Journal Club 2018년도 | Tanabe Photonic Structure Group

Journal Club

연도별(4월-12월)

2018년도

발표 내용:

전자 및 포토닉스 기술은 산업을 지탱하는 중요한 기술이지만, 이 두 기술을 온칩으로 통합하는 것은 전통적으로 큰 과제였다. 많은 애플리케이션에 적용하기에는 막대한 비용이 필요하다.
이에 본 연구는 polycrystalline silicon 층을 도입하여 포토닉스 기술을 CMOS 공정에 접목하였다. 이를 통해 도파관 구조, 고속 변조기, 광검출기 등 다양한 광학소자를 트랜지스터와 함께 CMOS 공정으로 하나의 칩에 집적할 수 있음을 검증하였다.

발표 내용:

본 논문에서는 두 개의 플라즈몬 도파관과 이중 사각형 링으로 구성된 금속-절연체-금속(MIM) 압력 센서를 제안했다. 두 개의 정사각형 링은 두 링 사이에 위치한 직사각형 패치를 통해 연결되며, 표면 플라즈몬 폴라리톤(SPPs)은 이 패치를 통해 정사각형 링에서 다른 링으로 전달될 수 있다. 이 패치를 통해 정사각형 링에서 다른 링으로 전달되며, 유한차분 시간영역법(FDTD)을 이용해 장치를 시뮬레이션했다. 구조에 압력을 가하면 변형이 일어나고, 공진 파장에서 103nm의 적색 이동이 계산되었으며, 이 변형은 선형적으로 파장 이동에 선형적으로 비례하며, 제안된 광플라즈몬 압력 센서는 16.5nm/MPa의 감도를 가지고 있어 으로 생물학 및 의공학 분야에서 사용하기에 매우 적합하다.

발표 내용:

신뢰할 수 있고 비침습적인 방법으로 나노 크기의 입자를 광학적으로 포획하는 능력은 나노과학에서 중요한 능력으로 부상하고 있다. 이에 따라 나노 크기의 입자를 포획하기 위해 플라즈모닉 나노구조를 포함한 다양한 기술이 도입되고 있다. 그러나 플라즈모닉 기반의 나노 광학 핀셋은 금속에서 높은 손실로 인해 줄 가열의 문제에 직면한다. 여기서 본 연구는 비플라즈몬 접근법, 즉 실리콘 나노 안테나를 이용한 나노입자의 광트랩핑 및 수송을 실험적으로 증명한다. 여기서는 직경이 20 및 100 nm인 폴리스티렌 나노입자를 포획하고 형광 현미경을 사용하여 시간의 함수로서 그 위치를 추적하였다. 이를 통해 단일 나노안테나로 여러 개의 나노입자를 동시에 포획할 수 있음을 보여주었다. 또한, 약간의 열 발생으로 강화된 광학력을 예측하는 나노안테나의 시뮬레이션을 보여주었다. 이번 연구는 실리콘 나노안테나가 유해한 열 가열 효과 없이 나노입자를 광학적으로 포획할 수 있음을 입증했다.

발표 내용:

"측면 그래핀 p-n 접합은 다양한 전자/광학 시스템에서 핵심 구성 요소를 구성하기 때문에 중요하다. 그러나 도핑 수준을 제어할 수 있는 측면 그래핀 p-n 접합의 형성은 그래핀의 단층 특성으로 인해 여전히 큰 난제이다. 본 연구에서는 선택적 이온 주입과 동적 화학기상증착을 통한 현장 성장을 통해 공간 제어 및 가변적 도핑을 통한 원활한 측면 그래핀 p-n 접합 형성 및 균일 격자 붕소 도핑된 영역과 질소 도핑된 영역 모두에서 het-에로원자로의 치환이 이루어지며, 광전기적 평가를 통해 원활한 측면 p-n 접합은 주변 조건에서 뚜렷한 광전류 응답을 나타냅니다. 이온 주입이 마이크로 일렉트로닉스의 표준 기술이기 때문에 마이크로 일렉트로닉스의 표준 기술이기 때문에, 우리의 연구는 그래핀 p-n 접합의 대량 생산을 위한 간단하고 효과적인 전략을 제시한다. 배치 능력과 공간적 제어성을 갖춘 그래핀 p-n 접합의 대량생산을 위한 간단하고 효과적인 전략을 제시한다. .", [Gang Wang, et al "Seamless lateral graphene p-n junctions formed by selective in situ doping for 고성능 광검출기", Nature Communicationsvolume 9, Article number: 5168 (2018)].

