Journal Club 2016년도 | 다나베 광구조 그룹

Journal Club

연도별(4월-12월)

2016년도

발표 내용:

리프론 레이저는 라만 레이저나 브릴리언트 레이저와 달리 빛과 모세관파 사이의 에너지 교환에 의해 발생하는 레이저이다. 모세관파는 액체 고유의 파동으로 표면장력을 복원력으로 하여 진동한다. 물속에 광 핀셋으로 트랩한 옥탄의 미세한 물방울을 opto-capillary 공진기로 사용하여 빛과 모세관파의 상호작용을 측정하였다. 이 결과로부터 기저상태를 향한 상온에서의 광모세관 냉각을 기대할 수 있다.

발표 내용:

마이크로 히터가 내장된 2개의 실리콘 나이트 라이드 링 공진기를 이용하여 발생된 스퀴즈드 광 레벨의 연속적인 튜닝을 실현하였다. 도파관과의 결합 상태를 변화시킴으로써 0.9dB~3.9dB에 걸친 스퀴즈드 레벨의 변화를 관찰했다. 이러한 결과는 적절한 스퀴즈드 레벨이 요구되는 애플리케이션에서 중요한 역할을 할 것으로 생각된다.

발표 내용:

초고속 데이터 기록, 양자 계산, 스핀트로닉스와 같은 미래 정보 기술에는 전례 없이 빠른 속도로 스핀을 제어할 수 있는 빛이 필요하다. 강력한 테라헤르츠 펄스는 자기 여기 고유의 에너지 스케일로 스핀과 결합할 수 있다. 이번에 우리는 테라헤르츠 자기장과의 선형 제만 결합보다 훨씬 더 강한 전기 쌍극자 매개 비선형 테라헤르츠-스핀 결합의 새로운 메커니즘을 조사하고 있다. 우리는 전형적인 반강자성체 툴륨 올소페라이트(TmFeO3)를 사용하여 전자 궤도 전이를 테라헤르츠 공명 여기시키면 규칙적인 Fe3+ 스핀의 자기 이방성이 변조되어 큰 진폭의 코히어런트 스핀 진동이 발생한다는 것을 증명했다. 이 메커니즘은 본질적으로 비선형이며, 테라헤르츠 파형의 스펙트럼 성형에 의해 조절할 수 있으며, 효율은 제만토크를 한 자리 수 이상 능가한다. 모든 전이금속 산화물에서 궤도 상태가 자기 이방성을 지배하기 때문에, 이번에 입증된 제어 방식은 많은 자성 재료에 적용될 수 있을 것으로 기대된다.

발표 내용:

1차원 광결정 공진기 2개를 병렬로 배치한 한 쌍을 펌프광과 프로브광 각각에 대해 한 쌍씩 준비하여 각각 메커니즘의 진동을 통해 서로 영향을 주고받는 구조를 제작했다. 이 구조의 장점은 펌프광과 프로브광의 광 경로가 다르다는 것이다. 실험 결과에서 관찰된 옵토메카닉스의 진동 주파수는 FEM을 이용한 계산 결과와 잘 일치한다. 또한, 펌프광에 의해 프로브광에 대응하는 광결정 공진기의 투과 스펙트럼을 동적으로 변화시키는 실험 결과도 얻었으며, 발진기에의 응용도 기대할 수 있다.

발표 내용:

실리콘 기판 위에 제작한 InGaP 도파관을 이용하여 중심이 1550nm의 1옥타브에 퍼지는 슈퍼콘티늄을 실현했다. 기존 연구보다 낮은 소비전력・소면적에서 실현할 수 있다는 장점은 발생된 스펙트럼의 코히어런스를 높게 유지할 수 있다는 점에도 기여하고 있다.

발표 내용:

올패스-마이크로링-브래그 격자 기반에서 EIT와 같은 투과 특성을 나타내는 결합 공진 시스템을 제안 및 시연했다. '마이크로링 공진기'와 '2 섹션 브래그 격자로 구성된 패브리펠로우 공진기'의 광도파관 사이의 결합은 EIT와 같은 스펙트럼을 유발한다. 이 시스템은 마이크로 링 공진기와 버스 도파관의 간단한 구성으로 제작 오차에도 강한 장점이 있다. 결과에서 Extinction rate(ER)가 12dB, FWHM이 0.077, Q값이 20200으로 시뮬레이션과 잘 일치한다.

발표 내용:

광주파수 변환, 제어는 많은 응용분야에서 매우 중요한 기술이다. 본 연구에서는 동적으로 변조된 링 공진기를 이용하여 블로흐 진동을 통한 주파수 변환이 가능하다는 것을 증명하였다. 또한, 주기적으로 변조를 가함으로써 단일 방향으로의 주파수 변환이 가능하다는 것을 확인하였다. 이러한 결과는 동적 공진기 시스템을 이용한 광 주파수 조작의 가능성을 보여준다.

