Journal Club 2017년도 | 다나베 광구조 그룹

Journal Club

연도별(4월-12월)

2017년도

발표 내용:

실리콘은 마이크로 일렉트로닉스 및 집적 포토닉스에서 우수한 소재이지만, 실리콘 칩에 직접 3차원 구조를 리소그래피하는 기술은 아직 확보되지 않았다.
이에 우리는 레이저를 이용하여 1μm 크기의 도트 및 임의의 길이의 막대 구조를 기본 단위로 하는 복잡한 3차원 구조의 제작을 시연하였다. 레이저로 변질된 실리콘은 칩 내에서 다양한 광학 소자를 형상화할 수 있을 뿐만 아니라, 화학적 에칭을 통해 임의의 3차원 구조를 형성할 수 있다.

발표 내용:

본 연구에서는 다양한 색상 팔레트를 대상으로 한 나노 스케일 색상 재현을 위해 실리콘 나노디스크의 특성을 알루미늄 및 은 플라즈몬 소자의 특성과 비교한다. 다양한 기하학적 조건과 조명 조건에서 이러한 금속 및 유전체 공진기의 다양한 특성을 강조하여 고해상도 컬러 피처 및 밀리미터 페인팅 복제본 제작을 위한 실리콘 나노디스크 어레이의 최적화를 유도한다.

발표 내용:

본 연구에서는 비대칭적인 미세광 공진기를 이용하여 광대역 광운동량 변환을 시연하였다. 공진기에 입력된 빛이 카오스적인 궤도를 취함으로써 수 피코초 동안 서로 다른 위스퍼링 갤러리 모드 간 효율적인 결합이 발생한다. 또한 이러한 운동량 변환을 이용하여 3차 고조파 발생을 기존의 세 배 이상의 효율로 발생시키는데 성공하였음을 보고한다.

발표 내용:

단층 그래핀을 기반으로 한 서브파장 빛의 완전흡수 구조가 실험적으로 분석되어 제시되었다. 완전 흡수의 메커니즘은 2차원 도파관 모드와의 임계 커플링에 의한 것이다. 파장 1526.5nm에서 반값 폭 18nm의 흡수 피크가 흡수율이 99%를 초과하는 값으로 나타났으며, 제작된 구조(주기 간격 1230nm)에 의한 결과와 시뮬레이션의 결과가 잘 일치하였다. 이와 더불어, 시뮬레이션을 통해 구조의 기하학적 파라미터와 빛의 입사각에 따른 영향을 분석하였다. 본 연구에서 제시된 흡수 구조는 광검출기 및 광변조기 설계에 있어 큰 잠재력을 가지고 있다.

발표 내용:

구조색은 독성 금속 산화물과 합성 유기 안료를 대체할 수 있는 잠재력을 가지고 있으며, 색소를 사용하지 않고도 비퇴색 스펙트럼을 만들 수 있다. 그러나 모든 범위의 색상에 필요한 콘트라스트와 산업적 응용에 대응 가능한 공정을 달성하는 것이 여전히 중요한 과제로 남아있다. 본 연구에서는 새의 깃털에 영향을 받은 구조적 색을 만드는 쉬운 해결책을 제시한다. 우리는 고굴절률 멜라닌 코어와 저굴절률 실리카 쉘을 이용한 코어-쉘 나노입자를 설계하였다. 이 나노입자의 설계는 유한차분시간영역법에 의해 진행되었다. 이들 나노입자는 원팟 리버스 에멀젼 공정을 이용하여 자기 조직화되어 밝고 무색투명한 입자의 집합체가 되었다. 합성 멜라닌과 실리카라는 단 한 가지 재료의 조합으로 전체 스펙트럼의 색을 생성할 수 있다. 이 집합체는 페인트, 플라스틱, 코팅에 직접 첨가할 수 있으며, 자외선 차단 잉크나 화장품으로도 사용할 수 있을 것으로 보인다.