발표 내용:

궤도를 도는 행성에 의해 유도되는 호스트 별의 약한 반경 방향 속도 변화를 감지하는 것은 행성을 발견하고 특성화하는 데 중요한 기술입니다. 광학 주파수 빗은 지구 유사체 탐지에 필요한 수준으로 별의 반경 방향 속도 변화를 보정할 수 있다. 새로운 칩 기반 장치인 Kerr soliton microcomb은 실험실 밖에서나 미래의 우주선 장비에서도 유비쿼터스 응용에 이상적인 특성을 가지고 있다. 또한, 마이크로콤 스펙트럼은 천문 분광기 교정에 이상적으로 적합하며, 다음과 같은 필터링 단계를 제거합니다. 여기서는 천문 분광기의 교정을 위해 원자/분자 라인- 참조, 근적외선 솔리톤 스펙트럼을 시연한다. Keck-II 망원경에서 알려진 외계행성 HD 187123b를 찾기 위한 노력은 Keck-II 망원경에서 최초로 마이크로콤의 현장 시연이 이루어졌다.

발표 내용:

IoT는 물리적 환경의 데이터(온도, 습도, 기압)를 얻기 위해 많은 무선 센서를 사용하고 있으며, 환경 측정, 헬스케어 센서, 스마트시티, 정밀농업 등 다양한 응용이 고려되고 있다. 무선 센서는 환경의 데이터를 수집, 분석, 전송한다. 일반적으로 IoT에 사용되는 무선 센서는 주로 전자기 간섭을 받을 수 있는 전자 장치로 구성되어 있다. 광학 센서는 전자기 간섭의 영향을 받지 않기 때문에 열악한 환경에서 큰 이점을 제공한다. 또한, 광 공진을 도입하여 빛의 상호작용을 강화함으로써 공진기 기반 광센서는 소형, 고감도, 다재다능한 기능을 발휘하여 무선 센서의 능력과 유연성을 크게 향상시킬 수 있다. 본 연구는 위스퍼링 갤러리 모드(WGM) 광 공진기를 이용한 무선 광센서 노드를 최초로 시연하였다.

발표 내용:

최근 광 소용돌이 등으로 대표되는 궤도각 운동량(OAM)을 갖는 빔에 대한 연구가 활발히 진행되고 있지만, 단순히 검출하는 것뿐만 아니라 구체적인 값을 측정하는 장치는 벌크 사이즈에 국한되어 있었다. 본 연구에서는 새로운 CMOS 호환 플라즈모닉 토폴로지 절연체 Sb2Te3를 이용하여 미세 OAM 측정기를 제작하였다.
제안하는 토폴로지 절연체는 기존에 사용되는 Au 등에 비해 자외선~가시광선 영역에서 우수한 특성을 가지며, 크로스토크 -20dB 이하의 고정밀 OAM 측정이 가능하다.
이날 토폴로지 절연체, OAM, 표면 플라즈몬 폴라리톤에 대해서도 간략하게 소개할 예정이다.

발표 내용:

광학식 자이로스코프는 사냐크 효과를 이용하여 회전 속도를 감지할 수 있다. 이 원리를 이용한 자이로스코프는 나노포토닉 구조로 소형화하기에 매우 적합하다. 그러나 자이로스코프의 S/N비는 일반적으로 열 변동, 제작의 불일치 등으로 인해 제한을 받는다. 이처럼 마이크로 스케일에서는 신호의 강도가 상대적으로 작기 때문에 지금까지 집적화된 나노포토닉 자이로스코프는 실현되지 않았다.
본 연구에서는 열의 변동과 제작의 불일치를 억제하기 위해 "reciprocal sensitivity enhancement"라는 새로운 기법을 사용하여 초소형 자이로스코프를 실현했다. 기존 광섬유 자이로스코프보다 500배나 작으면서도 30배의 감도를 달성했다.

발표 내용:

2018년 노벨 물리학상의 절반은 광학 핀셋과 그 생물학적 시스템에 대한 적용으로 아서 애쉬킨(Arthur Ashkin)에게 수여되었고 나머지 절반은 고강도 초단파 광학 펄스를 생성하는 방법을 개발한 제라르 무루(Gérard Mourou)와 도나 스트릭랜드(Donna Strickland)에게 공동으로 수여되었다. 지금까지 노벨상을 수상한 210명의 수상자 중 세 번째 여성으로, 이날 발표에서는 올해 수상작에 대한 간략한 소개가 이뤄질 예정임. 소개된 후, 스트릭랜드 박사 그룹의 최신 연구 성과가 발표될 예정인데, 스트릭랜드 박사 그룹은 소형, 고출력, 서브 피코초, 2색(1025 및 1085nm) 파이버 결합, 펄스 증폭 Yb:파이버 레이저를 보고했다.

