KR101811209B1 - 주파수 빗 및 나노플라즈모닉스 기술을 이용한 광자 발생기 및 광자 발생 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 미리 결정된 주파수 대역의 주파수 빗(frequency comb)을 발생시키도록 구성된 주파수 빗 발생기, 및 주파수 빗 발생기에서 발생되는 광 주파수의 주파수 안정화를 위한 주파수 잠금을 수행하도록 구성된 제어부를 포함하는 광자 발생기를 개시한다.

Description

주파수 빗 및 나노플라즈모닉스 기술을 이용한 광자 발생기 및 광자 발생 방법{PHOTON GENERATOR USING FREQUENCY COMB AND NANOPLASMONIC TECHNOLOGY AND GENERATING METHOD THEREOF}
본 발명은 주파수 빗(frequency comb) 및 나노플라즈모닉스 기술을 이용한 광자 발생 장치 및 광자 발생 방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 원자 시계에 안정화된 주파수 빗과 표면 플라즈몬 공명(surface plasmon resonance)을 이용한 광자 발생기 및 광자 발생 방법에 관한 것이다.
나노 플라즈모닉스는 빛(광) 또는 레이저(laser)를 금, 은, 구리 등과 같은 특정 금속에 특정한 조건 또는 패턴을 새겨 놓은 구조에 입사하게 되면, 나타나는 금속 내부 자유 전자들의 집단적인 운동으로서, 빛의 주파수와 같은 주파수로 전자들이 운동하는 현상을 말한다. 이를 이용하면, 유전체 매질에서 요구되는 강한 전기장의 크기가 아니어도, 고체 매질 내의 전자의 움직임을 매우 빠르고 정밀하게 제어할 수 있다.
표면 플라즈몬(surface plasmon)은 빛의 빠르기로 진동하는 전자들의 집단적인 거동으로서, 빛을 파장 이하의 나노 스케일의 정밀도로 공간 제어하는 것이 가능할 뿐 아니라, 플라즈몬 공명(plasmon resonance) 현상에 의한 추가적인 레이저 장 증폭이 가능해, 같은 레이저 에너지로도 더 강한 전자의 유동 제어가 가능하고, 고체 표면에서 빛의 파형에 의해서 제어 및 방출되는 전자 펄스 신호(electron pulse signal)를 만들 수 있다. 또한, 표면 플라즈몬 현상은 물질의 굴절률 변화에 매우 민감하게, 유도 특성이 변화하기 때문에, 광학적 굴절률 측정 기술에 적용될 수 있다. 이러한 이유로 바이오/나노 센서, 비선형 광학 연구, 광컴퓨터, 광통신 등 매우 다양하고 광범위한 분야에서 활용되고 있다.
KR10-1459311B1
본 발명은 원자 시계(atomic clock)에 안정화된 광 주파수를 이용하여, 표면 플라즈몬을 유도하는 기술과 플라즈모닉스 기술에 안정화된 광 주파수 기술을 적용하는 기술을 조합함으로써 기존에 활용되어 오던 다양한 센서의 측정 기술의 정밀도를 크게 높이는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 안정화된 광 주파수를 이용하여 표면 플라즈몬을 유도하는 장치를 포함하는 광자 발생기 및 이를 포함한 센서를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 높은 안정도와 정확도를 갖는 원자 시계에 기반하여 레이저 또는 광 주파수를 잠금함으로써, 광 주파수를 초정밀 표준 측정 기술에 활용하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 원자 시계에 안정화된 광 주파수를 표면 플라즈몬 유도에 활용함으로써, 표면 플라즈모닉스의 주파수 안정도를 크게 향상시킴으로써, 바이오 센서 및 SPR(surface plasmon resonance) 센서, 기타 표준 광측정 기술에 적용하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 해결 과제들은 이상에서 언급한 내용들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 미리 결정된 주파수 대역의 주파수 빗(frequency comb)을 발생시키도록 구성된 주파수 빗 발생기; 및 상기 주파수 빗 발생기에서 발생되는 광 주파수의 주파수 안정화를 위한 주파수 잠금을 수행하도록 구성된 제어부를 포함하는 광자 발생기를 제공할 수 있다.
