Journal Club 2015년도 | Tanabe Photonic Structure Group

Journal Club

연도별(4월-12월)

2015년도

발표 내용:

비편광 유전체 다층 반사체는 중요한 광학 장치로 광섬유, 유전체 도파관, 발광 다이오드 등에 다양하게 응용되고 있다. 이번에 우리는 3종의 어류 광대역 구아닌-세포질 "은색" 다층 반사체에서 발견되는 생물학적 비편광 광학 메커니즘의 분석 결과에 대해 보고한다. 이들 물고기의 은색 피하층에는 두 종류의 복굴절 구아닌 결정이 존재하는데, 하나는 광축이 결정의 장축에 평행하고 다른 하나는 광축이 결정면에 수직이다. 각 계면의 브루스터 각도가 다르기 때문에 이러한 배열로 인해 반사의 편광이 상쇄된다. 이러한 어류의 반사 메커니즘은 반사체의 저굴절률 층과 외부 환경과의 굴절률 차이가 없다는 중요한 점에서 기존의 비편광 거울 설계와 다르다. 이 메커니즘은 쉽게 제조할 수 있을 뿐만 아니라 인공 광학 장치에 활용할 수 있는 가능성이 있다.

발표 내용:

세네갈 광자흡수 가공법에 의한 레이저 미세가공은 최근 발전된 기술 중 하나이지만, 제작을 한 후 평가한 사례는 많지 않아 연구 및 실용화에는 미흡한 실정이다. 본 연구에서는 세네갈 광자흡수 가공법으로 직경 수백 nm의 PMMA 고분자 세선으로 이루어진 작은 스프링 구조를 제작하고, 그 스프링 구조가 일반적인 스프링과 유사한 거동을 보이는지 여부에 대한 평가를 다양한 관점에서 수행하였다.

발표 내용:

본 논문에서는 그래핀과 플라즈몬을 결합한 광변조기를 제작하고 그 특성을 평가하였다. 빛보다 그래핀과의 상호작용이 높은 플라즈몬을 통한 변조 방식을 채택하고, 상호작용이 더 높은 도파관 구조를 사용하여 0.03 dB μm^-1 이상의 변조 깊이를 단 10 μm^2의 면적에서 실현하였다. 이는 기존의 실리콘을 이용한 광변조기에 필적하는 성능을 가지면서도 더 작고 집적도가 높아 향후 광통신에서 중요한 역할을 담당할 것으로 기대된다.

발표 내용:

자유 공간 무선 신호용 반송파로 0.1~1.0THHz 영역의 전자파의 이용이 고려되고 있지만, 테라헤르츠 신호의 다중화 등이 문제점으로 지적되고 있다. 본 연구에서는 금속 평행 평판 도파관을 이용한 안테나를 사용하여 1 옥타브 이상의 대역에서의 주파수 다중화를 실증한 것을 보고한다.

발표 내용:

세포 조작, 유체역학, 마이크로로보틱스 등의 응용을 목표로 광 핀셋에 대한 연구가 활발히 진행되고 있지만, 주로 사용되는 가우시안 형태의 빔으로는 큰 입자를 포획하는 것이 어렵다고 알려져 있다. 이에, 입사빔의 위상 패턴을 조작하는 것만으로 입자를 트랩하는 힘을 상승시키는 기법(ENTRAPS)을 제안하고, 실제 실험에서 한 자리 수 이상의 향상을 관찰하였음을 보고한다.

발표 내용:

광섬유의 비선형 과정에서 중요한 것은 굴절률의 강도 의존성에 기인하는 사파혼합이다. 이번에 우리는 정상분산 광섬유에서 광학 스펙트럼이 협대역화되어 독특한 스펙트럼 분포에서 매우 안정적인 전파가 실현되는 새로운 비선형 자기 작용 효과, 즉 자기 파라메트릭 증폭에 대해 보고한다. 스펙트럼의 좁은 대역폭은 역사파 혼합에 기인하며, 스펙트럼 꼬리에서 에너지 이동에 의한 스펙트럼 중앙부의 효과적인 파라메트릭 증폭과 유사하다. 자기 파라메트릭 증폭과 관찰된 임의의 시간 파형을 갖는 안정된 비선형 스펙트럼 전파는 광통신 및 비선형 공진기 내 동역학을 나타내는 고출력 파이버 레이저에 적용될 수 있다.

