Journal Club 2014년도 | Tanabe Photonic Structure Group

Journal Club

연도별(4월-12월)

2014년도

발표 내용:

디바이스의 고집적화, 저소비전력화 요구에 따라 전자부품의 나노 스케일화가 요구되고 있다. 본 연구에서는 알루미늄 와이어의 주름 부분에 원자 크기의 알루미늄 접점을 형성하여 원자 스위치를 형성하였다. 이는 접점부에 전류를 흘려보냄으로써 발생하는 일렉트로마이그레이션이라고 불리는 원자의 위치 변화에 따른 전기전도도 변화를 이용하고 있다. 본 연구에서는 전기전도도의 쌍안정성을 이용하여 메모리 응용도 하고 있다.

발표 내용:

생체 내 대사에서 가스 분자가 언제, 어디서, 어떤 역할을 하는지에 대해서는 아직 밝혀지지 않은 점이 많다. 이는 가스의 성질 자체와 측정의 어려움에 기인한다. 가스 분자의 검출에서 종종 라만 산란광을 측정하는 경우가 있는데, 라만 산란광은 강도가 약해 검출이 어렵다. 본 논문에서는 보다 저렴하고 간단하게 Surface Enhanced Raman Scattering(SERS)을 이용하여 생쥐의 뇌 절편의 라만 스펙트럼을 측정하고 매핑하는 새로운 장치를 제작하는 데 성공했다.

발표 내용:

최근 광방사압에 의한 광역학이 연구되고 있지만, 그 동작은 수 nm로 매우 작아 응용에 적합하지 않다고 여겨지고 있다. 본 논문에서는 "photon see-saw"라는 구조를 제작하고, 광역학에 의한 회전을 이용하여 두 개의 공진기를 결합하여 광자 교환에 성공하였다.

발표 내용:

양자통신에서 안정적인 단일 광자 소스를 개발하는 것은 중요한 과제이다. 이 해결책으로 양자점을 들 수 있다. 원자계를 여기 준위로 올리기 위해 펄스 레이저를 입사하는데, 이때 펄스 면적의 변화에 따라 단일 광자 발생 횟수에서 라비 진동이 발생하기 때문에 단일 광자 발생의 안정성은 레이저 강도에 크게 의존하게 된다. 본 연구에서는 입사하는 펄스에 포지티브 차프를 가하는 Adiabatic Rapid Passage라는 기법을 이용하여 안정적으로 단일광자를 발생시켰으며, 99.5%의 확률로 동일한 성질의 단일광자를 연속적으로 발생시켰음을 Hong Ou Mandel interference를 통해 확인하였다.

발표 내용:

양자통신에서 Cavity QED는 단일 광원으로서 또는 양자 상태를 빛으로 주고받기 위해 사용할 수 있는 유명한 개념으로, Cavity QED 내의 원자는 항상 라비 진동이라고 불리는 여기 준위와 기준 준위를 오가는 진동을 가지고 있다. 이 진동을 제어함으로써 양자정보의 통신을 제어할 수 있다고 생각된다. 그러나 이 제어는 마이크로파 영역에서는 달성되었지만, 광학 영역(optical frequency)에서는 달성되지 않았다. 본 논문에서는 광결정과 스탈크시프트 효과를 이용하여 이를 달성한 것을 설명한다.

발표 내용:

양자 역학에서는 중첩 상태를 식별할 수 있느냐 없느냐에 따라 양자 간섭의 발생 여부가 결정된다. 또한, 양자 얽힘 상태의 한 쪽을 관찰하면 다른 쪽의 상태를 알 수 있다. 본 논문에서는 이 두 가지 흥미로운 성질을 이용한 양자 이미지의 개념을 제시한다. 구체적으로는 검출하고자 하는 물체와 상호작용을 일으킨 빛 자체는 검출하지 않고, 그 물체를 이미지화할 수 있는 시스템이다. 이를 통해 검출기나 광원의 선택의 폭이 넓어질 것으로 기대된다. 또한, 본 방법은 양자 이미징의 다른 방법에 비해 동시 계수 측정을 할 필요가 없다는 장점이 있다.

발표 내용:

클로킹 기술이나 하이퍼렌즈에 응용이 기대되는 메타물질이지만, 그 거동은 메타물질을 구성하는 재료와 배열 방식에 따라 결정되기 때문에 높은 굴절률 등 자연계에 거의 존재하지 않는 재료를 필요로 하는 것은 제작이 어렵다고 알려져 왔다. 본 논문에서는 메타물질 비트라고 불리는 두 가지 재료만을 조합하여 모든 유전율을 가진 메타물질 바이트를 만들고, 이를 적절히 배치하여 하이퍼렌즈 등을 제작할 수 있음을 보여주었다.

