CLEO:2015 吉岐航

 [STu1I.4] 실리카 마이크로캐비티를 갖춘 저전력 온칩 올-옵티컬 커 스위치

12일 오전 "Nonlinear optics" 세션에서 발표를 하였다. 나의 발표는 실리카트로이드 공진기에서의 광 Kerr 효과를 이용한 광 스위치에 관한 것이다. 본 세션에는 나의 발표 외에도 마이크로 광공진기를 이용한 발표가 다수 있었다. 그러나 그 대부분은 파장변환이나 광커컴 관련이며, 저와 같은 시간영역의 응용에 관한 발표는 전무했다. 같은 세션에는 Purdue univ./Weiner 그룹이나 Conrnell univ./Gaeta 그룹, Caltech/Vahala 그룹 등 쟁쟁한 그룹에서 발표가 출품되었다. 또한, 최근 Nature Communications에 실린 "Brillouin-scattering-induced transparency and non-reciprocal light storage" 등 연구의 질이 높은 발표도 많았다. 이 높은 발표도 많았다.

내 발표는 세션 내에서 4번째, 8시 45분부터 발표하는 것으로 마침 사람들이 많이 모이는 시간대에 발표할 수 있었다. 실제로 본 세션은 주목도가 높은 컴 관련 발표가 많아서 그런지, 서서 들을 정도로 성황을 이루었다. 질의응답 시간에 받은 질문은 다음과 같다.

• 열의 영향이 나타나는 제어 광 펄스의 시간 폭은 어느 정도인가?
• 공진 파장을 안정화시키는 어떤 방법을 사용하는가?
• 사용하는 모드와 스위치에 필요한 제어 광 파워의 관계는 어떤가(모드가 다르면 모드 부피도 다르기 때문에).
• 스위치 속도는 무엇으로 제한되는가?
• 입력하는 펄스의 시간 간격은 공진기의 FSR을 고려하여 결정되는가?

(1)~(4)에 대해서는 예상 질문이었기 때문에 무리 없이 답변할 수 있었지만, (5)에 대해서는 영어적으로도 내용적으로도 이해가 되지 않아 답변할 수 없었다. 지금 생각해보면 질문 내용이 FSR과 시간 간격에 관한 것이었기 때문에 질문자는 광카컴의 연구와 혼동한 것이 아닌가 추측할 수 있지만, 당시에는 그렇게까지 생각이 나지 않았다. 다음부터는 질문자의 의도를 감안하여 답변할 수 있도록 정진하고 싶다.

3. 주목할 만한 발표에 대해

 [SM1l.4] 듀얼 링 공진기를 이용한 통합형 온칩 C-밴드 광 스펙트럼 분석기

실리콘 칩 상에서 스페아나와 같은 기능을 실현했다는 연구. 파장 성분을 분해하는 소자로는 FSR이 미묘하게 다른 결합된 실리콘 마이크로 링을 사용하고 있는데, FSR이 미묘하게 다르기 때문에 기본적으로 파장이 일치하는 한 쌍의 피크에서만 빛이 투과된다. 한쪽 마이크로링의 공진 파장을 열로 튜닝하면 공진 파장이 일치하는 모드 쌍이 바뀌기 때문에 파장을 스위핑할 수 있다. 한쪽 마이크로링의 공진 파장을 조금만 바꾸면 파장을 크게 쓸어낼 수 있다는 것이 포인트인가? 또한, 본 디바이스는 입력 포트에 마하젠다 변조기가 내장되어 있어, 록인 검출을 할 수 있도록 구성되어 있으며, 수광기도 내장되어 있다. 마이크로 링을 사용하고 있기 때문에 파장 분해능을 크게 높일 수 없다는 단점이 있지만, 위와 같은 세심한 배려가 돋보이는 점이 흥미로웠다.

[STu1I.3] AlGaAs-On-Insulator (AlGaAsOI) 나노 웨이브가이드의 고효율 4파 혼합 (덴마크 공과대학교)

실리콘에서 비선형 광학 현상을 사용할 때는 반드시 이중광자 흡수에 의한 캐리어 생성이 문제가 된다(캐리어 인출을 하지 않는 한). 그래서 최근에는 SiN이나 a-Si:H 등이 실리콘의 대체 재료로 연구되고 있다. 그러나 SiN은 밴드갭은 넓지만 실리콘에 비해 비선형성이 낮다. 또한, a-Si:H는 실리콘보다 비선형성이 높지만, 이광자 흡수에 의한 캐리어 생성을 완전히 억제할 수 없다. 한편, 본 연구에서 사용된 AlGaAs는 실리콘보다 높은 비선형성을 가지는 동시에 Al 농도에 따라 밴드갭을 제어할 수 있는 특징을 가지고 있다. AlGaAs에 의한 비선형 파장 변환은 처음이 아니지만, 본 연구는 도파관 구조를 고안하여 파장 변환 효율을 높이고 있다. 파장 변환 효율을 높였다.

[FTu4B.8] 광학 마이크로캐비티로 탄소나노튜브 역학 제어 (Lipson, Cornell univ.)