발표 내용:

본 연구에서는 광카컴과 솔리톤의 발생을 CW광이 아닌 펄스열에 의한 여기로 실현하였다. 공진기 펌프 중심의 FSR에 가까운 값의 반복 주파수로 여기하면 솔리톤이 발생한다. 그 솔리톤은 여기 펄스에 고정되기 때문에, 솔리톤의 반복 주파수와 캐리어 엔벨로프 오프셋 주파수를 여기 펄스의 튜닝에 의해 광학적으로 제어할 수 있다. 또한, CW 광여기의 경우와 비교하여 작은 파워(평균 파워)로 솔리톤 발생이 가능하다는 점과 여기 펄스 튜닝에 의해 단일 솔리톤 발생 또는 다중 솔리톤 발생을 확정적으로 제어할 수 있다는 점을 장점으로 들 수 있다.

발표 내용:

GaAs 등의 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체 나노세선은 광검출기나 레이저, 센서 등에 응용이 기대되고 있으며, WZ형이나 ZB형 등의 결정구조를 변화시킴으로써 밴드갭을 제어할 수 있기 때문에 제작된 소자의 결정구조를 결정하기 위한 관찰기술이 필요하다. 본 연구에서는 2차 고조파 발생의 편파 의존성으로부터 강도 분포를 매핑하여 결정 구조를 결정하였다. 이 방법은 기존의 방법과 달리 비파괴 검사이며 상온 및 공기 환경에서 조작 가능한 관찰 방법이다.

발표 내용:

마이크로 광 공진기를 이용하여 생성된 광 솔리톤은 대규모 광 코히어런트 통신에 매우 유용하다. 연속적인 광원에서 발생하는 저잡음, 부드럽고 광대역 스펙트럼을 가진 솔리톤컴의 각 캐리어에 신호를 변조하여 초당 50 테라비트 이상의 통신 용량을 달성했다. 또한, 솔리톤컴을 코히어런트 수신에 사용할 수 있음을 입증했다. 본 연구는 WDM에 사용되는 CW 레이저 어레이를 온칩 미세광 공진기로 대체할 수 있는 가능성을 보여준다.

발표 내용:

외부 자극에 반응하여 형태를 조절하는 진동 재료는 의학 및 로봇 공학에 대한 새로운 응용에 관심이 집중되고 있다. 예를 들어, 액정 네트워크는 빛에 반응하는 등 자극에 따라 다양한 형태로 변형되도록 프로그래밍할 수 있다. 액정 고분자 막에 아조벤젠 분자를 도입하여 막에 광응답성을 부여하는 경우가 많지만, 대부분의 경우 막의 굽힘 반응만 연구되어 왔으며, 광 이성질화 후의 완화는 상당히 느리다. 본 연구에서는 시스체에서 트랜스체로의 열 이완이 빠른 아조벤젠 유도체를 액정 네트워크에 통합하여, 일정한 빛 조사 하에서 연속적이고 거시적이고 방향성 있는 역학적 파동을 나타내며, 자기 차폐에 의해 피드백 루프를 구동하는 광활성 고분자 막을 제작하였음을 보고한다. ．

발표 내용:

빛의 편광 상태를 초고속으로 제어하여 광학, 화학, 생물학에 다양한 응용을 실현할 수 있다. 그러나 편광자나 위상차판과 같은 기존의 편광 소자는 정적이거나 스위칭 속도가 느리고 기가헤르츠에 불과하다. 이번에 우리는 고이동도 인듐 도핑된 카드뮴 산화물(CdO)을 게이트웨이 플라즈모닉 재료로 사용하여 2.08 µm 파장에서 고Q값 베레만형 완전 흡수체를 구현했다. 서브밴드갭 광 펌핑을 하면 CdO의 앙상블 평균 유효 전자 질량이 일시적으로 증가하여 완전 흡수 공명이 강하게 적색으로 편향된다. 이로 인해 1.0%에서 86.3%까지 p 편광의 절대 반사율 변화가 일어난다. 우리는 이 매우 높은 변조도와 완전 흡수체의 편광 선택성을 결합하여 800 fs 이내에 온-오프 스위칭이 가능한 편광 소광비 91의 반사형 편광자를 실험적으로 입증했다.

발표 내용:

인공신경망에 의한 기계학습을 이용한 음성 및 이미지 인식 기술은 최근 높은 성능을 보여 화제가 되고 있지만, 기존의 계산 하드웨어는 신경망에 최적화되어 있지 않아 효율적으로 계산을 수행하지 못하고 있다. 본 연구에서는 새로운 아키텍처 기반의 전광 신경망을 제안하고, 프로그램 제어가 가능한 광 프로세서를 이용하여 실제로 모음 인식이 가능하다는 것을 보여주었다.