발표 내용:

결정 공진기는 솔리톤 생성을 비롯해 저잡음 마이크로파 발생, 주파수 안정화 등 매우 다양한 응용분야의 기반 플랫폼으로 주목받고 있다.
이에 본 연구에서는 실리콘 나이트라이드 도파관에서 에어브리지 구조의 실리카 도파관에 빛을 넣어 온칩으로 고효율 커플링을 달성했다.
이 방법은 테이퍼 파이버를 이용한 커플링에 비해 견고하고 패키징에 적합하다.

발표 내용:

전자 발진기 회로는 통신에서 클럭 생성에 이르기까지 다양한 분야에서 사용되고 있지만, 안타깝게도 전자 발진기 회로는 위상 잡음과 같은 원치 않는 특성을 나타낼 수 있다. 이러한 전자 발진기 회로의 비이상적 특성은 광전자 발진기 회로를 설계하는 동기가 된다. 전자 발진기 설계의 동기가 된다.

발표 내용:

에르븀 도핑 광섬유 증폭기는 WDM/DWDM 기술의 핵심 장치로, EDFA를 모델링하는 작업은 계산적으로 매우 비싸다. 이 논문에서는 EDFA를 모델링하기 위해 다층 피드-포워드 신경망을 적용하는 방법을 연구한다.

발표 내용:

최근 환경문제와 관련하여 기존의 플라스틱을 대체할 수 있는 셀룰로오스계 재료가 다시금 주목받고 있다. 이에 본 연구에서는 소프트 리소그래피를 이용하여 하이드록시프로필셀룰로오스(HPC) 광학적 구조 및 플라즈모닉 구조의 제작을 수행하였다. 이 셀룰로오스 광 결정은 생체 응용이 가능하고 물 등 다양한 용매에 의해 분해가 가능하며, 광 구조에 의한 착색과 광발광의 증강이 가능하다. 또한, 금속 코팅을 하여 플라즈모닉 결정을 형성함으로써 표면 증강 라만 분광학으로도 활용이 가능하다는 것을 보여주었다.

발표 내용:

광공진기를 마이크로 유체 소자에 통합한 광유체 염료 레이저는 소량, 저농도 물체의 고감도 검출을 가능하게 한다. 본 연구에서는 미세 액적 광공진기를 이용한 FRET(FELTER 공명 에너지 이동) 기반의 다색 레이저를 구현하였다. 여기서는 쿠마린102를 도입한 단분산 미세 유체 방울을 생성했다. 이 구형 액적은 위스퍼링 갤러리 모드 광 공진기 역할을 하며, 약 470 nm의 파장에서 레이저를 발생시켰다. 액적 공진기에 포함된 이득 매질의 구성은 바꿀 수 있으며, 로다민6G를 유동하는 액적에 도입하여 발진 파장을 청색에서 주황색(~590nm)으로 바꿀 수 있다. 로다민6G에 의한 레이징 시 쿠마린102에 의한 방사선은 전혀 관찰되지 않았다. 이번과 같이 동일한 액적 공진기에서 레이징의 색을 제어할 수 있다는 것은 공진기 내 또는 공진기 주변에 있는 여러 종류의 표적이 되는 분자를 연속적으로 검출할 수 있다.

발표 내용:

포토닉스 디바이스 집적에 있어서 광섬유와 칩 간, 칩과 칩 간 등의 인터페이스는 전통적으로 문제가 되어 왔다. 종래의 접근법에서는 고정밀도의 정렬이 요구되며, 또한 모드 특성의 조정도 정확하게 고려해야 했다. 따라서 본 연구에서는 3D 프린팅된 빔 형성 소자를 섬유와 칩의 단면에 형성하여 커플링 효율을 향상시켰다. 또한, 3D 프린팅된 자유형상 미러로 빔 형상 및 전파 방향을 조절하여 멀티 렌즈를 통한 빔의 확대도 실현했다. 이에 따라, 다중 칩의 통합에서 성능을 크게 향상시킬 수 있었다.