발표 내용:

단일 광자의 주파수 제어 기술은 양자통신에 필수적이지만, 기존의 비선형 광학 효과를 이용한 방식으로는 노이즈와 대역폭 등의 문제로 실용화가 어려웠다. 본 논문에서는 광역학을 원리로 한 단일 광자 주파수 시프터를 제작하여, 노이즈가 없는 150 GHz까지 변조를 1에 가까운 변환 효율로 무한히 수행할 수 있음을 증명하였다.

발표 내용:

양자 텔레포트는 네트워크 내 원격 노드 간 양자 상태를 충실하게 전송하여 혁신적인 정보처리 응용을 가능하게 한다. 이에 대한 동기를 부여받아 방대한 연구 활동이 진행되어 왔다. 그러나 지금까지 독립적인 양자 광원, 벨 상태 측정(BSM) 전 얽힘 전달, 피드포워드 조작을 동시에 이용한 양자 텔레포트 실험은 실험실 환경에서도 실현되지 않았다. 이번에 우리는 이 난제를 해결하기 위해 12.5km의 지역에 배치된 30km의 광섬유 양자 네트워크 구축에 대해 보고하고자 한다. 이 네트워크는 능동적 안정화 방법을 통해 실세계의 잡음에 견고하여 모든 요소를 동시에 만족하는 양자 텔레포테이션을 실현할 수 있다. 양자 상태 측정 및 프로세스모그래피 측정과 독립적인 통계적 가설 검증을 통해 이 네트워크에서 양자 텔레포트의 양자적 특성을 확인했다. 이번 실험은 실세계에서 글로벌 '양자 인터넷'을 실현하기 위한 중요한 발걸음을 내딛은 것이다.

발표 내용:

whispering gallery mode는 그 회전 대칭성 때문에 지향성 광원으로의 적용이 어렵다. 회전 대칭성을 깨기 위해 공진기의 형상을 변형시키는 등의 방법이 제안되어 왔으나, 공진기의 Q값이 크게 감소하는 단점이 있었다. 본 논문에서는 변환광학을 이용하여 whispering gallery mode의 모드 특성을 자유자재로 조절하여 Q값을 유지하면서 지향성 발광을 실현하는 방법을 제시한다.

발표 내용:

링형 레이저는 시계방향(CW) 모드와 반시계방향(CCW) 모드를 가지고 있기 때문에 강도가 불안정한 레이저 광이 실리콘 도파관 양방향으로 출력되는 문제가 있었다. 본 논문에서는 링형 레이저를 국부적으로 변형시킨 구조를 채택하여 CW와 CCW의 비율을 조작할 수 있음을 계산으로 보여주고, 실제 제작한 링형 레이저를 이용한 실험을 통해 강도가 안정된 레이저 광을 실리콘 도파관의 한 방향에서만 얻을 수 있음을 입증하였다.

발표 내용:

최근 광유체역학은 생체 분석에 있어 중요한 방법으로 자리 잡고 있다. 특히 광유체역학을 이용한 레이저는 형광을 이용한 레이저에 비해 감도와 이미징 해상도가 매우 우수한 것으로 알려져 있지만, 아직 연구가 많이 진행되지 않은 분야이기도 하다. 본 연구에서는 인도시아닌그린이라는 근적외선 염료를 이용하여 인간의 혈액 내 주요 성분을 이용한 레이징을 수행하였다. 또한, 인도시아닌 그린을 이용하여 처음으로 인간의 혈액에서 레이징을 수행하였다.

발표 내용:

현재의 렌즈 제조 공정은 렌즈의 크기와 모양이 제한적이기 때문에 광학 성능에 한계가 있다. 높은 광학 성능과 수차 보정을 위해서는 비구면 형태의 멀티렌즈 소자가 필요한데, Timo Gissibl 등은 펨토초 레이저를 이용한 직접 쓰기 시스템을 이용하여 약 0.1 mm 크기의 멀티렌즈 시스템을 3D 프린팅했다. 멀티렌즈 시스템은 용기형 지지체 안에 여러 개의 싱글렌즈(단렌즈)를 결합하여 복합렌즈로 만든 구조로, 1초당 수 센티미터의 속도로 인쇄된다.

발표 내용:

광시계는 중요한 기초연구의 강력한 도구일 뿐만 아니라 세슘 원자시계보다 정확도와 안정성이 한 자리 수 이상 우수하기 때문에, 광시계는 '초'라는 단위의 재정의에 사용될 것으로 여겨지고 있다. 그러나 이 전환의 중요한 장애물은 광시계의 낮은 신뢰성으로 인해 시간 스케일의 연속적인 실현이 비현실적이다. 이번에 우리는 이 상황을 어떻게 해결할 수 있는지 보여주고, 세슘 원자천 시계를 능가하는 광시계의 시간 척도를 확립할 수 있다는 것을 보여준다.

