WO2018174368A1 - 광섬유와 연결된 나노선의 제조방법 - Google Patents

광섬유와 연결된 나노선의 제조방법 Download PDF

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WO2018174368A1
WO2018174368A1 PCT/KR2017/013082 KR2017013082W WO2018174368A1 WO 2018174368 A1 WO2018174368 A1 WO 2018174368A1 KR 2017013082 W KR2017013082 W KR 2017013082W WO 2018174368 A1 WO2018174368 A1 WO 2018174368A1
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nanowires
nanowire
micropipette
optical
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김종국
제정호
김남호
이준호
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주식회사 레신저스
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    • G02B6/25—Preparing the ends of light guides for coupling, e.g. cutting

Definitions

  • the present invention relates to a method for manufacturing a nanowire connected to an optical fiber.
  • the invention also relates to an optical sensor comprising nanowires produced by this method.
  • An optical fiber is an optical fiber that uses a material with a high refractive index at the center part (core) and a material having a low refractive index at the outside part (clad) to cause total reflection of light passing through the center part. Therefore, the optical fiber has a very low optical loss and thus has a low loss of data to be transmitted and received and is hardly influenced by external sources. Therefore, the optical fiber is widely used in optical communication and optical sensors.
  • the optical fiber generally has a size of 100 to 1,000 ⁇ m diameter in order to achieve the manufacturing process and function.
  • many of the standard ones have a core diameter of 10 ⁇ m and a cladding diameter of 125 ⁇ m. It is not easy to make the diameter of the optical fiber, especially the core smaller than this, due to the difficulty of the manufacturing process.
  • various researches have recently been conducted to use optical fibers for nanoscale research, experiments, and devices.
  • the present invention is to solve the problem that light scattering occurs at the connection portion of the optical fiber and the nanowire that the prior art has not solved, the junction of the optical fiber and nanowire by directly growing the nanowires aligned with the optical transmission axis at the end of the optical fiber It is an object of the present invention to provide a method for minimizing optical loss in a light source.
  • an object of the present invention is to adjust the reception, transmission and reflection of light under the control of the end portion of the nanowire.
  • the present invention provides a method for producing a nanowire connected to an optical fiber, the nanowire according to the present invention comprises a) filling a micropipette with a solution of a material to form a nanowire; b) coaxially aligning the micropipette such that the longitudinal axis of the optical fiber and the longitudinal axis of the micropipette align at one end of the optical fiber in a straight line; c) forming a meniscus of a solution of material to form nanowires in said coaxially aligned state; And d) lifting the micropipette in a state where the meniscus is formed in a direction away from the optical fiber and evaporating a solvent of a solution of a material that will form the nanowires.
  • the nanowire according to the present invention may be prepared by further comprising the step of controlling the shape of the end portion of the nanowires by irradiating the laser to the prepared nanowires.
  • the optical fiber is tapered and has a diameter of 0.2 ⁇ m or less at the end.
  • the diameter of the optical fiber ends is smaller than the diameter of the micropipette.
  • the nanowires connected to the optical fiber have an optical coupling efficiency of 84% or more.
  • the present invention is an optical fiber; And it relates to an optical sensor comprising a nanowire connected to the optical fiber manufactured according to the present invention.
  • the optical sensor transmits light in the direction of the nanowire in the optical fiber.
  • the optical sensor receives light from the nanowire to the optical fiber.
  • the optical sensor transmits light in the direction of nanowires in the optical fiber and receives light in the opposite direction.
  • the nanowires connected to the optical fiber manufactured according to the present invention have no or minimal light loss at the connection portion with the optical fiber.
  • the nanowires connected to the optical fiber manufactured according to the present invention are optimized not only for the transmission and reception of light from the optical fiber to the nanowire direction, but also for the transmission and reception of the light from the nanowire to the optical fiber through control of the end portion of the nanowire.
  • 1 is a view showing the optical loss when the optical fiber and the nanowires are connected by a conventional method.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating coaxial alignment of micropipettes to the ends of optical fibers in accordance with the present invention.
  • FIG 3 is a schematic diagram showing an example of the distal end shape of a nanowire controlled by a laser according to the present invention.
  • Figure 4 (a) and (b) is a photograph showing a nanowire that controls the shape of the nanowire end portion according to the present invention
  • Figure 4 (c) is a view of the nanowires of (a) and (b) of Figure 4 It is a graph comparing light reception.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating a step of manufacturing a nanowire.