발표 내용:

얇고 부드러운 플라스틱 기판 위에 광소자를 제작하여 인체 피부 표면에 활용할 수 있는 센서 등의 응용에 도움이 되지만, 기존의 패브리케이션 방법으로는 복잡하게 통합하기 어렵고 용량도 제한적이었다. 이번에 저자들은 고굴절률 콘트라스트의 칼코겐 화합물 유리를 이용하여 부드러운 한 장의 포토닉 소자를 제작하였다. 이러한 기술의 발전은 다양한 광소자에 대한 응용이 기대된다. 이번 발표에서는 이 기술을 이용하여 수행한 몇 가지 실험을 소개하고자 한다.

발표 내용:

금을 재료로 한 메타물질에 의한 초박막 렌즈는 이미 연구되어 왔지만, 본 연구에서는 공정의 용이성과 경제성에서 장점이 있는 실리콘만을 이용한 초박막 렌즈를 설계 및 제작하였다. 보통은 위상을 0~2π만큼 공간적으로 변조하여 파면을 성형하지만, 이번에는 0~π까지의 변조와 원편광을 조합하여 렌즈를 설계한다. 발표에서는 본 연구 외에도 실리콘 베이스로 제작된 초박막 렌즈에 관한 연구도 소개할 예정이다.

발표 내용:

광자는 자기장과 직접적으로 상호작용하지 않는 중성입자이지만, 최근 이론적 연구에서 빛의 위상이 전파 방향에 따라 변화하는 경우 광자의 유효 자기장이 존재할 수 있다는 사실이 밝혀졌다. 이번에 이 유효 자기장의 영향을 실리콘 기반 램지형 간섭계를 이용하여 실험적으로 관찰하였다. 간섭계 길이가 8.35mm일 때 간섭무늬 소광비 2.4dB의 비상대 2π 위상변화에 해당하는 0~2π의 유효자속을 얻었으며, 이 비상대 위상변화는 일반적인 자성광학 재료를 이용한 모놀리식 집적형 소자에서 얻을 수 있는 것과 비슷하다. 발표에서는 S. Fan 등의 유효 자기장에 관한 이론적 연구에 대해서도 설명할 예정이다.

발표 내용:

테라헤르츠 광은 센싱, 무선통신 등에 응용이 기대되고 있지만, 검출에 사용되는 소자는 크기 문제가 있다. 메타물질 등을 이용한 미세 소자에 의한 검출 연구가 진행되고 있지만, 검출 가능한 주파수 대역이 좁다는 문제점이 있었다. 본 논문에서는 포토닉 결정체를 이용하여 구조에 몇 가지 개선을 가함으로써 미세한 소자에서 넓은 주파수 대역에서의 검출을 가능하게 하였다.

발표 내용:

최근 빛에 의한 정보 통신에 대한 연구가 진행되면서 미세광공진기나 EIT를 이용한 광신호 메모리에 대한 관심이 높아지고 있다. 본 연구는 디바이스에 입사되는 빛을 제어함으로써 디바이스의 구조적 기계적 상태의 차이를 발생시킬 수 있음을 보여주었고, 실제로 이 상태의 차이에 따라 신호를 식별하고 저장함으로써 신호의 저장 시간 및 상온에서의 구동 등의 점을 개선하였다.

발표 내용:

극저온에서 분자나 원자와 같은 작은 단위의 광학 검출은 라만 산란, 흡수, 형광 등을 통해 이미 증명된 바 있다. 그러나 이미 검출된 것은 단일 분자의 앙상블 신호이며, 방출된 신호의 디코히어런스로 인해 피코초 단위로 빠르게 감쇠하는 따라서, 진정한 의미의 "단일" 분자 진동 검출의 의미는 본 논문에서 처음 보고되었다. 이번 강연은 개인적인 사정으로 인해 영어로 진행됩니다.

발표 내용:

최근에는 동영상 다운로드 등 방대한 데이터 통신이 많아지면서 더 큰 용량의 통신이 요구되고 있다. 광통신에서는 그 통신 용량을 높이기 위해 파장 분할 다중화나 시간 분할 다중화, 편광 분할 다중화 등 다양한 다중화가 고려되어 왔다. 본 연구에서는 이에 추가할 수 있는 요소로 궤도각 주파수를 이용하여 편광과 함께 다중화함으로써 테라비트 단위의 대용량 통신을 실현하였다.

발표 내용:

업컨버전 나노입자는 적외선을 가시광선으로 변환할 수 있기 때문에 태양전지나 생태 이미징에 응용될 수 있을 것으로 기대되고 있다. 업컨버전 나노입자로 기능하기 위해서는 적외선을 흡수하는 감광제와 가시광선을 방출하는 활성제를 도핑해야 한다. 방출되는 가시광선의 강도는 활성제의 양에 따라 결정되며, 활성제의 양에는 최적의 양이 있다는 것이 선행연구를 통해 이미 밝혀졌다. 즉, 나노입자에서 방출되는 가시광선 강도는 본질적으로 한계가 있는 것으로 인식되고 있다. 본 논문에서는 이 한계를 뛰어넘는 방법을 검토하여 기존의 최고 강도로 여겨졌던 발광 강도보다 70배 강한 가시광선을 방출시키는데 성공하였다.

