IWAM2013 카토 타쿠미・사이토 류스케

광학 마이크로캐비티를 이용한 바이오센싱, F. Vollmer
미세광 공진기를 이용한 센싱은 단일 입자를 측정하는 단계에서 다음 단계로 넘어가고 있다. 단일 입자를 측정하는 방향은 'WGM 공진기에 금속 코팅(core-shell)을 하여 감도를 높인다', 'WGM 공진기에 금속 조각을 근접시켜 플라즈몬 공명을 국소적으로 일으켜 감도를 높인다'와 같은 "plasmon enhancement" "의 방법으로 상당히 낮은 임계치까지 도달하고 있다. 또한, 테이퍼 파이버가 아닌 프리즘 커플링을 사용하는 것이 이 센싱의 품질, 안정성을 높인 것으로 생각된다. 다음 단계의 방향은 DNA의 상호작용 등을 감지할 수 있는 "DNA nanotechnology"이다. A-T G-C와 같은 조합이 강하게 결합하는 것을 이용하여, 한 가닥의 DNA를 미리 미세구체에 코팅하고, 딱 맞는 DNA가 부착된 경우 공진 스펙트럼이 변화하는 것을 측정할 수 있을 것으로 예상된다고 한다.
ref: F. Vollmer et al., "Label-free detection with high-Q microcavities: a review of biosensing mechanisms for integrated devices ," Nanophotonics 1, 267(2012)

복합 마이크로캐비티와 열 감지 및 라만레이싱에서의 응용, Bei-Bei Li, Peking Univ.
실리카트로이드는 열광학적 효과에 의해 열을 가하면 굴절률이 상승한다. 1℃ 상승할 때만 굴절률이 변화한다. 실리카 토로이드를 PMDS로 코팅하여 이 열광학 계수를 변화시켜 굴절률이 열에 더 민감하게 반응하도록 설계하면 열 감지(Thermal sensing)로 사용할 수 있게 된다. PMDS의 코팅 방법은 매우 간단하다. 테이퍼 파이버에 물방울을 묻혀서 이를 토로이드에 근접시키면 코팅이 완료된다. 실리카의 분자 진동과 PMDS의 분자 진동이 다르기 때문에 다른 라만 발광이 관찰되었다. 정도인 것 같다.
ref: Bei-Bei Li et al, "Low-threshold Raman laser from an on-chip, high-Q, polymer-coated microcavity," Opt. 1802(2013)

마이크로캐비티 공명 브로딩을 이용한 단일 나노입자 및 렌티바이러스 검출, 북경 린보샤오, 베이징
PDMS를 코팅한 실리카트로이드에 의해 나노입자를 검출한다. 기존에는 공진 파장의 이동량(wavelength shift), 모드 분할의 변화량(mode splitting)으로 측정하는 방법이 주류를 이루었으나, 노이즈가 크다는 단점이 있고, 시간 경과에 대해 일정한 값을 나타내는 것이 어려웠다. 그래서 미립자 부착에 의한 Q값 변화(mode broading)로 측정하려고 한다. 이 방법이라면, 시간 경과에 대한 견고성이 강하다. 정도인 것 같다.

광학 기계식 다크모드를 통한 광학 파장 변환, 춘화동
광공진과 기계진동 공진의 강한 결합에 의해 O MIT가 관찰되는 것은 잘 알려져 있으며, O MIT를 유발하는 기계진동은 Bright mode로 분류된다. 빛으로부터 직접적으로 유발되는 진동이다. 이에 반해, Dark mode의 기계 진동은 O MIT를 일으키지 않는다. 빛과 직접 결합하지 않기 때문에 보다 안정적으로 정보를 축적할 수 있다는 장점이 있다. 이러한 실험을 실리카 마이크로스피어를 이용하여 연구하고 있었다. 파장 변환이 가능하다는 것을 입증하는 등 Painter의 그룹과 경쟁하는 단계에 이르렀다. 이 연구는 Painter의 Nat. Comm. 논문과 거의 같은 시기에 나온 것 같다(Painter가 먼저).
ref: 동춘화 외, "Optomechanical Dark Mode," Science 338, 1609(2012)