  • 6 (a) shows an FE-SEM image (size bar 5 ⁇ m) of a waveguide probe having a nanowire diameter of 350 nm, and the inserted figure shows a Fe-SEM image of a connection of a tapered optical fiber and a coaxially aligned nanowire. (Size bar, 1 ⁇ m).
  • 6 (b) shows an optical micrograph (OM) of the nanowires connected to the optical fiber
  • Figure 6 (c) shows a photoluminescence microscopy (PL) micrograph of the nanowires connected to the optical fiber.
  • meniscus used in the present invention means a curved surface formed by the liquid level in the tube by interfacial tension. Depending on the nature of the liquid, the liquid level becomes concave or convex.
  • the present invention relates to a method for manufacturing a nanowire connected to an optical fiber, specifically, a) filling a micropipette with a solution of a substance to form a nanowire; b) coaxially aligning the micropipette such that the longitudinal axis of the optical fiber and the longitudinal axis of the micropipette align at one end of the optical fiber in a straight line; c) forming a meniscus of a solution of material to form nanowires in the coaxially aligned state; And d) lifting the micropipette in the meniscus formed state in a direction away from the optical fiber and evaporating a solvent of a solution of a material that will form the nanowires.
  • each step is examined in detail.
  • step a of filling a micropipette with a solution of a substance to form nanowires.
  • the material solution for forming nanowires includes all materials capable of forming meniscus, and includes most organic materials. Specifically, polystyrene, methyl polymethacrylate, polycarbonate can be used, and perfluorinated compounds (PFCs) such as amorphous fluoropolymer (CYTOP) can also be used. In addition, an organic conductive polymer ( ⁇ -conjugated polymer) may also be used, which has the property of freely controlling electrical and optical properties through chemical doping. As a solvent of the material solution to form the nanowires, a material that evaporates well may be used, and for example, one or more selected from the group consisting of xylene, chlorobenzene, toluene, and the like may be used.
  • Micropipettes may be made to a desired diameter using a pipette puller or commercially available micropipettes may be used.
  • the diameter of the micropipette is preferably larger than the diameter of the distal end of the optical fiber, for example, may be 0.2 ⁇ m or more. Therefore, since the nanowires are manufactured in the form of enclosing the optical fiber, light loss can be minimized. That is, the micropipette which can be used in the present invention can be used without limitation as long as it is larger than the diameter of the end portion of the optical fiber and can form a meniscus.
  • step b coaxially aligning the micropipette at one end of the optical fiber such that the longitudinal axis of the optical fiber and the longitudinal axis of the micropipette lie in a straight line.
  • an optical fiber having a shape in which a portion in contact with the nanowires is tapered that is, a narrowing shape. Since the diameter of an optical fiber having a core / clad generally used is 100 ⁇ m or more, it is preferable to taper one end of the optical fiber so as to point the diameter to 0.2 ⁇ m or less, preferably 0.1 ⁇ m or less in order to contact the nanowires efficiently. Do.
  • FIG. 2 shows coaxial alignment of the micropipette so that the longitudinal axis of the optical fiber and the longitudinal axis of the micropipette align at the tapered end of the optical fiber.
  • the x and y axes with two optical lenses, respectively.
  • the optical lenses on the x and y axes are perpendicular to each other.
  • the nanowires must be coaxially grown to the ends of the tapered fiber to minimize light loss.
  • step c a step of forming a meniscus of a solution of the material to form the nanowires in the coaxially aligned state.
  • the micropipette filled with the material solution to form the nanowires is spaced apart from one end of the optical fiber to form a meniscus of the material solution to form the nanowires.
  • step d the step of preparing a nanowire by evaporating the solvent of the solution of the material to form the nanowires by lifting the micropipette of the meniscus formed in a direction away from the optical fiber.
  • the liquid inside evaporates rapidly.
  • the dissolved material solidifies to form a column.
  • the micropipette is preferably lifted in a direction (z-axis) perpendicular to the x-axis and y-axis using the longitudinal axis of the optical fiber, that is, the optical lenses.
  • the optical lenses are arranged on the x and y axes, respectively.
  • the lifting speed (draw rate) can be adjusted according to the type and concentration of the material solution to form the nanowires.
  • the method of manufacturing a nanowire connected to an optical fiber may further include controlling the shape of the end portion of the nanowire by irradiating a laser to the manufactured nanowire (step e).