발표 내용:

레이저 필라멘트는 고강도 레이저에 의한 커 효과의 수렴과 플라즈마 발생에 의한 발산이라는 두 가지 효과가 평형을 이루면서 발생하는 안정된 상태이다. 본 연구에서는 중적외선 대역에서 kHz 반복의 레이저 필라멘트를 중적외선 대역에서 최초로 실증하였다.
또한, 중적외선 대역의 필라멘트는 다양한 화학물질의 센싱에 유용할 것으로 생각되며, 대기 중 CO2의 흡수 분광을 확인하였으므로 이에 대해서도 보고한다.

발표 내용:

메틸 암모늄 납 브로마이드(MAPbBr3) 페로브스카이트 단결정을 이용한 X선 검출기를 최초로 제작했다. 검출 가능한 최소 X선량은 0.5 µGy air s -1이며, 매우 민감한 X선 검출기로 알려진 α-Se X선 검출기보다 4배 높은 감도를 갖는 등 매우 민감한 결과를 얻었다. 이 결과는 의료나 보안 검사에 도움이 될 것으로 생각된다. 당일은 제작에 있어서의工夫를 중심으로 설명할 예정이다.

발표 내용:

신호의 실시간 푸리에 변환(RTFT)은 기존 디지털 신호처리 엔진의 한계를 뛰어넘는 속도로 푸리에 분석을 가능하게 하는 기본 개념이다. 광학 분야에서 RTFT는 일반적으로 시간 영역을 따라 신호의 주파수 스펙트럼을 매핑하는 것이 중요한 대량의 군속도 분산을 여기시킬 때 사용된다. 그러나 이 방법의 광학 주파수 분해능은 일반적으로 기가헤르츠 이상으로 제한되어 실시간 분광학, 초고속 감지, 이미징, 센싱, 특히 광학 보조 RF 신호 발생 및 처리와 같은 애플리케이션에 장애가 되고 있다. 우리는 주파수 시프트 피드백 레이저를 사용하여 새로운 RTFT 개념을 실험적으로 구현하여 주파수 분해능이 약 30kHz, 시간 대역폭 곱이 400을 초과하는 결과를 얻었다.

발표 내용:

펨토초 레이저를 이용한 수중에서의 필라멘테이션에 의해 생성된 거품은 미세유로 스위치, 세포 분류 등의 응용이 기대되고 있다. 본 연구에서는 필라멘테이션에 의해 생성된 기포의 움직임을 현미경으로 직접 관찰하여, 생성된 기포가 필라멘테이션에 의해 생성된 물의 흐름을 따라 움직이는 것을 관찰하였다. 또한, 거품의 이동 방향과 레이저의 전파 방향이 이루는 각도는 필라멘트와의 거리에 따라 변화하며, 필라멘테이션에 의해 발생하는 물 속 대류 과정에 대해 밝혔다.

발표 내용:

파장 1550nm의 빛과 주파수 2.4GHz의 포논을 보유한 광기계 공진기를 포토닉 도파관 및 포노닉 도파관과 결합한 새로운 플랫폼을 개발하여 RF파와 광파를 이용하여 기계적인 모드를 여기 또는 판독함으로써 RF 영역, 기계적 영역 간에 코히어런트 신호를 변환할 수 있음을 입증하였다.

발표 내용:

아토초 시간 영역 분광법에서 주파수 콤에 의한 측정에 이르기까지, 지금까지 수행된 가장 정밀한 측정 중 일부는 모드 잠금 레이저에 의해 가능해진 것이다. 그러나 이러한 극한의 정밀도는 기본 모드 잠금 다이내믹스의 복잡성을 숨기고 있다. 이러한 복잡성은 본질적으로 특이하고 비반복적인 전이인 모드 잠금 상태의 출현에서 특히 두드러진다. 모드 록킹의 많은 세부 사항은 잘 알려져 있지만, 기존의 분광법으로는 수동적 모드 록킹의 초기 역학을 단일 펄스 주기인 나노초의 자연적 시간 척도로 분해할 수 없다. 이번에 우리는 펨토초 펄스열의 펄스 분해 스펙트럼 발전을 초기 흔들림부터 포착하여 약 90만 주기에 걸쳐 연속적으로 기록하였다. 우리는 광대역 스펙트럼의 출현, 그에 따른 파장 이동, 보조 펄스 모드 잠금으로 표현되는 과도적 간섭 동역학 등 수십에서 수천 왕복의 시간 스케일에서 임계현상을 직접적으로 관찰했다. 이번 결과는 시간 신장 변환을 통해 가능했으며, 레이저 설계, 초고속 진단법, 비선형 광학에 영향을 미칠 수 있다.

발표 내용:

비선형적으로 결합된 옵토메카닉스가 만들어내는 카오스에 대해 조사했다. 크게 두 가지를 조사하여 밝혀냈는데, 첫 번째는 카오스 상태가 기계적 경로를 통해 전달된다는 것이고, 두 번째는 카오스 상태가 있는 쪽이 SN비를 향상시킬 수 있다는 것이다. 이날은 본 연구에서 이용한 것이 stochastic resonance라는 분류에 해당되는 것에 대해 자세히 설명한다.

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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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