발표 내용:

CO2 레이저를 이용하여 토로이드 미세광공진기와 테이퍼 파이버를 용접적으로 결합시키는데 성공하여 Q값으로 3.21×10^5를 달성하였다. 또한 이를 펨토초 레이저를 사용하여 만든 3차원 미세 유로를 사용하여 토로이드 미세광공진기의 광학 측정을 실시하여 식염수 농도에 따라 변화하는 굴절률을 10^-4의 순서로 측정하는 데 성공했다. 이 실험의 포인트는 높은 Q값을 갖는 토로이드 미세광공진기와 3차원적 미세유로를 패키징한 점에 있다.

발표 내용:

pn 접합이 내장된 광결정 도파관을 이용하여 10Gb/s의 광변조를 처음으로 구현했다. 광결정 도파관은 CMOS와 호환되는 공정으로 제작되었으며, 실리카 클래드(Silica Clad)로 덮여 있다. 광변조는 non-return-to-zero의 전기 신호를 이용하여 수행하였으며, 10Gb/s와 2Gb/s의 변조 속도에서 각각 양호한 아이패턴을 관찰하였다. 발표에서는 슬로우 라이트와 CMOS 호환 공정을 이용한 광결정 공진기 관련 연구도 소개할 예정이다.

발표 내용:

절대적으로 안전한 통신 방법으로 단일 광자에 의한 양자키 전달이 제안되고 있지만, 양자통신 네트워크를 구현할 때의 문제점 중 하나로 고정밀도의 수신기(검출기)가 각각 필요하다는 점을 들 수 있다. 이에 본 연구에서는 수신기 하나에 대해 송신자 복수의 송신자 대 다수의 네트워크를 제안하고, 실제 실험을 통해 검토를 진행하였다. 사용하는 수신기가 하나이기 때문에 쉽게 네트워크를 구축할 수 있으며, 이를 통해 양자통신이 보다 친근하게 다가갈 수 있을 것으로 기대된다.

발표 내용:

최근 랜덤 레이저 등 랜덤한 매질, 구조의 소자에 관한 분야에서 주목할 만한 연구 성과가 많이 보고되고 있다. 랜덤 소자에서는 빛의 모드도 여러 가지로 랜덤하게 되는데, 이론적으로 특정 모드의 빛을 선택할 수 있다는 것이 밝혀졌다. 본 연구에서는 실제로 그 디바이스를 제작하여 그 결과를 검증하였다. 또한 디바이스에 포스트 프로세스를 추가함으로써 어떤 현상이 발생하는지 검증하고 있다. 당일에는 실험 결과를 중심으로 설명할 예정이다.

발표 내용:

최근 Cavity QED 등 원자와 광학 소자의 결합에 관한 분야에서 주목할 만한 연구 성과가 많이 보고되고 있다. 본 연구에서는 Alligator Photonic crystal waveguide(APCW)라는 특수한 형태의 광결정 도파관을 새롭게 제안하였다. 이 APCW의 특징으로는 APCW 자체가 원자를 도파관 부근에서 캐치-조작할 수 있다는 점이다. 이 APCW의 향후 전망으로 동일 칩에 집적된 원자와 광자를 혼합하는 시스템을 구축할 수 있게 될 것이다. 당일에는 APCW의 자세한 원리를 설명할 예정이다.

발표 내용:

우주선 개발 중 태양의 광압을 추진력으로 하는 우주선인 솔라세일(Solar Sail)의 개발이 진행되고 있다. 기존에는 돛이 되는 박막의 반사율을 변화시켜 추진력을 제어하는 방법이 일반적이지만, 본 논문에서는 물체의 구조에 의한 광압의 추진력 제어를 제안하고 계산 과정과 실증을 수행하였다. 이는 새로운 태양열 돛의 설계 방법이 될 수 있는 성과이다.

발표 내용:

손실과 이득이 균형 잡힌 광학 시스템은 고전적 양자 시스템과 유사한 독특한 플랫폼을 제공할 수 있다. 본 논문에서는 비선형 효과가 증가되는 고밀도로 빛을 모은 광공진기 안에서 패리티 타임(PT) 대칭성 파괴가 일어나고 있음을 보였다. 이번 발표는 다소 생소한 분야이지만, 최대한 알기 쉽게 설명할 수 있도록 노력하여 발표하고자 한다.

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Journal Club이란?
타나베 포토닉 구조 연구실에서 개최하는 공개 논문 윤강입니다. 대학원생 이상의 학생이, 광과학, 재료, 바이오사이언스 등, 빛과 그 주변기술에 관련하는 논문을 조사해, 알기 쉽게 해설합니다.

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