  • step e a) filling the micropipette with a solution of a substance to form nanowires; b) coaxially aligning the micropipette such that the longitudinal axis of the optical fiber and the longitudinal axis of the micropipette align at one end of the optical fiber in a straight line; c) forming a meniscus of a solution of material to form nanowires in the coaxially aligned state; And d) lifting the micropipette in a state where the meniscus is formed in a direction away from the optical fiber and evaporating a solvent of a solution of a material to form nanowires to produce nanowires; And e) controlling the shape of the end portion of the nanowire by irradiating a laser to the prepared nanowire, thereby manufacturing
  • the degree of reflection and transmission of light can be determined according to the shape of the end portion of the nanowire. Therefore, it is desirable to control this in order to increase the reproducibility and reliability of light reception and light detection.
  • the shape control of the distal end of the nanowire is very important because it determines the intensity and directivity of the received light when receiving light through the nanowire distal end from the outside.
  • 3 shows an example of the distal end shape of a nanowire controlled by a laser according to the present invention.
  • FIG. 4 (a) and 4 (b) show nanowires in which the shape of the nanowire end portion is controlled according to the present invention
  • FIG. 4 (c) shows light reception of FIGS. 4 (a) and 4 (b).
  • the nanowire of FIG. 4 (b) is characterized in that the nanowire of FIG. 4 (a) is pointed to a cut surface.
  • the intensity of the reflected and returned light is measured and shown in FIG.
  • the nanowires of FIG. 4 (b) which have sharpened ends, reflect back only a low level of light at a quarter level compared to the nanowires of FIG. 4 (a).
  • As can be seen from the end of the nanowire is transmitted. That is, by controlling the shape of the end portion of the nanowires it is possible to determine the reflection and transmission of light.
  • FIG. 5 is a diagram schematically illustrating a manufacturing process of a nanowire.
  • the present invention is an optical fiber; And it relates to an optical sensor comprising a nanowire connected to the optical fiber manufactured according to the present invention.
  • the optical sensor according to the present invention may transmit light in the direction of the nanowire in the optical fiber, or may receive light in the direction of the optical fiber in the nanowire.
  • the optical fiber may transmit light in the direction of the nanowires and then receive the light again.
  • Nanowires connected to the optical fiber manufactured according to the present invention may have an optical coupling efficiency of 84% or more.
  • Coupling efficiency is defined as the ratio between the optical power at the end of the nanowire and the optical power at the end of the optical fiber not containing the nanowire.
  • 6 (a) shows an FE-SEM image (size bar 5 ⁇ m) of a waveguide probe having a nanowire diameter of 350 nm, and the inserted figure shows a Fe-SEM image of a connection of a tapered optical fiber and a coaxially aligned nanowire. (Size bar, 1 ⁇ m).
  • 6 (b) shows an optical micrograph (OM) of the nanowires connected to the optical fiber
  • Figure 6 (c) shows a photoluminescence microscopy (PL) microscope of the nanowires connected to the optical fiber.
  • Fig. 7 shows the coupling efficiency as a function of the input laser power
  • the coupling efficiency shows the optical power at the nanowire end (square display) and the optical fiber without the nanowire (the end portion is It is defined as the ratio between the optical power at the ends (point markings) of the tapered optical fiber).
  • the optical coupling of the nanowires connected with the optical fiber made according to the invention has been significantly improved to have a coupling efficiency of at least 84% for the total power of the input laser tested in this invention (Fig. 7, diamond representation).
  • the coupling efficiency is defined as the ratio between the optical power at the end of the nanowire according to the present invention (Fig. 7, box) and the optical power at the end of the optical fiber not containing the nanowire (Fig. 7, point). All.
  • High coupling efficiency can significantly reduce the input laser light output at the nanowire tip from about 1 nW to 3 nW, preferably up to about 1 nW, which is sufficient to detect photoluminescence (PL) of the nanowires. .

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Abstract

본 발명은 광섬유와 연결된 나노선의 제조방법에 관한 것으로서, a) 나노선을 형성할 물질 용액을 마이크로피펫에 채우는 단계; b) 상기 마이크로피펫을 상기 광섬유의 일측 단부에 광섬유의 길이 방향 축과 상기 마이크로피펫의 길이 방향 축이 일직선상에 놓이도록 동축정렬하는 단계; c) 상기 나노선을 형성할 물질 용액의 메니스커스를 형성하는 단계; 및 d) 상기 메니스커스가 형성된 상태의 마이크로피펫을 광섬유와 멀어지는 방향으로 들어올리며 나노선을 형성할 물질 용액의 용매를 증발시켜 나노선을 제조하는 단계를 포함하고, 선택적으로 상기 제조된 나노선에 레이저를 조사하여 나노선의 말단부의 형상을 제어하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.