발표 내용:

태양광 에너지는 화석에너지의 대안으로 기대되는 신재생에너지의 대표격이며, 이를 저장하여 웨어러블 디바이스 등에 적용이 기대되고 있다. 최근에는 레이저 가공으로 제작되는 그래핀 전극을 이용한 에너지 저장이 연구되고 있지만, 기존 배터리와 비교하면 충분한 성능이라고 할 수 없다. 이에 본 연구에서는 에너지를 효율적으로 저장하는 양치식물의 잎 구조를 그래핀 전극에 적용하여 선행연구의 약 30배에 달하는 에너지 밀도 저장에 성공하였다.

발표 내용:

탄소나노튜브는 직경, 탄소 배열 등 무수히 많은 구조가 존재하며, 구조의 차이에 따라 반도체 특성, 광응답성 등 성질이 크게 달라진다. 특정 단일 구조의 탄소나노튜브를 합성하는 방법은 이전부터 강하게 요구되어 왔으나, 현재의 방법으로는 다양한 구조의 탄소나노튜브가 동시에 합성되기 때문에 혼합물로만 얻을 수 있으며, 혼합물에서 단일 구조의 탄소나노튜브를 분리하는 방법도 확립되어 있지 않다. 확립되어 있지 않다. 이 문제를 해결하기 위해 템플릿 분자로부터 단일 구조의 탄소나노튜브로 연장하는 방법이 기대되고 있는데, 본 연구에서는 그 템플릿 분자인 탄소나노벨트의 합성에 처음으로 성공했다.

발표 내용:

편광은 빛의 중요한 성질 중 하나이며, "정적(모든 편광 상태가 동일한 확률로 발생하는 것)" 및 "동적(시간적으로 인접한 광자의 편광 사이에 전혀 상관관계가 없는 것)"인 무편광 상태이다. 단일 광자 소스는 빛을 이용한 진성 난수 발생기, 양자 암호 및 양자 역학의 기초 문제를 검증하는 데 도움이 될 것으로 기대된다. 지금까지 정적 무편광 상태의 평가는 이루어졌지만, 동적 무편광 상태의 평가는 이루어지지 않았다. 이에 본 연구에서는 동적 무편광 상태의 평가 방법을 제안하고, 실제 다이아몬드에 존재하는 질소-공극 중심(NV 센터)을 이용하여 발생한 단일 광자가 정적 및 동적 무편광 상태임을 입증하였다.

발표 내용:

Brillouin 효과를 이용한 분산형 광섬유 센서는 수 10km의 장거리에서 수 cm 단위의 공간 분해능으로 왜곡이나 온도 변화를 감지할 수 있어, 댐이나 교량 등 대규모 구조물의 노후화 상태를 파악하는 등의 응용이 기대되고 있다. 본 연구에서는 Brillouin 광시간 영역 분석(BOTDA)의 스윕 방법을 통상과는 다른 방법으로 실시하여 펌프광의 열화를 억제하고, 측정 시간 20분 이내에 100만 플롯을 10km에 걸쳐 1cm의 공간 분해능으로 센싱하는 데 성공했다.

발표 내용:

유리는 과학 연구, 산업 및 사회에서 가장 중요한 고성능 재료 중 하나로 사용되고 있지만, 성형이 어렵고, 고온의 용융 공정과 주조 공정 및 유해한 화학 물질의 사용이 필요한 것으로 잘 알려져 있다. 따라서 유리에는 3차원(3D) 인쇄와 같은 현대적 제조 기술이 적용되지 못하고 있다. 이번에 연구팀은 주조용 나노복합체를 이용하여 수십 마이크로미터의 해상도를 가진 투명 용융 실리카 유리 부품을 입체 리소그래피 3D 프린터로 제작했다. 이 공정은 광경화성 실리카 나노복합체를 사용하고, 이 나노복합체를 3D 프린팅한 후 열처리를 통해 고품질 용융 실리카 유리로 변화시키는 방식이다. 인쇄된 용융 실리카 유리는 비다공성이며, 시중에서 판매되는 용융 실리카 유리와 유사한 광 투과율을 보이며, 수 나노미터의 매끄러운 표면을 가지고 있다. 또한 금속염을 첨가하여 착색 유리를 생산할 수 있다.

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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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