy and Doppler optical coherence tomography. The ability of gold nanoparticles to enhance the signal in surface-enhanced vibrational spectroscopy, including Raman and Fourier transform infrared spectroscopy was additionally studied. Finally, various gold nanoparticles were applied for cell optoporation to increase the penetration ability of exogeneous substances. In summary, significant advantages of nanostars such as their low-toxicity, high scattering and contrast abilities, in addition to a broad, tunable, plasmon resonance wavelength range, as well as the capability to enhance the signal of analyte molecules in vibrational spectroscopy were demonstrated in this thesis. The results of this study on the effectiveness of nanostars have a broad scope of utility and open a wide perspective for their utilisation in nanobiophotonics and biomedicine. / Tiivistelmä Tämä opinnäytetyö kertoo tutkimuksista, joissa plasmoninanopartikkeleita ja erityisesti kultananotähtiä on käytetty signaalinvahvistimina biofotoniikan sovelluksissa, kuten visualisointi, elävien solujen käsittely ja kemiallinen tunnistus. Tässä työssä verrattiin eri kokoisten ja muotoisten nanopartikkeleiden ja niiden piioksidikomposiittien optisia ominaisuuksia. Sopivimpina plasmoninanorakenteina kultananotähtiä käytettiin optisiin kuvantamismenetelmiin, kuten konfokaalimikroskopiaan ja Doppler-optiseen koherenssitomografiaan. Lisäksi kuvattiin myös kultananopartikkelien kykyä parantaa pinta-aktivoidun värähtelevän spektroskopian signaalia, mukaan lukien Raman- ja Fourier-muunnos-infrapuna-spektroskopia. Lopuksi, eri kultananopartikkeleita käytettiin soluoptoporaatioon eksogeenisten aineiden läpäisevyyden lisäämiseksi. Yhteenvetona, työssä osoitettiin nanotähtien merkittävät edut, kuten matala-myrkyllisyys, suuret sironta- ja kontrastiominaisuudet, laaja plasmoniresonanssin aallonpituusalue ja sen viritettävyys, sekä kyky parantaa analyyttimolekyylien signaalia värähtelyspektroskopiassa. Niinpä tutkimustulokset nanotähtien tehokkuudesta ovat laajasti käyttökelpoisia ja ne avaavat laajan näkökulman niiden hyödyntämiseen nanobiofotoniikassa ja biolääketieteessä.

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.