발표 내용:

데이터센터나 컴퓨터 내의 데이터 통신량이 증가하는 오늘날, 광대역 및 처리량이 큰 전송로가 요구되고 있다. 본 논문에서는 기존의 CMOS 전기 회로 기판 위에 제작 가능한 광 고분자 도파관을 실현하였다. 이에 따라, 광섬유는 기판 끝에서 in/output으로만 사용되어 왔으나, 칩 간에도 광전송로를 내장할 수 있게 되었다.

발표 내용:

색상 식별에는 좁은 선폭의 스펙트럼 응답이 필요하지만, 현재 시스템에서는 광대역 포토다이오드와 광필터를 병용하고 있어 구조가 복잡해지고, 컬러 센싱의 품질이 제한되는 등의 문제가 발생한다.
본 논문에서는 스펙트럼 응답을 조절하여 필터리스 협대역 포토다이오드를 구현하는 방법을 보고한다.
페로브스카이트 단결정을 이용하고 있으며, 10월 16일 타마키가 소개한 논문과 같은 분야의 연구이기 때문에 성능의 차이점도 함께 발표한다.

발표 내용:

전광 신호 처리의 실현에 필수적인 비휘발성 전광 메모리에 대한 요구가 점점 증가하고 있다. 본 연구에서는 결정 상태와 비정질 상태 사이에서 광학적 특성이 다른 물질인 Ge2Sb2Te5(GST)를 이용한 비휘발성 전광 메모리를 설계하였다. 쓰기용 펄스광을 GST를 첨가한 도파관 부분에 도파시킴으로써 결정 상태와 비정질 상태 사이를 전이시킬 수 있으며, 읽기용 펄스광을 동일하게 도파시켰을 때, 그 투과율을 크게 변화시킬 수 있었다. 본 디바이스는 상온에서의 구동은 물론이고, 반복 사용이 가능하며, 3개월 이상의 데이터 저장도 가능하다.

발표 내용:

삼할로겐화 유기납 페로브스카이트는 용액 공정으로 밴드갭을 제조할 수 있고, 가격이 저렴하여 새로운 전자소자 재료로 주목받고 있다. 본 논문에서는 반값 전폭이 20 nm의 매우 좁은 스펙트럼 응답을 보이는 페로브스카이트 단결정 광검출기에 대해 보고한다. 이 매우 좁은 스펙트럼 감도는 표면 전하 재결합으로 설명할 수 있으며, 노이즈의 영향을 줄이고자 하는 센싱, 이미징 등 다양한 분야에 응용이 기대된다.

발표 내용:

정상분산 영역에서 모드 간 상호작용을 이용하여 광카컴을 발생시키고, 이를 모드 록킹하는 데 성공했다. 또한 그 스펙트럼과 시간 파형을 측정하여 다크 펄스가 생성되는 것을 확인했다. 정상 분산 영역에서 모드 잠금이 가능하다면, 예를 들어 재료 분산이 큰 가시광대역에서 공진기 설계에 자유도가 생겨, 더 넓은 대역폭으로 이어질 수 있을 것으로 보인다.

발표 내용:

본 논문에서는 양자점과 비대칭 포토닉 구조로 구성된 키랄 포토닉 회로를 통해 온칩 비대칭 포토닉 소자를 구현할 수 있음을 보여준다.
이러한 소자는 광자의 통과 방향이 비대칭이기 때문에 단일 광자 다이오드에 적용될 수 있을 뿐만 아니라, 단일 광자 트랜지스터, 확정적 양자 게이트를 구성하는 중요한 요소가 될 수 있다.

