日 교토대 연구원 - 3차원 광결정체 표면에서도 광자 조작 성공.

Photonic circuits move on

광자 회로 이동

교토대 연구원들은 최초로 포토닉 크리스탈(이하 광결정체)의 표면에서 광자를 조작하는데 성공했다. 일본연구원들은 3차원 광결정체 내부에서뿐만 아니라 표면에서도 광자가 조작 가능하다는 것을 보였으며 이러한 결과는 발전된 광회로, 우수한 감도의 센서 그리고 새로운 나노 구조의 광소자를 발전시키는데 이용될 수 있다.

결함 구조와 광자 국한

  

광결정체는 일반적으로 물질의 성질, 예를 들면 물질의 유전율 등을 주기적으로 변화시키는 나노 구조체라고 말할 수 있고, 이러한 물질은 광 밴드 차이를 일으키며 광자가 이 구조 안에서 진행하는 특성에 영향을 준다. 이러한 효과는 금지된 에너지 밴드와 허락된 에너지 밴드에 의해 규정된 전자가 반도체의 주기적인 전위에서의 움직임과 유사하다. 광결정체 경우에서는 광 밴드 차이의 에너지 또는 파장을 가지는 광자는 이 광결정체를 통과할 수 없다. 과학자들은 이러한 사실을 이용해서 물질에 결함을 주어 광자를 제어하거나 조작할 수 있다.

지금까지는 벌크(덩치)에 결함을 주어 광결정체 내부의 광자만을 조작해 낼 수 있었으나, 교토대의 수스무 노다와 젠지 시자키는 3차원 광결정체 표면의 광자도 조작할 수 있음을 알아 내었다. 이들은 이 효과로 광자를 조작하기에 새롭고 쉬운 새로운 접근법을 열었으며 언젠가는 광자회로에서 빛을 제어하기 위하여 광결정체가 중요해 질 것이라고 말한다.

3차원 광결정체

노다와 시자키는 표면 상태(스테이트)를 가지는 3차원 광결정체와 이 표면 상태에 국한되거나 이 표면 상태를 따라서 진행하는 광자를 보임으로써 연구결과를 얻었다. 다음으로 이들은 광자가 표면 모드 차이와 표면 결함으로 인해서 정해진 표면에 고립될 수 있음을 보였다. 놀랍게도 이들은 9000에 이르는 Q 팩터를 얻는데 성공했고 이것은 3차원 광결정체 나노 공진기에서는 새로운 기록이다.

이 Q 팩터는 얼마나 길게 그리고 강하게 나노공진기에 광자가 가둘 수 있는지를 나타내는 것으로 일반적으로 수치가 높을수록 좋다. 이 연구는 광자를 조작하기 위한 3차원 광결정체의 새로운 방법을 제시하는 중요한 첫 걸음이고 3D 광결정체의 외부에서 빛을 이용하는 것은 안에서부터 광자를 제어해서 이용하는 것 보다 훨씬 더 수월한 방법이라고 노다는 주장했다.

결정체의 전자기파 분포

   

이러한 방법은 새로운 타입의 센서개발에도 이용될 수 있다. 이 경우 3차원 광결정체의 표면은 빛을 흡수 하지 않기 때문에 나노 공진기의 유효 굴절율 변화로 생화학 물질의 검출에 이용될 수 있다. 또 다른 예로 새로운 광전자 회로와 LED와 솔라셀의 성능향상 등 새로운 광나노 소자에 응용될 수 있다.

노다와 시자키가 현재 8층의 중첩 구조를 가진 광결정체를 만들었으나 더 계층을 높여서 빛의 가둠을 높이고 바닥 층으로부터의 누설을 줄이고자 한다. 앞으로 위에서 말한 응용들도 시도하고자 한다.

  

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Photonic circuits move on

Kyoto University researchers manipulate photons at the surface of a photonic crystal for the first time

Researchers in Japan are the first to show that photons can be manipulated at the surface of 3D photonic crystals – artificial nanostructures for light – as well as inside such crystals. The result could lead to advanced photonic circuits, high-sensitivity sensors and novel photonic nanodevices.

Defect structure and photon localization

Photonic crystals can be thought of as nanostructured materials in which periodic variations of some property (usually, the material's electric permittivity) produce a photonic "band gap", which affects how photons propagate through the material. The effect is similar to how a periodic potential in semiconductors affects the flow of electrons by defining allowed and forbidden energy bands. In the case of photonic crystals, photons with wavelengths or energies in the photonic band gap cannot travel through the crystal. This allows scientists to control and manipulate the flow of light by introducing carefully selected defects into the material.

Until now, researchers have only been able to manipulate photons inside such crystals by introducing defects into the bulk, but Susumu Noda and Kenji Ishizaki of Kyoto University have found that they could manipulate photons at the surface of 3D photonic crystals too. The effect opens up a new, easily accessible route for manipulating photons and might one day be important for using photonic crystals to control light in optical circuits, say the scientists.

3D photonic crystal surface

Noda and Ishizaki achieved their result by first showing that 3D photonic crystals possess surface states, and that photons can be confined and propagate through these states. Next, the researchers demonstrated that photons can be localized at desired surface points by forming a surface mode gap and introducing surface-defect structures. To their surprise, they obtained quality (Q) factors of up to 9000, the highest ever value reported for 3D photonic-crystal nanocavities. Q factors indicate how strongly, or for how long, photons can be confined in a nanocavity, and the higher the value, the better.

"Our work represents an important step in realizing a new route to manipulating photons by 3D photonic crystals," Noda told our sister website nanotechweb.org. "Accessing light from outside these crystals would be much more straightforward compared to that from manipulating it inside the materials."

Electromagnetic field distribution of crystal

Because the surface of the 3D photonic crystal does not absorb light, it might be used as a new type of sensor that would work by detecting the presence of a chemical or biomaterial as a change in the effective refractive index of the nanocavity system. Other applications include advanced photonic circuits and novel nanophotonic devices, such as improved LEDs and solar cells.

The number of stacking layers in the photonic crystals made by Noda and Ishizaki currently stands at eight and the researchers would now like to increase this because it would allow even better confinement of light and reduce light leakage via the bottom layers. They would also like to try their hand at realizing some of the applications mentioned above.

The work was published in Nature.

About the author

Belle Dumé is contributing editor at our sister website nanotechweb.org

 

 

Source :KISTI, optics.org