발표 내용:

인터넷은 수백 Tbit/s의 정보를 전송하며 전 세계 전력 소비량의 9%를 소비하고 있다. 매년 20~30%의 비율로 증가하는 에너지 소비를 억제하기 위해서도 보다 고효율의 통신용 광원이 요구되고 있다. 이러한 시대적 흐름 속에서 여러 개의 레이저 광원을 동시에 사용하는 대신 하나의 통신 광원을 이용함으로써 에너지 절약과 공간 절약을 실현할 수 있을 것으로 기대된다. 본 연구에서는 AlGaAs를 이용한 도파관을 이용하여 66%라는 매우 높은 효율로 콤을 생성하는 데 성공했다. 이 콤 광원을 정보 통신에 사용하여 661 Tbit/s를 달성했다.

발표 내용:

빛을 한 방향으로만 전파시키는 광소자, 광 아이솔레이터는 다양한 응용분야에서 중요하다. 음파의 비상충 전파는 회전하는 기계적인 소자를 이용하여 실현할 수 있다. 이번 연구에서는 이와 같은 생각을 광파에도 적용하여 광 아이솔레이터의 실현을 시도하였다. 그러나 광파는 음파보다 상당히 빠르기 때문에 동일한 효과를 기대하기 위해서는 상당한 회전 속도가 필요하다. 그리고 회전 속도가 빠르기 때문에 축 흔들림 등이 발생하여 공진기와 도파관과의 거리를 유지하기가 어려워 임계 커플링을 유지할 수 없다. 그 결과, 지금까지 아이솔레이션을 위해 다른 방법이 채택되어 왔다.
그래서 HDD에서 유체역학적으로 나노미터의 정확도로 자기 헤드가 디스크에서 부상하는 원리를 이용하여 공진기에서 수 나노미터 떨어진 곳에서 결합을 실현했다. 이번 실험에서는 공진기를 고속으로 회전시켜 시계 방향과 반시계 방향의 모드를 분할하여 99.6%의 아이솔레이션을 실현했다.

발표 내용:

지능형교통시스템(ITS)은 신호등 제어 등에 사용되는 인프라 기반 기술이다. 본 연구에서는 ITS에 필요한 '교통량 계측, 속도 계측, 차종 구분'의 3가지 기술적 과제를 동시에 수행할 수 있는 레이더 센서를 제안하였다.

발표 내용:

열, 빛, 자기장 등의 자극에 반응하여 형태가 변하는 연성 재료는 플렉서블 일렉트로닉스, 소프트 로보틱스부터 약물 전달, 생체 조직 공학 등 생체의학 분야에 이르기까지 다양한 용도로 활용될 수 있는 가능성을 가지고 있다. 특히 폐쇄된 공간에서 재료를 원격으로 조작하여 움직여야 하는 의료용도로는 자기장을 이용한 것이 유망하지만, 현재의 제작 방법으로는 단순한 형상 변화만을 일으킬 수 있었다.
본 연구에서는 자성에 의해 활성화되어 1초 이내에 변형되는 연질 재료를 인쇄하는 기술을 소개한다. 3D 프린터 노즐을 자화하여 실리콘 고무 매트릭스 내 강자성 미세입자의 배열을 제어함으로써 가역적이고 역동적인 변형이 가능한 구조물을 제작할 수 있다. 제작된 재료는 회전, 점프, 물체 잡기 등 다양한 유용한 동작을 프로그래밍할 수 있어 다양한 응용이 기대된다.

발표 내용:

등간격 주파수 성분을 갖는 광 주파수 콤은 현대 주파수 계측학, 정밀 분광학, 천문 분광학, 초고속 광학, 양자 정보 공학의 기초가 된다. 초고Q 값을 갖는 모놀리식 마이크로 공진기에서의 카 효과나 라만 효과와 같은 비선형성을 이용한 칩 스케일 주파수 콤은 시간적 공진기 솔리톤이 관찰되어 최근 발전해 왔다. 그러나 광컴의 형성을 결정하는 레이저 공진기 내의 파장 분산을 전기장으로 조절하는 것은 마이크로 공진기나 섬유 공진기 모두 일반적으로 어렵다. 이러한 전기적 동적 제어는 광 주파수 콤과 광전자를 연결하여 단일 공진기에서 빠르고 편리한 동조성으로 다양한 광 콤의 출력을 가능하게 한다. 뛰어난 페르미-딜락 동조성과 초고속 캐리어 이동도로 인해, 그래핀은 게이트 전압으로 조절 가능한 광전도도에 의해 결정되는 복잡한 광분산을 갖는다. 여기서 우리는 게이트에서 조절 가능한 광전도도를 질화규소 미세광 공진기에 도입하여 2차 및 3차 파장 분산을 변화시킴으로써 그래핀을 이용한 게이트에 의한 광주파수컴의 공진기 내 동조성을 보여주었다.