또한, 상기 주파수 빗의 표면 플라즈몬 공명(surface plasmon resonance) 상태를 발생시키도록 구성된 표면 플라즈몬 공명 발생기를 더 포함하는 광자 발생기를 제공할 수 있다. 여기서, 상기 표면 플라즈몬 공명 발생기는 복수의 나노 홀(nano hole)로 구성되는 나노 홀 어레이 구조를 갖는 나노 홀 어레이 박막을 포함할 수 있다. 또한, 상기 나노 홀 어레이 박막은 기판 상에 형성된 금속층을 포함하며, 상기 금속층은 복수의 원형 홀을 포함할 수 있다.
또한, 상기 금속층은 금을 포함하며, 상기 기판은 ITO(Indium-Tin Oxide)가 코팅된 석영층을 포함할 수 있다. 또한, 상기 원형 홀의 직경은 150nm 내지 250nm이며, 상기 복수의 원형 홀 사이의 간격은 500nm 내지 550nm일 수 있다. 또한, 상기 금속층의 두께는 80nm 내지 120nm이며, 상기 기판의 두께는 20nm 내지 30nm일 수 있다.
또한, 상기 제어부는 상기 주파수 빗 발생기에서 발생되는 광 주파수를 원자 주파수 표준(atomic frequency standard)에 주파수 잠금하도록 구성될 수 있다. 여기서, 상기 제어부는 원자 시계를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 의하면, 미리 결정된 주파수 대역의 주파수 빗(frequency comb)을 발생시키는 단계; 및 상기 주파수 빗 발생기에서 발생되는 광 주파수의 주파수 안정화를 위해 광 주파수를 원자 주파수 표준(atomic frequency standard)에 주파수 잠금하는 단계를 포함하는 광자 발생 방법을 제공할 수 있다.
또한, 표면 플라즈몬 공명 발생기를 통해 상기 주파수 빗의 표면 플라즈몬 공명(surface plasma resonance) 상태를 발생시키는 단계를 더 포함하는 광자 발생 방법을 제공할 수 있다. 여기서, 상기 표면 플라즈몬 공명 상태를 발생시키는 단계는 상기 주파수 빗이 복수의 나노 홀(nano hole)로 구성되는 나노 홀 어레이 구조를 갖는 나노 홀 어레이 박막을 통과하는 것을 포함할 수 있다.
또한, 상기 나노 홀 어레이 박막은 기판 상에 형성된 금속층을 포함하며, 상기 금속층은 복수의 원형 홀을 포함할 수 있다. 또한, 상기 금속층은 금을 포함하며, 상기 기판은 ITO(Indium-Tin Oxide)가 코팅된 석영층을 포함할 수 있다. 또한, 상기 원형 홀의 직경은 150nm 내지 250nm이며, 상기 복수의 원형 홀 사이의 간격은 500nm 내지 550nm일 수 있다. 또한, 상기 금속층의 두께는 80nm 내지 120nm이며, 상기 기판의 두께는 20nm 내지 30nm일 수 있다.
또한, 상기 주파수 빗은 상기 표면 플라즈몬 공명 발생기를 통해 광자 형태로부터 표면 플라스몬 형태로 변환 후에 상기 표면 플라스몬 형태에서 상기 광자 형태로 재변환될 수 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 실시예에 의하면 위에서 설명한 특징을 갖는 광자 발생기를 포함하는 바이오 센서를 제공할 수 있다.
본 발명에 의하면, 원자 시계(atomic clock)에 안정화된 광 주파수를 이용하여, 표면 플라즈몬을 유도하는 기술과 플라즈모닉스 기술에 안정화된 광 주파수 기술을 적용하는 기술을 조합함으로써 기존에 활용되어 오던 다양한 센서의 측정 기술의 정밀도를 크게 높일 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면 안정화된 광 주파수를 이용하여 표면 플라즈몬을 유도하는 장치를 포함하는 광자 발생기 및 이를 포함한 센서를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면 높은 안정도와 정확도를 갖는 원자 시계에 기반하여 레이저 또는 광 주파수를 잠금함으로써, 광 주파수를 초정밀 표준 측정 기술에 활용할 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면 원자 시계에 안정화된 광 주파수를 표면 플라즈몬 유도에 활용함으로써, 표면 플라즈모닉스의 주파수 안정도를 크게 향상시킴으로써, 바이오 센서 및 SPR(surface plasmon resonance) 센서, 기타 표준 광측정 기술에 적용 가능하다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 내용들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광자 발생기의 구조를 설명하기 위한 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 표면 플라즈몬 공명 발생기의 기능을 설명하기 위한 개념도이다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 표면 플라즈몬 공명 발생기의 구조를 나타내기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 표면 플라즈몬이 원자 시계에 안정화된 광 주파수로 동작함을 확인하는 실험을 위한 시스템을 나타낸다.