Description

광섬유와 연결된 나노선의 제조방법
본 발명은 광섬유와 연결된 나노선의 제조방법에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 이 방법으로 제조된 나노선을 포함하는 광센서에 관한 것이다.
광섬유란, 중심부(코어)에는 굴절률이 높은 재질을 사용하고 바깥부분(클래드)에는 굴절률이 낮은 재질을 사용하여 중심부를 통과하는 빛이 전반사가 일어나도록 한 광학적 섬유이다. 따라서 광섬유는 전송되는 광 손실이 매우 적어 송수신하는 데이터의 손실도 낮고 외부의 영향을 거의 받지 않으므로 광통신 및 광센서 등의 분야에서 널리 이용되고 있다.
한편, 광섬유는 제조 공정 및 기능 달성을 위하여 직경이 100 내지 1,000μm의 크기를 갖는 것이 일반적이다. 직경이 작은 것 중에 표준품으로 많이 사용되는 것은, 코어 직경이 10 μm 이고 클래드 직경이 125 μm 이다. 광섬유 특히 코어의 직경을 이보다 더 작게 하는 것은 제작공정의 어려움으로 쉽지 않은 상황이다. 한편, 나노 규모의 연구 필요성으로, 광섬유를 나노 규모의 연구, 실험, 장치 등에 이용하기 위해서 최근 다양한 연구가 진행되고 있다.
예를 들어, 광섬유의 말단에 나노 직경을 갖는 나노선을 연결하는 방법이 연구되고 있다. 광섬유의 말단에 나노선을 연결할 때 광섬유와 나노선을 각각 별도로 제조한 후에 근접하게 위치시키는 방법으로 연결하는 경우에는 그것들의 연결점에서 큰 광손실이 일어날 수 있다(Xin Guo 등, Nano Lett., 2009, 9 (12), pp 4515-4519 "Direct Coupling of Plasmonic and Photonic Nanowires for Hybrid Nanophotonic Components and Circuits"). 도 1은 이와 같은 광섬유와 나노선을 별도로 제조한 후 연결하였을 때 그것들의 연결부에서 광 산란이 일어나 광손실이 큰 것을 나타내는 도면이다. 구체적으로, ZnO 막대의 한쪽 끝에 광을 주입한 후 Ag 막대로의 광 전달을 관찰할 때 두 막대의 연결부에서 광이 산란되는 것을 나타낸다.
본 발명은 이러한 종래 기술이 해결하지 못한 광섬유와 나노선의 연결 부위에서 광 산란이 일어나는 문제점을 해결하기 위하여, 광섬유의 말단에서 나노선을 광전송 축에 정렬되게 직접 성장시킴으로써 광섬유와 나노선의 연결부(junction)에서의 광손실을 최소화하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 나노선의 말단부의 제어에 따른 광의 수신, 투과 및 반사를 조절하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 광섬유와 연결된 나노선의 제조방법으로서, 본 발명에 따른 나노선은 a) 나노선을 형성할 물질 용액을 마이크로피펫에 채우고; b) 상기 마이크로피펫을 상기 광섬유의 일측 단부에 광섬유의 길이 방향 축과 상기 마이크로피펫의 길이 방향 축이 일직선상에 놓이도록 동축정렬하고; c) 상기 동축정렬된 상태에서 나노선을 형성할 물질 용액의 메니스커스를 형성하고; 그리고 d) 상기 메니스커스가 형성된 상태의 마이크로피펫을 광섬유와 멀어지는 방향으로 들어올리며 나노선을 형성할 물질 용액의 용매를 증발시켜 나노선을 제조될 수 있다.
바람직하게는, 본 발명에 따른 나노선은 상기 제조된 나노선에 레이저를 조사하여 나노선의 말단부의 형상을 제어하는 단계를 추가로 포함하여 제조될 수 있다.
바람직하게는, 상기 광섬유는 테이퍼드 형태이고, 말단의 직경이 0.2 μm 이하이다.
바람직하게는, 상기 광섬유 말단의 직경은 마이크로피펫의 직경보다 작다.