발표 내용:

미세한 공진기 내부에 빛을 가두는 광 마이크로 공진기는 레이저 및 비선형 소자 구현부터 생화학 센싱, 광기계적 센싱에 이르기까지 다양한 용도에 널리 활용되고 있다. 이번에 우리는 생체 세포 내부에서 마이크로 공진기와 적절한 광학 이득 재료를 이용하여 레이저 발진 등 다양한 광학 기능을 생체 밖에서 시연하고 있다. 우리는 위스퍼링 갤러리 모드를 이용하는 소프트 타입과 하드 타입의 두 가지 종류의 마이크로 공진기를 고려하고 있다. 오일 방울을 주입하여 형성된 연질 방울과 천연 지질 방울을 이용하여 형성된 연질 방울을 통해 세포 내에서 레이저 동작을 구현하였다. 기름방울 마이크로 레이저의 레이저 스펙트럼을 통해 세포질의 내부 응력(약 500 pN/μm^2)과 그 동적 변동을 그림으로 보여주었으며, 감도는 20 pN/μm^2(20 Pa)였다. 또 다른 하드 타입의 경우, 다양한 크기의 폴리스티렌 비드 내 위스퍼링 갤러리 모드를 이용하여 수천 개의 세포를 개별적으로 쉽게 태깅할 수 있으며, 원칙적으로 다양한 염료로 다중화하여 더 많은 세포에 태깅을 할 수 있다.

발표 내용:

빛의 확산각을 작게 하기 위해 포토리소그래피와 리플로우를 이용하여 미세한 렌즈와 도파관을 칩에 집적하는 구조를 검토 및 제작하고, 그 광학적인 평가를 실시하였다. 그 결과, 일반적인 도파관의 확산각이 12.4°인 것에 비해 이번에 제작한 것은 1.85°로 상당히 개선되었다. 또한, 기존의 연구에서도 렌즈와 도파관을 이용하여 확산각을 줄이는 연구가 있었으나, 본 연구의 방법으로는 SiON 도파관 이외에도 제작이 가능하다는 점도 큰 장점이다.

발표 내용:

실리콘 포토닉스 기술을 이용하여 50 GHz의 신호를 출력할 수 있는 RF 신호 발생기를 실현하였으며, 8개의 마이크로 링을 임의로 튜닝하여 π 위상 시프트 및 진폭 변조도 가능합니다. 펄스 정형을 위해 기존에는 수 km의 분산 보상 파이버를 사용해야 했지만, 본 연구에서는 이를 온칩으로 실현한 점도 우수한 점입니다.

발표 내용:

포토닉 칩에 집적된 단일-다중 모드 도파관을 이용하여 모드 다중-파장 다중 전송의 1×2 스위칭을 보여준다. 이 스위치는 10Gb/s의 데이터를 개별적으로 전송할 때 10^-9 이하의 BER로 1.4dB 미만의 전력 페널티를 보였다. 동시에 전송할 때는 2.4dB 미만의 추가 전력 페널티가 발생한다.

발표 내용:

나노 와이어 레이저는 기존 반도체와 유사한 발진 원리이지만, 1만분의 1 부피에서 레이저 발진 등 차세대 반도체 기술로 기대되고 있다. 지금까지의 나노와이어 레이저는 벌크 물질의 광이득을 이용해 왔으나, 본 연구에서는 양자점을 활성층으로 하는 나노와이어 레이저를 제작하여 상온에서 레이저 발진을 실현하였다.

발표 내용:

Vernier effect에 의해 FSR이 다른 두 공진기의 간섭을 이용함으로써 FSR의 작은 변화로도 간섭 프린지의 피크를 채널 단위로 이동시킬 수 있고, 또한 여기하는 모드를 제한할 수 있다. 그러나 기존 방법에서는 두 공진기가 결합함으로써 공진 주파수가 분할된다.
따라서 본 연구에서는 두 개의 링형 공진기를 도파로 간접적으로 결합시킴으로써 공진 주파수는 분할되지 않고, 공진기 내부의 위상 상태(공진 주파수의 허수부)가 분할되는 시스템을 제안하였다. 분할된 상태 중 Dark state라고 불리는 상태에서 레이저 발진을 함으로써 기존의 Vernier effect와 같은 효과를 기대할 수 있으며, 공진 주파수가 분할되지 않는 것이 본 논문에서 설명되어 있다.