도 5a, 도 5b, 도 5c 및 도 5d는 본 발명의 일 실시예에 따른 표면 플라즈몬 특성을 해석한 결과를 나타내는 도면이다.
이하, 첨부된 도면에 의거하여 본 발명에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 참고하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 게시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 게시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범위에 의해 정의될 것이다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다.
본 명세서에서 사용되는 "포함한다 (comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성 요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성 요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈모닉 주파수 빗(plasmonic frequency comb)을 이용한 광자 발생기의 구조를 설명하기 위한 개념도이다.
본 발명에 따른 광자 발생기는 주파수 빗 발생기(110), 제어부(120) 및 표면 플라즈몬 공명 발생기(130)를 포함할 수 있다.
주파수 빗 발생기(110)는 미리 결정된 주파수 대역의 주파수 빗(frequency comb)을 발생시키도록 구성된다. 예컨대, 주파수 빗이 포함하는 주파수 스펙트럼 대역의 범위는 600nm 내지 1200nm의 파장 대역 또는 700nm 내지 1000nm의 파장 대역 등을 포함할 수 있으며, 이에 한정되지 않고 다양하고 넓은 범위를 포함할 수 있다.
제어부(120)는 주파수 빗 발생기(110)에서 발생되는 광 빗의 광량과 스펙트럼 등을 조절 가능하며, 특히 광 주파수의 주파수 안정화를 구현하도록 구성될 수 있다.
예컨대, 제어부(120)는 주파수 빗 발생기(110)에서 발생되는 광 주파수가 원자 주파수 표준(atomic frequency standard)에 주파수 잠금되도록 구성할 수 있으며, 이를 위해 제어부(120)는 원자 시계를 포함할 수 있다. 예컨대, 원자 시계는 세슘 원자 시계일 수 있으며, 또한 기준 주파수원으로 동작 가능한 수소 메이저나 광시계 등일 수 있다. 원자 시계는 시간 및 길이 표준의 기준 값으로 사용될 수 있는 표준으로 동작가능하다.
이와 같은 제어부(120)를 통해 원자 시계(121)에 주파수 빗 발생기(110)의 레이저 또는 광 주파수를 감금하게 되면, 주파수 빗 발생기(110)에서 원자 주파수 표준에 맞는, 원자 시계에 안정화된 광 주파수를 얻음으로써 이와 같은 광 주파수를 초정밀 표준 측정 기술에 활용 가능하다.
또한, 표면 플라즈몬 공명 발생기(130)는 광 주파수의 표면 플라즈몬 공명(surface plasmon resonance) 상태 또는 표면 플라즈마 공명(surface plasma resonance) 상태를 발생시키도록 구성된다. 예컨대, 표면 플라즈몬 공명 발생기는 복수의 나노 홀(nano hole)로 구성되는 나노 홀 어레이 구조를 갖는 나노 홀 어레이 박막을 포함하고, 이 나노 홀 어레이 박막은 광의 입사 방향에 수직으로 배치될 수 있다. 나노 홀 어레이 구조에 대한 구체적인 설명은 이하 도면을 참조하여 후술될 것이다.
이와 같이 원자 시계(atomic clock) 등의 안정화된 광 주파수를 이용하여, 표면 플라즈몬을 유도하는 플라즈모닉스 기술에 안정화된 광 주파수 기술을 적용하는 기술을 조합함으로써 기존에 활용되어 오던 다양한 센서의 측정 기술의 정밀도를 크게 높일 수 있다. 또한, 표면 플라즈모닉스의 주파수 안정도를 크게 향상시킴으로써, 바이오 센서 및 SPR(surface plasmon resonance) 센서, 기타 표준 광측정 기술에 적용 가능하다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 표면 플라즈몬 공명 발생기(surface plasmon resonance generator)의 기능을 설명하기 위한 개념도이다.
도 2를 참조하면 주파수 빗이 나노 홀 어레이 구조를 갖는 표면 플라즈몬 공명 발생기를 통해 광자(photon)-플라즈몬(plasmon) 변환이 구현된다. 예컨대, 나노 홀 어레이 구조를 갖는 금속 박막을 통해 특이한 광투과(EOT; extraordinary optical transmission) 현상을 유도할 수 있고, 이 EOT에 의해 주파수 빗이 표면 플라즈몬 공명 발생기의 금속 박막을 통과할 수 있다.