실리콘 나이트라이드에 의한 Free-standing 공진기(Q=5×10⁶)를 이용하여 탄소나노튜브(CNT)의 기계적 진동을 가시화하고, 공진기에서 누출되는 근접장광을 이용하여 CNT의 기계적 진동을 댐핑 제어한다. CNT는 열적으로 진동하고 있으며, 그 진동의 진폭은 pm으로 크다. 따라서 공진기에 근접시킴으로써 그 기계적 진동에 의한 미세한 CNT의 변위를 공진기의 출력을 통해 검출할 수 있다. 여기서는 CNT의 변위에 따른 손실의 증감을 신호로 사용하였으며, CNT를 지그에 끼워 기계적으로 공진기에 근접시켜서 CNT를 공진기에 근접시켰으며, Lipson은 이 연구 외에도 그래핀을 이용한 변조기에 대한 연구도 발표한 바 있다([SW4I.4.] 30 GHz Zeno-based Graphene Electro-optic Modulator), 탄소계 재료에 손을 대기 시작한 것으로 보인다.

[SM3O.1] 광학 마이크로캐비티 바이오센서를 이용한 단일 핵산 상호작용 모니터링 (Vollmer, MPI)

Vollmer의 초청 강연. 본 발표의 포인트는 다음 두 가지이다. 첫째, 작년 Keio에서 열린 워크샵에서도 이야기했지만, 결합에 테이퍼가 아닌 프리즘을 사용하고 있다. 기계적 안정성이 높기 때문이다. 또한, 프리즘 커플링을 쉽게 할 수 있도록 토로이드가 아닌 미소구를 사용하고 있다. 또 한 가지는 플라즈몬 미립자를 이용하여 전기장 증강을 하여 감도를 높인 점이다. 후술하겠지만, 최근 미세광공진기를 이용한 센싱의 트렌드는 플라즈몬이나 Optomechanics, Optofluidics와의 조합을 통한 고감도화 및 고기능화인 것 같다.

[AW3K.1] 유체 결합 광기계 발진기 (H. Tang, Yale Univ.)

[AW3K.2] 표면감응형 미세유체 광학기계식 링 공진기 센서 (X. Fan, Michigan Univ.)

두 발표 모두 미세광 공진기+Optomechanics+Optofluidics의 조합을 통한 센싱에 대한 발표로, Optomechanics에 의한 센싱의 원리는 매우 간단하다. 공진기에 어떤 미립자가 부착되면 공진기의 유효질량이 변하기 때문에 기계적 공진 주파수가 변하게 된다. 공진기에 CW광을 입사시켜서 출력광을 RF스페이서로 주파수 분해하면 기계적 주파수의 시프트를 볼 수 있다. 본 방법은 "무게"를 측정할 수 있다는 점에서 굴절률 변화를 이용한 기존의 센싱 방식에 비해 우위를 가진다.

전자는 도파관과 집적된 SiN 디스크 공진기를 사용한다. 물은 가시광선에 대해 투명하지만, Si는 불투명하다. 그래서 가시광선 영역에서 투명한 SiN을 이용하여 공진기를 제작했다고 한다. 유로를 제작하여 액상 측정을 하고 있는데, 여기서 문제가 되는 것이 액체에 의한 덤핑이다. 액중에서는 Q_M~1 정도까지 떨어진다고 한다. 그래서 이 연구에서는 충분히 높은 파워를 가진 빛으로 Optomechanical한 진동을 증폭시킴으로써, 액상에서의 댐핑을 취소하고 있다. 그 결과, Q_M~12라는 액상으로는 매우 높은 값을 얻을 수 있었다고 한다. 또한, 빛의 입출력은 격자형 커플러를 사용하여 이루어지고 있다.

후자는 중공 실리카 병 공진기(OIST와 비슷한 느낌?)를 사용한다. 를 사용하고 있다. 이쪽은 실리카 병 안에 유로가 있기 때문에 테이퍼를 액체로 적시지 않아도 된다. 본 연구의 측정 대상은 HF 용액으로, HF에 의한 실리카 병 내벽의 깎임에 의한 유효질량의 변화를 관찰하고 있다.

[STu2I.3] λ=4.5 μm에서 실리콘-온-사파이어 마이크로 공진기에서의 계단식 4파 혼합 (Loncar, Harvard Univ.)

[SW4F.2] 양자 캐스케이드 레이저 기반 커 주파수 빗 생성 (Kippenberg, EPFL)

마지막으로, 그다지 상세하지 않은 분야이지만, 카컴 관련 발표에 대해 소개하고자 한다. 위의 두 연구는 QCL을 광원으로 하여 Mid-IR의 컴 발생을 시도한 것으로, Mid-IR 영역에는 다양한 가스의 흡수선이 존재하기 때문에 센싱에 유용하다. 전자(Harvard)는 사파이어 위에 제작한 Si 마이크로 링을 이용하여 컴 발생을 시도하고 있다. 굳이 실리카가 아닌 사파이어 위에 성장시키는 이유는 실리카가 Mid-IR에서 흡수를 가지고 있기 때문이다. 한편, 후자(EPFL)는 통신 파장대의 콤과 마찬가지로 MgF2 공진기를 사용하고 있지만, Mid-IR에 흡수가 있는 실리카 테이퍼를 결합에 이용할 수 없기 때문에 칼코게나이드 파이버로 테이퍼 파이버를 제작하고 있었다. 프리즘 커플링이라는 선택지도 있다고 생각하는데, Mid-IR에서 투명한 프리즘용 재료가 없었던 것일까. 어쨌든 Mid-IR에서 컴을 내기 위해서는 어떤工夫가 필요하다는 것일 것이다.