바람직하게는, 상기 마이크로피펫을 상기 광섬유의 일측 단부에 광섬유의 길이 방향 축과 상기 마이크로피펫의 길이 방향 축이 일직선상에 놓이도록 동축정렬하는 단계는 x 축과 y 축에 위치한 광학렌즈를 이용하여 정렬하는 것이다.
바람직하게는, 상기 광섬유와 연결된 나노선은 광 커플링 효율이 84% 이상이다.
또한, 본 발명은 광섬유; 및 본 발명에 따라 제조된 광섬유와 연결된 나노선을 포함하는 광센서에 관한 것이다.
바람직하게는, 상기 광센서는 상기 광섬유에서 나노선 방향으로 광을 송신한다.
바람직하게는, 상기 광센서는 상기 나노선에서 광섬유 방향으로 광을 수신한다.
바람직하게는, 상기 광 센서는 상기 광섬유에서 나노선 방향으로 광을 송신하고 반대방향으로 광을 수신한다.
본 발명에 따라 제조된 광섬유와 연결된 나노선은 광섬유와의 연결부의 광손실이 없거나 최소로 존재한다.
본 발명에 따라 제조된 광섬유와 연결된 나노선은 나노선의 말단부의 제어를 통하여 광섬유에서 나노선 방향으로의 광의 송수신뿐 아니라, 나노선에서 광섬유 방향으로의 광의 송수신에도 최적화되어 있다.
도 1은 종래 방법으로 광섬유와 나노선을 연결한 경우의 광손실을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명에 따라 마이크로피펫을 광섬유의 말단에 동축정렬하는 것을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명에 따라 레이저로 제어하는 나노선의 말단부 형상의 예를 나타내는 모식도이다.
도 4의 (a) 및 (b)는 본 발명에 따라 나노선 말단부의 형상을 제어한 나노선을 나타내는 사진이고, 도 4의 (c)는 도 4의 (a) 및 (b)의 나노선의 광 수신을 비교하는 그래프이다.
도 5는 나노선의 제조 공정을 나타내는 도면이다.
도 6의 (a)는 350 nm의 나노선 직경을 갖는 도파관 프로브의 FE-SEM 이미지(크기막대 5 μm)을 나타내며, 삽입된 그림은 테이퍼드 광섬유와 동축정렬된 나노선의 연결부의 Fe-SEM 이미지(크기막대, 1 μm)를 나타낸다. 도 6의 (b)는 광섬유와 연결된 나노선의 광학현미경사진(OM)을 나타내고, 도 6의 (c)는 광섬유와 연결된 나노선의 광루미니센스(PL) 현미경 사진을 나타낸다.
도 7은 입력 레이저 전력의 함수로서 커플링 효율을 나타낸다.
본 발명에서 사용되는 모든 기술용어는, 달리 정의되지 않는 이상, 하기의 정의를 가지며 본 발명의 관련 분야에서 통상의 당업자가 일반적으로 이해하는 바와 같은 의미에 부합된다. 또한, 본 명세서에는 바람직한 방법이나 시료가 기재되나, 이와 유사하거나 동등한 것들도 본 발명의 범주에 포함된다.
본 발명에서 사용되는 용어 "메니스커스(meniscus)"란, 계면장력에 의해 관 속의 액면이 이루는 곡면을 의미한다. 액체의 성질에 따라 액면이 오목하거나 볼록해진다.
본 발명은 광섬유와 연결된 나노선의 제조방법에 관한 것으로서, 구체적으로는 a) 나노선을 형성할 물질 용액을 마이크로피펫에 채우는 단계; b) 상기 마이크로피펫을 상기 광섬유의 일측 단부에 광섬유의 길이 방향 축과 상기 마이크로피펫의 길이 방향 축이 일직선상에 놓이도록 동축정렬하는 단계; c) 상기 동축정렬된 상태에서 나노선을 형성할 물질 용액의 메니스커스를 형성하는 단계; 및 d) 상기 메니스커스가 형성된 상태의 마이크로피펫을 광섬유와 멀어지는 방향으로 들어올리며 나노선을 형성할 물질 용액의 용매를 증발시켜 나노선을 제조하는 단계를 포함한다. 이하, 각 단계에 대하여 구체적으로 검토한다.
먼저, 나노선을 형성할 물질 용액을 마이크로피펫에 채우는 단계(단계 a)이다.