이 나노 홀 어레이 구조의 각각의 홀의 나노 단위의 직경은 일반적인 고전의 광학 성질에 기초하여 빛이 통과하는 것을 방지하고, 또한 나노 홀 어레이의 표면 플라즈몬에 의한 터널링 효과는 광 투과율을 현저히 향상시킬 수 있다.
주파수 빗과 표면 플라즈몬 공명의 새로운 조합을 위해서는 주파수 빗이 그 성질 및 성능을 플라스몬 공명 하에서도 유지될 수 있는지 검증이 필요하며, 본 발명에 의하면 주파수 빗이 표면 플라즈몬 공명 발생기를 통과 시에 광자 형태의 원래의 주파수 빗이 플라즈모닉(plasmonic) 빗 형태로 변환된 후, 다시 원래의 광자 형태의 주파수 빗으로 재변환되었으며, 이 때 주파수 위치, 안정성, 선폭 등에서 뚜렷한 성능 저하가 발생하지 않음을 확인하였으며, 이와 같은 실험 결과는 도 5에서 보다 구체적으로 기술될 것이다.
따라서, 본 발명에 의하면 주파수 빗과 표면 플라즈몬 공명을 조합한 광 발생기 또는 광자 발생기를 구현함으로써, 정교하게 정의된 주파수 빗의 최상의 성능을 발휘하는 다양한 형태의 바이오 센서 및 SPR(surface plasmon resonance) 센서, 나노플라스모닉 스펙트로스코피(nanoplasmonic spectroscopy), 코히런트 퀀텀 계측학(coherent quantum metrology) 및 미세파장(subwavelength)을 갖는 광 회로 등에 적용함으로써 우수한 효과를 낼 수 있다.
도 3a 및 도 3b은 본 발명의 일 실시예에 따른 표면 플라즈몬 공명 발생기의 구조를 나타내기 위한 도면이다.
플라즈마 공명 발생기의 나노 홀 어레이 구조의 평면도를 나타내는 SEM(scanning electron image) 이미지인 도 3a를 참조하면 표면 플라즈몬 공명 발생기는 복수의 나노 홀(nano hole)로 구성되는 나노 홀 어레이 구조를 갖는 나노 홀 어레이 박막을 포함하고, 이 나노 홀 어레이 박막은 광의 입사 방향에 수직으로 배치될 수 있고, 복수의 나노 홀을 포함하는 어레이 구조를 갖는다.
특이한 광투과(EOT)의 성질은 이와 같은 나노 홀 어레이 구조, 재료 및 홀 사이의 간격의 길이(pitch) 등에 영향을 받는다. 예컨대, 나노 홀 어레이는 기판 상에 형성된 금속층을 포함하며, 이 금속층은 복수의 원형 모양의 홀을 포함할 수 있다. 여기서, 예컨대 금속층은 금을 포함하고, 이 금속층은 도 3b에 도시된 바와 같이 ITO(Indium-Tin Oxide)(320)가 코팅된 석영(quartz)층(330)을 포함한 기판 상에 형성될 수 있다.
표면 플라즈몬 공명 발생기의 사시도를 나타내는 도 3b를 참조하면, 나노 홀 어레이 구조의 구체적인 수치와 관련하여, 원형 홀의 직경(d)은 150nm 내지 250nm 사이의 값으로 예컨대 약 200nm일 수 있으며, 복수의 원형 홀 사이의 간격 거리(P, pitch)는 500nm 내지 550nm 사이의 값으로 예컨대 530nm의 값을 가질 수 있다.
또한, 금으로 이루어진 금속층(310)의 두께(t1)는 80nm 내지 120nm 사이의 값으로 예컨대 100nm일 수 있으며, ITO층이 코팅된 석영 기판(320,330)의 두께(t2)는 20nm 내지 30nm 사이의 값으로 예컨대 25nm일 수 있다.
