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  • 미세 유리 섬유를 이용해 빛을 효율적으로 뽑아내는 나노 디바이스등록일 : 2015/05/22
  • 일본 교토 대학 공학 연구과의 연구원들은 광섬유의 일부를 지름 300nm(거미줄의 1/10)까지 미세화한 나노 광섬유에 빛의 공진기 구조를 넣은 디바이스를 실현, 이 장치를 이용하여 단일 발광체로부터의 빛을 효율적으로 광섬유에 결합할 수 있음을 실증했다.

    본 연구 성과는 일본 시간 2015년 5월 6일 오후 6시(영국 시간 2015년 5월 6일 오전 10시), 영국 과학 잡지 "Scientific Reports"지에 게재되었다.

    빛은 광자의 모임으로 되어 있다. 최근 이 광자를 자유자재로 제어함으로써, 도청 불가능한 통신을 실현하는 양자 암호 통신 및 기존의 컴퓨터에서 풀리지 않는 문제를 해결할 수 있는 양자 컴퓨터의 실현을 위한 연구가 진행되고 있다. 여기서 핵심은 광자를 제어하기 위한 장치이다. 특히, 인공 원자와 같은 단일 발광체에서 발생한 광자를 광자의 통로인 단일 모드 광섬유로 결합하는 것은 매우 중요한 과제였다.

    본 연구그룹은 이전에 광섬유의 일부를 직경 300나노미터(거미줄의 1/10, 원자 1천개 정도의 굵기)까지 실현했다. 나노 섬유의 표면에 단순히 단일 발광체를 부착시키는 것만으로 발생한 광자를 높은 효율로 광섬유를 통해 결합할 수 있음을 발견했다 (Nano Lett. 11, 4362 (2011)). 그 결합 효율은 7.4%로 대형 현미경을 사용하여 얻을 수 있는 2~3%보다 충분히 높은 것이었다. 발광체의 발광 효율을 고려하면, 결합 효율은 20%에 도달했다는 관련 연구도 보고되었다. 이 효율성을 더욱 높이는 방법으로 연구 그룹은 나노 섬유를 미세 가공하여, 광 공진기를 통합하는 방법을 이론적으로 발안( "테이퍼 광섬유-특허 제 5354605 호), 그 실현을 목표로 하고 있었다.

    연구 그룹은 직경 270nm의 나노 광섬유에 집속 이온빔을 이용하여 주기적인 홈 (깊이 45nm 주기 300nm)을 새겨, 미세 광 공진기를 장착한 나노 섬유를 실현했다. 또한, 이 광 공진기 내부의 나노 광섬유에 장력을 조정함으로써 가시 광역에서 20nm 이상으로 광 공진기의 공진 파장을 크게 변화시킬 수 있다는 것을 발견했다. 고체 미세 광 공진기에서 이렇게 크게 공명 주파수를 가변할 수 있는 장치는 거의 보고되지 않았다. 이것은 나노 섬유의 직경이 너무 가늘기 때문에 유리이면서 고무처럼 신축성이 있는 것이 이유라 생각된다.

    또한, 연구 그룹은 이 광 공진기 내부의 나노 광섬유 공진기 부분에 단일 발광체로서 양자점을 부착시켜 그 발광 스펙트럼을 관찰했다. 그 결과, 공진기의 공진 파장에서 발광 강도가 2.7배까지 향상된 날카로운 피크를 볼 수 있었다. 또한, 공진 파장을 변화시키면 그 날카로운 피크 파장이 따라서 변화하는 것을 확인했다. 이러한 결과에서 광 공진기 내부 나노 섬유에 의한 단일 ​​발광체의 발광이 미세 광 공진기의 효과로 보다 효율적으로 광섬유에 결합되어 있다는 것을 실증했다.

    이번 성과와 기존의 보고에서 공진기의 공진 파장에만 발광하는 단일 발광체를 이용한 경우, 이번에 실현한 장치에 의해 발광의 50% 이상을 단일 모드 광섬유로 결합할 수 있는 것으로 추정된다. 이 효율은 공진기의 성능을 높임으로써 이론적으로는 한없이 100%로 접근할 수 있다.

    양자 암호 통신, 광 양자 컴퓨터 등의 실현을 위한 최대의 병목이며, 100%에 가까운 효율로 광자를 발생하는 주문형 단일 광자원의 실현을 향한 큰 진전으로 판단된다. 또한, 반대로 광자를 높은 효율로 단일 발광체에 결합할 수 있기 때문에 광자의 양자 상태를 전자 스핀 상태로 변환해 기록하는 광 양자 메모리 등의 실현도 기대된다. 또한, 발광체로는 분자와 형광 단백질 등 다양한 물질을 결합할 수 있다. 따라서, 예를 들면 항체 등의 생체 물질을 매우 낮은 농도, 현미경 등의 대규모 장치를 이용하지 않고 검출 가능한 시스템에의 응용도 생각할 수 있다.

    향후에는 공진기의 성능 향상에 따라 더 높은 발광체와 광섬유 결합 효율의 실현을 도모해 이들 파급 효과의 실현을 지향한다.

    [논문정보]
    1) 제목 : Highly Efficient Coupling of Nanolight Emitters to a Ultra-Wide Tunable Nanofibre Cavity
    2) 저자 : Andreas W. Schell, Hideaki Takashima, Shunya Kamioka, Yasuko Oe, Masazumi Fujiwara, Oliver Benson & Shigeki Takeuchi
    3) 저널 : Scientific Reports
  • 키워드 : 나노, 유리, 섬유
  • 출처 : KISTI 미리안 글로벌동향브리핑