나노선을 형성할 물질 용액은 메니스커스를 형성할 수 있는 모든 물질을 포함하며, 대부분의 유기물을 포함한다. 구체적으로는, 폴리스틸렌, 폴리메타크릴산메틸, 폴리카보네이트를 사용할 수 있고, CYTOP(amorphous fluoropolymer) 등의 과불화화합물(PFCs; Perfluorinated compounds)도 사용할 수 있다. 또한, 유기 전도성 고분자(π-콘쥬게이티드 폴리머)도 사용할 수 있으며, 이것은 화학적 도핑을 통해 전기적, 광학적 특성을 자유롭게 조절할 수 있는 특성이 있다. 나노선을 형성할 물질 용액의 용매는 증발이 잘 되는 물질을 사용할 수 있으며, 예를 들어 자일렌, 클로로벤젠, 톨루엔 등으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 사용할 수 있다.
마이크로피펫은 피펫 풀러를 이용하여 원하는 직경으로 제조할 수 있고 또는 시중에 제조된 마이크로피펫을 이용할 수도 있다. 마이크로피펫의 직경은 광섬유의 말단부의 직경보다 큰 것이 바람직하고, 예를 들어 0.2 μm 이상일 수 있다. 따라서, 광섬유를 감싸는 형태로 나노선이 제조됨으로써 광손실을 최소화할 수 있다. 즉, 본 발명에 사용가능한 마이크로피펫은 광섬유의 말단부의 직경보다 크면서 메니스커스를 형성할 수만 있다면 마이크로피펫의 종류, 형태 등에 제한없이 사용가능하다.
다음으로, 상기 마이크로피펫을 상기 광섬유의 일측 단부에 광섬유의 길이 방향 축과 상기 마이크로피펫의 길이 방향 축이 일직선상에 놓이도록 동축정렬하는 단계(단계 b)이다.
본 발명에서 사용되는 광섬유는 나노선과 접하는 부분이 테이퍼드(tapered)된 형태, 즉 좁아지는 형태를 갖는 광섬유를 사용하는 것이 바람직하다. 일반적으로 사용되는 코어/클래드를 갖는 광섬유의 직경은 100 μm 이상이므로, 나노선과 효율적으로 접하게 하기 위하여 광섬유의 일측 단부를 테이퍼링시켜서 직경을 0.2 μm 이하, 바람직하게는 0.1 μm 이하로 뾰족하게 하는 것이 바람직하다.
도 2는 마이크로피펫을 광섬유의 테이퍼드된 말단에 광섬유의 길이 방향 축과 상기 마이크로피펫의 길이 방향 축이 일직선상에 놓이도록 동축정렬하는 것을 나타낸다. 상기 테이퍼드된 광섬유의 길이 방향 축과 마이크로피펫의 길이 방향 축을 동축에 정렬하기 위해서는, 두 개의 광학렌즈를 이용하여 각각 x 축과 y 축에 정렬하는 것이 바람직하다. 하나의 광학렌즈만을 이용할 때에는 다른 방향에서 발생하는 오차로 인하여, 동축에 맞추어 정렬하기 어렵고 마이크로피펫을 이용하여 성장시키는 나노선도 동축에 정렬되어 성장하지 못하게 되어 결국 테이퍼드된 광섬유와 나노선과의 광전달 손실이 커지게 된다. 동축정렬을 위해서는 x 축과 y 축의 광학렌즈를 서로 수직하도록 위치시키는 것이 바람직하다. 동축정렬된 마이크로피펫을 이용하여 테이퍼드된 광섬유의 단부에 맞추어 나노선을 동축으로 성장시켜야 광손실을 최소화할 수 있다.
다음으로, 상기 동축정렬된 상태에서 나노선을 형성할 물질 용액의 메니스커스를 형성하는 단계(단계 c)이다. 나노선을 형성할 물질 용액의 메니스커스를 형성하도록 나노선을 형성할 물질 용액이 채워진 마이크로피펫을 광섬유의 일측 단부와 이격시킨다.