이와 같은 나노 홀 어레이의 구조는 예컨대 840nm의 파장에서 최대 광 투과율을 갖도록 설계되었으며, 구체적인 실험결과는 도 5를 참조하여 후술될 것이다. 최대 광 투과율을 갖는 파장을 변화시킴에 따라 나노 홀 어레이의 구조, 예컨대 원형 홀의 직경, 원형 홀 사이의 간격 거리, 금속 층의 두께, 기판의 두께 중 적어도 하나의 수치가 변경될 수 있으며, 역으로 이와 같은 나노 홀 어레이의 구조가 변경됨에 따라, 최대 광 투과율을 갖는 파장이 변화됨을 응용하여 적용가능할 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 표면 플라즈몬이 원자 시계에 안정화된 광 주파수로 동작함을 확인하는 실험을 위한 시스템을 나타낸다.
도 4에 도시된 시스템은 주파수 빗의 성능 및 특징이 플라스몬 공명을 통한 광자-표면 플라즈몬 변환을 통해서도 유지될 수 있는지 검증하기 위한 실험을 수행할 수 있다. 도 4에 표시된 광학 구성 요소에서, BS는 빔 스플리터(beam splitter), M은 미러(mirror), AOM은 어쿠스토-옵틱 변조기(acousto-optic modulator), BD는 빔 덤퍼(beam dumper), FL은 집광 렌즈(focusing lens), HWP는 반파 플레이트(half-wave plate), LO는 로컬 오실레이터(local oscillator), LPF는 로우패스 필터(low-pass filter), P는 편광판(polarizer)을 의미하며, 이와 같은 구성 요소 및 이들의 조합은 일부 변경 가능할 것이다.
먼저 주파수 빗 발생기(110)를 통해 발생되는 미리 결정된 주파수 대역 및 각 주파수에서의 정해진 크기를 갖는 주파수 빗이 발생되며, 이와 같은 주파수 빗은 원자 시계(121)에 잠금한 안정화된 광 주파수를 가질 수 있다. 이와 같이 형성된 주파수 빗은 표면 플라즈몬 공명 발생기(130)를 통해 진행되는 측정 빔 경로(MEA)와 표면 플라즈몬 공명 발생기(130)가 존재하지 않는 경로인 레퍼런스 빔 경로(REF) 각각을 통해 진행된다.
MEA 경로를 통해 진행하는 주파수 빗은, 예컨대 도 2 및 도 3을 참조하여 설명한 것과 같은 나노 홀 어레이를 갖는 금속 박막으로 이루어진 표면 플라즈몬 공명 발생기(130)를 통해 광자에서 표면 플라즈몬으로의 변환 및 표면 플라즈몬에서 광자로의 변환을 경험하고, 반면에 REF 경로를 통해 진행된 레퍼런스 빔은 이와 같은 광자-플라즈몬 변환이 이루어지지 않은 고유의 주파수 빗의 형태로 진행된다.
이와 같은 2개의 경로에 따라 진행된 주파수 빗들은 결합되어 광 검출기(410)에 의해 모니터링될 수 있으며, 광 검출기(410)는 예컨대 아발란치 광 검출기(Avalanche Photo Detector)일 수 있다. MEA 경로를 통해 진행된 플라스모닉 주파수 빗의 특성은 RF 스펙트럼 분석기(RF spectrum analyzer)(420) 및 주파수 카운터(frequency counter)(430)에 의해 분석될 수 있다. 이와 같이 구성된 도 4의 시스템 실험 장치를 통해 분석된 실험 결과는 이하 도 5를 참조하여 설명한다.
도 5a, 도 5b, 도 5c 및 도 5d는 본 발명의 일 실시예에 따른 표면 플라즈몬 특성을 해석한 결과를 나타내는 도면이다.
도 5a는 측면에서 바라본 플라스모닉 샘플의 계산된 강도 분포를 나타내며, 도 5b는 금속층과 기판 사이의 인터페이스 평면에서의 계산된 강도 분포를 나타낸다. 도 5a를 참조하면, 금으로 구성된 금속층(310), ITO(Indium-Tin Oxide)(320)가 코팅된 석영(quartz) 기판(330)을 측면에서 바라본 모습이 보이며, 도 5b를 참조하면, 금으로 구성된 금속층(310)과 ITO(Indium-Tin Oxide)(320)가 접하는 인터페이스를 위에서 바라본 모습이 보인다.
도 5a 및 도 5b의 실험 결과를 참조하면, 표면 플라즈몬 공명 발생기(130)의 반복적인 어퍼쳐(aperture) 구조에서 금속층(310)에 형성된 원형 홀 근처의 전기장이 표면 플라즈몬에 의해 상당히 향상되어, 광학 에너지를 원형 홀을 통해 전달함을 파악할 수 있다.
