마이크로-나노 포토닉스는 주로 마이크로 및 나노 스케일에서 빛과 물질 간의 상호작용 법칙과 이를 이용한 빛의 생성, 전송, 조절, 검출 및 센싱 분야에서의 응용을 연구합니다. 마이크로-나노 포토닉스 서브파장 소자는 광자 집적도를 효과적으로 향상시킬 수 있으며, 전자 칩처럼 작은 광학 칩에 포토닉스 소자를 집적하는 것이 기대됩니다. 나노 표면 플라즈모닉스는 마이크로-나노 포토닉스의 새로운 분야로, 주로 금속 나노 구조에서 빛과 물질 간의 상호작용을 연구합니다. 이는 소형화, 고속 처리, 그리고 기존 회절 한계 극복이라는 특징을 가지고 있습니다. 우수한 국소장 증폭 및 공명 필터링 특성을 지닌 나노플라즈마 도파관 구조는 나노 필터, 파장 분할 다중화기, 광 스위치, 레이저 및 기타 마이크로-나노 광학 소자의 기반이 됩니다. 광학 마이크로 공동은 빛을 미세한 영역에 가두어 빛과 물질 간의 상호작용을 크게 향상시킵니다. 따라서 높은 품질 계수를 갖는 광학 마이크로 공동은 고감도 센싱 및 검출에 중요한 역할을 합니다.
WGM 마이크로캐비티
최근 광학 마이크로캐비티는 뛰어난 응용 가능성과 과학적 중요성으로 인해 많은 주목을 받고 있습니다. 광학 마이크로캐비티는 주로 마이크로스피어, 마이크로컬럼, 마이크로링 등의 다양한 형상으로 구성되며, 형태 의존적인 광학 공진기의 일종입니다. 마이크로캐비티 내부의 빛은 경계면에서 완전 반사되어 위스퍼링 갤러리 모드(WGM)라고 불리는 공진 모드를 생성합니다. 다른 광학 공진기와 비교했을 때, 마이크로공진기는 높은 Q값(10⁶ 이상), 낮은 모드 부피, 소형 크기, 손쉬운 집적화 등의 특징을 가지며, 고감도 생화학 센싱, 초저 문턱 레이저, 비선형 작용 등에 응용되고 있습니다. 본 연구의 목표는 다양한 구조와 형태의 마이크로캐비티의 특성을 규명하고, 이러한 새로운 특성을 응용하는 것입니다. 주요 연구 방향은 WGM 마이크로캐비티의 광학적 특성 연구, 마이크로캐비티 제작 연구, 마이크로캐비티 응용 연구 등입니다.
WGM 마이크로캐비티 생화학 센싱
본 실험에서는 4차 고차 WGM 모드 M1(그림 1(a))을 감지 측정에 사용하였다. 저차 모드와 비교했을 때, 고차 모드의 감도가 크게 향상되었다(그림 1(b)).
그림 1. 미세모세관 공동의 공명 모드(a) 및 이에 상응하는 굴절률 민감도(b)
높은 Q값을 갖는 가변형 광 필터
먼저, 방사형으로 천천히 변화하는 원통형 마이크로 공동을 뽑아낸 다음, 공진 파장에 따른 형상 크기 원리에 기반하여 결합 위치를 기계적으로 이동시켜 파장 튜닝을 구현할 수 있다(그림 2(a)). 튜닝 성능과 필터링 대역폭은 그림 2(b)와 (c)에 나타나 있다. 또한, 이 장치는 서브나노미터 정확도의 광학적 변위 감지를 실현할 수 있다.
그림 2. 가변 광 필터의 개략도(a), 가변 성능(b) 및 필터 대역폭(c)
WGM 미세유체 방울 공진기
미세유체 칩, 특히 오일 속 액적(droplet in-oil)의 경우, 표면 장력의 특성으로 인해 직경이 수십 또는 수백 마이크론에 달하는 액적은 오일 속에 부유하여 거의 완벽한 구형을 이룹니다. 굴절률 최적화를 통해 액적 자체는 10⁸ 이상의 품질 계수를 갖는 완벽한 구형 공진기가 됩니다. 또한 오일 내에서의 증발 문제도 방지할 수 있습니다. 상대적으로 큰 액적의 경우, 밀도 차이로 인해 위쪽 또는 아래쪽 측벽에 "앉게" 됩니다. 이러한 유형의 액적은 측면 여기 모드만 사용할 수 있습니다.
게시 시간: 2023년 10월 23일