발표 내용:

이 보고서에서 우리는 레이저 광을 사용하여 기체 기포를 효과적으로 가두어 액상을 통해 원하는 목적지까지 운반하는 방법을 시연한다. 이 효과의 기초가 되는 물리학은 복잡하지만, 2차원에 한정된 잘 알려진 마랑고니 효과에서 비롯된 것이기 때문에 매우 일반적이다. 마랑고니 효과로 알려져 있다. 실험용 현미경 기반 시스템은 염료가 포함된 두 개의 유리판 사이에 놓인 얇은 액체 층과 염료가 용매에 용해된 염료와 염료에 강하게 흡수되는 레이저 광선을 두 유리판 사이에 놓인 얇은 액체층으로 구성되어 있다. 온도 구배로 인해 광 트리거링 된 마랑고니 흐름이 유도되어 효과의 자기 증폭을 유도하고 계면은 빔 위치로 구부러져 적절한 빔 조향에 따라 기체 기포가 형성될 수 있습니다. (발광 입자나 액정 등) 다양한 기법을 사용하여 계면 접선 힘에 의해 추진되는 액체 흐름을 시각화했다. 이를 통해 현상의 물리학을 이해하고 기포 포획으로 이어지는 수반되는 효과를 분석하는 데 도움이 되었다. 유리 표면에서 움직이는 물방울이 레이저 광 계면 굽힘을 통해 유도되는 현상(즉, "물방울 투석기")이 조작도 시연되었다.

Scientific Reports 8:1792 (2018)
Joannie Desroches, Michael Jermyn, Michael Pinto, Fabien Picot, Marie-Andrée Tremblay1, Sami Obaid, Eric Marple, Kirk Urmey, Dominique Trudel, Jean-Paul Sousse, Brian C. Wilson, Kevin Petrecca, Brian C. Wilson, Kevin Petrecca, Brian C. Wilson, Kevin Petrecca & Frédéric Leblond Gilles Soulez, Marie-Christine Guiot, Brian C. Wilson, Kevin Petrecca & Frédéric Leblond

발표 내용:

현대의 암 치료는 생검법을 통해 조직학적으로 분자와 유전체를 분석할 필요가 있다. 종양 내 이질성이 있는 암에서 정확한 위치를 파악하고 한 번에 적절하게 샘플을 채취하는 것은 환자의 위험을 낮추기 위해 중요하다. 본 연구에서는 라만 분광법으로 채취 중 그 자리에서 암세포를 식별할 수 있는 기술을 제시하여 암 검출을 입증했다.

발표 내용:

유기 반도체를 사용하면 가볍고 기계적으로 유연한 광전자 소자를 제작할 수 있다. 그러나 대부분의 유기 반도체 레이저는 지지할 수 있는 기판이 필요하기 때문에 지금까지는 여전히 '딱딱함'이 남아 있었다. 이에 본 연구에서는 간단한 제작 공정으로 기판 없이 초박형(<500nm) 막형 DFB 레이저를 제작하여 초경량 및 높은 유연성을 달성하였다. 이 경량성과 높은 유연성을 이용하여 콘택트렌즈나 지폐 등에 탑재함으로써 향후 보안이나 의료 등의 분야로의 응용을 기대할 수 있다.

발표 내용:

본 연구에서는 실리카트로이드 공진기에서 PT 대칭을 깨지 않고 자발적으로 카이랄리티를 내는 데 성공했다. 이 원형 이색성은 CW와 CCW의 결합이 비선형 효과에 의해 변화하는 것에 기인한다. 수백 uW 정도의 임계값을 입력광 세기가 넘어가면 비선형 효과가 영향을 미쳐 20:1 정도의 원형 이색성이 나온다는 것이 실험적으로 입증되었다.

발표 내용:

소프트 로봇은 인간과 자연환경에 더 잘 적응할 수 있는 안전한 로봇으로 최근 다양한 개발이 이루어지고 있다. 그러나 모든 부위를 부드러운 재료로 제작하기 어려워 일부 금속을 사용해야 했다. 이번에 금속 등을 사용하지 않고 모든 부위를 부드러운 소재로 구현한 문어형 소프트 로봇을 제작하였다. 또한, 외부 전원에 연결할 필요가 없어 촉매반응을 이용한 자율적인 로봇 제작이 가능해졌다.

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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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