도 5c는 유한차분 시간영역(FDTD, Finite-difference time-domain) 시뮬레이션 방법을 통한 수치 해석의 계산적 결과와 전송된 광학 스펙트럼이 일치하여 수치 해석 결과가 유효함을 나타내는 그래프이다.
도 5c를 참조하면, 왼쪽 상단에 도시된 작은 파장 그래프는 주파수 빗의 최초 스펙트럼을 나타내는 것이며, 전체 파장 그래프의 결과는 표면 플라스몬 공명을 통한 플라스모닉 EOT(extraordinary optical transmission)의 파워 스펙트럼을 나타내며, 파란색으로 나타난 선은 이론적 결과를 나타내며, 오렌지 색으로 나타난 선은 실험 결과를 나타낸다.
도 5c의 그래프에서 나타난 것과 같이, 이론적 결과와 실험 결과가 큰 차이 없이 거의 일치함을 확인할 수 있으며, 특히 본 실험에서 주파수 빗의 선택된 주파수 스펙트럼 대역인 800nm, 840nm 및 900nm의 파장에서 각각 보라색, 파란색, 녹색 바가 나타내는 정규화된 스펙트럼 파워 값의 특성이 일치함을 확인할 수 있다.
주파수 빗은 기본적으로 진동, 온도 변화 및 습도 변화와 같은 환경 변화에 노출된 공기나 광섬유 등의 매체를 통과할 때, 위상 및 주파수 노이즈에 의한 악영향을 받게 된다. 따라서, 주파수 빗 활용 시에 진행 매체에서 발생하는 시간적 및 스펙트럼 분산(dispersion), 위상 노이즈, 주파수 노이즈 등을 모니터링하고 보상하기 위한 작업이 매우 중요하나, 본 발명에 의한 플라즈모닉 주파수 빗을 활용하는 경우 플라즈모닉 모드 변환이 주파수 빗의 주파수 정확성, 노이즈 발생 등에 악영향을 거의 끼치지 않으므로, 종래의 주파수 빗을 사용할 때의 분산 및 노이즈 영향을 상당히 감소시킬 수 있다.
도 5d는 광의 입사각이 45도인 경우에 나노 홀 어레이 박막 통과 시에 편광 의존적인 광 투과 스펙트럼의 특성을 확인하기 위한 그래프를 나타낸다. 도 5d의 파란색 그래프는 TE(transverse electric) 편파, 즉 진동 방향이 입사 평면과 수직인 수직 편광을 갖는 수직 편파의 주파수 빗의 실험 결과를 나타내며, 도 5d의 녹색 그래프는 TM(transverse magnetic) 편파, 즉 진동 방향이 입사 평면과 수평인 수평 편광을 갖는 수평 편파인 주파수 빗의 실험 결과를 나타낸다.
도 5d를 참조하면, TE 편파의 경우 도 5c의 광의 입사각이 90도인 경우와 유사하게 약 840nm의 파장에서 피크 값이 나타나 광 입사각에 상관없이 유사한 스펙트럼 파워 특성을 갖는 것을 확인하였으나, 반면에 TM 편파의 경우 도 5c의 실험 결과와 다르게 스펙트럼 파워 특성이 상이하게 나타났으며, 피크 값도 다른 주파수 대역에서 나타남을 확인할 수 있다. 이와 같이 TE 편파와 TM 편파의 상이한 특성을 갖는 실험 결과를 통해 플라스모닉 주파수 빗의 광 투과는 플라스모닉 EOT에 의해 특징지어지며, 일반적인 고전의 광의 회절 이론(diffraction theory)이 적용되지 않음을 알 수 있다.
이상 본 발명의 실시예에 따른 플라즈모닉 주파수 빗을 이용한 광자 또는 레이저 발생 장치 및 광자 발생 방법을 구체적인 실시 형태로서 설명하였으나, 이는 예시에 불과한 것으로서, 본 발명은 이에 한정되지 않는 것이며, 본 명세서에 개시된 기초 사상에 따르는 최광의 범위를 갖는 것으로 해석되어야 한다. 당업자는 개시된 실시형태들을 조합, 치환하여 기술되지 않은 형상의 패턴을 실시할 수 있으나, 이 역시 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 것이다. 본 발명의 범위는 아래의 특허청구범위에 의해 해석되어야 하며, 그와 균등한 범위 내에 있는 모든 기술도 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석해야 할 것이다.