발표 내용:

메타물질은 음의 굴절률을 보이는 등 자연계에 존재하는 물질로는 불가능한 성질을 보여 새로운 광학 소자로 주목받고 있는 물질이다. 그러나 3차원 구조에서는 전파 손실이 크기 때문에 Hyperbolic metasurface라고 불리는 2차원 구조의 메타물질이 연구되고 있다. 본 논문에서는 Hyperbolic metasurface를 이용한 가시광대역의 플라즈몬 전파에 대한 특이한 성질과 거동을 소개하고자 한다.

발표 내용:

싱글모드 광섬유에 대한 기술 연구가 활발히 진행되고 있는 반면, 멀티모드 광섬유에서 발생하는 복잡한 비선형 현상에 대한 연구, 특히 실험은 많이 이루어지지 않았다. 본 연구에서는 멀티모드 광섬유에 대해 펄스 입력 조건을 공간적으로 변화시킴으로써 다양한 비선형 현상을 제어할 수 있음을 실험적으로 보여주었다.

발표 내용:

양자암호통신의 실용화를 위해 현재 안전하고 확장성 있는 양자 네트워크를 만드는 것이 과제로 대두되고 있다. 이 과제에 대한 해결책으로 측정 장치 독립성의 도입이 제시되고 있으며, 이 프로토콜을 통해 장거리 키 전달이 가능해졌지만, 키 레이트가 낮다는 문제가 있다. 본 논문에서는 연속변수계를 사용함으로써 이 문제를 해결할 수 있음을 이론과 실험 양측면에서 보여주었고, 현재 달성된 것보다 3자리 높은 키 속도를 얻는 데 성공했다.

발표 내용:

본 논문에서는 마이크로 공진기 내에서 정상분산에 의한 평평한 피크를 갖는 소산 솔리톤, 플라티콘의 존재를 예측하고, cw 여기광으로부터 플라티콘을 생성하는 방법을 설명하며, 그 지속성이 디튜닝에 의해 크게 좌우될 수 있음을 제안한다. 다크 솔리톤의 이산 에너지 스펙트럼이 플라티콘의 준연속 스펙트럼으로 변환됨을 논증한다. 또한, 위상-진폭 변조된 여기광에 의해 또는 레이저 입사를 고정시킴으로써도 유사한 구조를 생성할 수 있다.

발표 내용:

본 논문에서는 유전체 장전 표면 플라즈몬 폴라리톤 도파관(DLSPPW)을 기반으로 브래그 그레이딩과 지향성 커플러를 조합한 새로운 구조의 초소형 멀티플렉서를 제안한다. 제작된 멀티플렉서는 길이가 20 μm이며, 파장이 70 nm 떨어진 통신 파장대역의 빛 분리가 가능하다는 것을 시뮬레이션과 실험을 통해 입증하였다.

발표 내용:

소자 면적이 작아 광 집적회로를 실현하는데 필수적인 광 아이솔레이터를 실현했다. 실현에 있어서 비대칭 구조의 포토닉 결정에서 생성되는 Fano 스펙트럼을 이용하였다. 광 아이솔레이터로서의 성능은 10Gbps로 동작하며, 소비 에너지는 4.5 fJ/bit이다.

발표 내용:

광주파 콤은 그 정확성과 일관성으로 인해 광주파수 측정 및 분광 측정에 사용되고 있다. 분광 측정 시, 광주파 콤은 전체 반복수 증폭과 여기 공진기를 결합하여 마이크로 줄 수준의 에너지를 가진 펄스로 만들어 왔다. 본 논문에서는 선택적으로 두 개의 펄스를 밀리줄 수준의 에너지로 만드는 분광법을 보고한다. 이 분광법은 기존 방법과 비슷한 수준의 정확도를 가지며, 경우에 따라서는 최대 30배의 정확도를 달성할 수 있었다.

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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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