강결합 광역학에서 기계적 공진기의 동적 소산 냉각, Youg-Chun Liu, 북경, 베이징
실리카트로이드 공진기의 기계적 진동을 이용한 레이저 냉각. 미세광 공진기의 레이저 냉각(그림의 A만 조사)은 backaction이나 swap heating에 의해 냉각할 수 있는 온도의 한계가 높다. 따라서 cooling을 유도하는 레이저(그림의 E)를 추가로 입력함으로써, 동적으로 냉각의 한계를 수 오더 단위로 낮출 수 있다.
ref: Yong-Chun Liu et al. Rev. Lett. 110, 153606(2013)

마이크로 버블 공진기 기반의 4파 혼합 파라메트릭 발진용 분산 튜닝 콘, Ming Li
실리카 모세관을 이용하여 병 구조를 제작하고 있다. 따라서 중공 구조의 미세 광 공진기이다. 실리카 부분의 두께와 모양에 따라 분산을 제어할 수 있으며, 이를 달성하고 있다. 또한, 중공구조 안의 물질을 기체나 액체로 바꾸어줌으로써 더 많은 제어가 가능하다고 하였다. 실제로 FWM을 발생시키기는 했지만, 그 정도로 광대역 광컴은 실현되지 않았다.
ns 레이저를 사용하면 비교적 낮은 Q값에서도 FWM과 라만 산란이 발생한다고 들었다.
ref: Ming Li et al, "Kerr parametric oscillations and frequency comb generation from dispersion compensated silica micro-bubble 공진기," Optics Express 21, 16908(2013)

초고Q 변형 마이크로토로이드와 그 응용, 장쉐펑 장(Xue-Feng Jiang, 북경)
실리카트로이드에 적절한 왜곡을 주면, 그 방사 손실은 지향성을 가진다. 이를 이용하여 Free-Space coupling을 실현하고 있다. 그들의 이야기에 따르면, deformation이 15% 이하라면, 는 유지된다고 한다. 타원형은 Q값이 낮아진다는 이야기를 어디선가 들은 적이 있기 때문에 어느 정도 유지된다는 것은 놀랍다. 3단계로 실리카 트로이드를 제작하고 있으며, XeF2로 깎고, 일단 레이저 리플로우로 트로이드로 만든 후 XeF2로 더 깎는 식으로 하고 있다. 왜곡은 포토리소그래피의 패턴으로 발생시키고 있다.　기본적으로 센싱의 방향을 위한 연구이다. 왜냐하면 Free-Space coupling은 간단하고 안정적이지만, 효율은 그다지 높지 않기 때문이다.
이 연구는 비대칭 구조로 카오스와의 연관성이 높다. 카오스와의 결합으로 인해 공진 파장이 어긋난다는 논의도 있었지만, 잘 이해되지 않았다.
ref: Xue-Feng Jiang et al. Adv. Mater. 24, (2012)

펨토초 레이저 가공으로 제작되는 고Q 온칩 광학 마이크로캐비티, 진티안 린
펨토초 레이저를 조사하면 실리카의 물성이 변형되어 HF 에칭에 대한 에칭 속도가 빨라진다. 이를 이용하여 실리카 디스크 형상을 제작하고, 리플로우를 통해 실리카 트로이드를 제작할 수 있다. 이 방법은 3차원적인 구조가 가능하다는 점과 재료의 폭을 넓힐 수 있는 것이 특징이며, Nd:glass에서도 토로이드 구조를 제작하여 lasing도 측정하였다. 이 연구팀은 측정 환경이 좋지 않아 실제로는 더 높을 것으로 예상했다.
참고: Jintian Lin 외, "On-chip three-dimensional high-Q microcavities fabricated by femtosecond laser direct writing by femtosecond laser direct writing ," Optics Express 20, 10212(2012)