110: 주파수 빗 발생기
120: 제어기
121: 원자 시계
130: 표면 플라즈몬 공명 발생기

Claims (18)

  1. 미리 결정된 주파수 대역의 주파수 빗(frequency comb)을 발생시키도록 구성된 주파수 빗 발생기;
    상기 주파수 빗 발생기에서 발생되는 광 주파수의 주파수 안정화를 위한 주파수 잠금을 수행하도록 구성된 제어부; 및
    상기 주파수 빗의 표면 플라즈몬 공명(surface plasmon resonance) 상태를 발생시키도록 구성된 표면 플라즈몬 공명 발생기
    를 포함하는 광자 발생기.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 표면 플라즈몬 공명 발생기는 복수의 나노 홀(nano hole)로 구성되는 나노 홀 어레이 구조를 갖는 나노 홀 어레이 박막을 포함하는 것인, 광자 발생기.
  4. 제3항에 있어서, 상기 나노 홀 어레이 박막은 기판 상에 형성된 금속층을 포함하며, 상기 금속층은 복수의 원형 홀을 포함하는 것인, 광자 발생기.
  5. 제4항에 있어서, 상기 금속층은 금을 포함하며, 상기 기판은 ITO(Indium-Tin Oxide)가 코팅된 석영층을 포함하는 것인, 광자 발생기.
  6. 제5항에 있어서, 상기 원형 홀의 직경은 150nm 내지 250nm이며, 상기 복수의 원형 홀 사이의 간격은 500nm 내지 550nm인 것인, 광자 발생기.
  7. 제4항에 있어서, 상기 금속층의 두께는 80nm 내지 120nm이며, 상기 기판의 두께는 20nm 내지 30nm인 것인, 광자 발생기.
  8. 제1항에 있어서, 상기 제어부는 상기 주파수 빗 발생기에서 발생되는 광 주파수를 원자 주파수 표준(atomic frequency standard)에 주파수 잠금하도록 구성되는 것인, 광자 발생기.
  9. 제1항에 있어서, 상기 제어부는 원자 시계를 포함하는 것인, 광자 발생기.
  10. 주파수 빗(frequency comb) 발생기를 통해 미리 결정된 주파수 대역의 주파수 빗을 발생시키는 단계;
    상기 주파수 빗 발생기에서 발생되는 광 주파수의 주파수 안정화를 위해 광 주파수를 원자 주파수 표준(atomic frequency standard)에 주파수 잠금하는 단계; 및
    표면 플라즈몬 공명 발생기를 통해 상기 주파수 빗의 표면 플라즈몬 공명(surface plasma resonance) 상태를 발생시키는 단계
    를 포함하는 광자 발생 방법.
  11. 삭제
  12. 제10항에 있어서, 상기 표면 플라즈몬 공명 상태를 발생시키는 단계는 상기 주파수 빗이 복수의 나노 홀(nano hole)로 구성되는 나노 홀 어레이 구조를 갖는 나노 홀 어레이 박막을 통과하는 것을 포함하는 것인, 광자 발생 방법.
  13. 제12항에 있어서, 상기 나노 홀 어레이 박막은 기판 상에 형성된 금속층을 포함하며, 상기 금속층은 복수의 원형 홀을 포함하는 것인, 광자 발생 방법.
  14. 제13항에 있어서, 상기 금속층은 금을 포함하며, 상기 기판은 ITO(Indium-Tin Oxide)가 코팅된 석영층을 포함하는 것인, 광자 발생 방법.
  15. 제13항에 있어서, 상기 원형 홀의 직경은 150nm 내지 250nm이며, 상기 복수의 원형 홀 사이의 간격은 500nm 내지 550nm인 것인, 광자 발생 방법.
  16. 제13항에 있어서, 상기 금속층의 두께는 80nm 내지 120nm이며, 상기 기판의 두께는 20nm 내지 30nm인 것인, 광자 발생 방법.
  17. 제10항에 있어서, 상기 주파수 빗은 상기 표면 플라즈몬 공명 발생기를 통해 광자 형태로부터 표면 플라스몬 형태로 변환 후에 상기 표면 플라스몬 형태에서 상기 광자 형태로 재변환되는 것인, 광자 발생 방법.
  18. 제1항, 및 제3항 내지 제9항 중 어느 한 항에 의한 광자 발생기를 포함하는 바이오 센서.
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