다음으로, 상기 메니스커스가 형성된 상태의 마이크로피펫을 광섬유와 멀어지는 방향으로 들어올려 나노선을 형성할 물질 용액의 용매를 증발시켜 나노선을 제조하는 단계(단계 d)이다. 구체적으로 마이크로피펫을 나노선을 형성할 물질 용액의 메니스커스를 유도할 정도로 마이크로피펫과 형성되는 나노선 간의 간격을 유지하면서 광섬유와 멀어지는 방향으로 마이크로피펫을 들어올리는 경우 내부의 액체가 빠르게 증발하면서 용해되어 있는 물질이 응고되어 기둥 형태를 이루게 된다. 마이크로피펫은 광섬유의 길이 방향 축, 즉 광학렌즈들을 이용하여 x축 및 y축과 직각을 이루는 방향(z축)으로 들어올려지는 것이 바람직하다. 여기에서 광학렌즈들은 각각 x축과 y축에 배열된다. 들어올리는 속도(인출 속도)는 나노선을 형성할 물질 용액의 종류 및 농도에 따라 조절될 수 있다.
나아가, 본 발명에 따른 광섬유와 연결된 나노선의 제조방법은 상기 제조된 나노선에 레이저를 조사하여 나노선의 말단부의 형상을 제어하는 단계(단계 e)를 추가로 포함할 수 있다. 이 경우에는 a) 나노선을 형성할 물질 용액을 마이크로피펫에 채우는 단계; b) 상기 마이크로피펫을 상기 광섬유의 일측 단부에 광섬유의 길이 방향 축과 상기 마이크로피펫의 길이 방향 축이 일직선상에 놓이도록 동축정렬하는 단계; c) 상기 동축정렬된 상태에서 나노선을 형성할 물질 용액의 메니스커스를 형성하는 단계; 및 d) 상기 메니스커스가 형성된 상태의 마이크로피펫을 광섬유와 멀어지는 방향으로 들어올리며 나노선을 형성할 물질 용액의 용매를 증발시켜 나노선을 제조하는 단계; 및 e) 상기 제조된 나노선에 레이저를 조사하여 나노선의 말단부의 형상을 제어하는 단계로 광섬유와 연결된 나노선을 제조할 수 있다.
나노선의 말단부의 형상에 따라 광의 반사 및 투과 정도를 결정할 수 있다. 따라서, 광 수신 및 광 검출 등의 재현성 및 신뢰도를 높이기 위해서 이를 제어하는 것이 바람직하다. 특히, 나노선의 말단부의 형상 제어는 외부에서 나노선 말단부를 통해 광을 수신할 때 수신되는 광의 강도와 지향성을 결정하기 때문에 매우 중요하다. 도 3은 본 발명에 따라 레이저로 제어하는 나노선의 말단부 형상의 예를 나타낸다.
또한, 도 4의 (a) 및 (b)는 본 발명에 따라 나노선 말단부의 형상을 제어한 나노선을 나타내고, 도 4의 (c)는 도 4의 (a) 및 (b)의 광 수신을 비교하는 그래프이다. 도 4의 (b)의 나노선은 도 4의 (a)의 나노선에 비하여 절단면에 뾰족하게 제조한 것이 특징이다. 이에 대하여 나노선과 연결되어 있지 않은 광섬유의 다른쪽 끝에서 동일한 광을 도파한 경우의 반사되어 되돌아오는 광의 세기를 측정하여 도 4의 (c)에 나타내었다. 끝을 뾰족하게 만든 도 4의 (b)의 나노선은 도 4의 (a)의 나노선에 비하여 4분의 1 수준의 낮은 광만 반사되어 되돌아오는 것을 알 수 있으며 도 4의 (b) 사진과 같이 나노선의 끝 부분에서 투과되어 나가는 것을 관찰할 수 있다. 즉, 나노선의 말단부의 형상을 제어하여 광의 반사 및 투과를 결정할 수 있다.
도 5는 나노선의 제조 공정을 전체적으로 나타내는 도면이다.
또한, 본 발명은 광섬유; 및 본 발명에 따라 제조된 광섬유와 연결된 나노선을 포함하는 광센서에 관한 것이다.
본 발명에 따른 상기 광센서는 상기 광섬유에서 나노선 방향으로 광을 송신하거나, 상기 나노선에서 광섬유 방향으로 광을 수신할 수 있다. 또는, 광섬유에서 나노선 방향으로 광을 송신한 후 이를 다시 수신하는 형태일 수도 있다.
본 발명에 따라 제조된 상기 광섬유와 연결된 나노선은 광 커플링 효율이 84% 이상일 수 있다. 커플링 효율은 나노선 끝에서의 광학 전력과 나노선을 포함하지 않는 광섬유의 말단에서의 광학 전력 사이의 비율로서 정의된다.
도 6의 (a)는 350 nm의 나노선 직경을 갖는 도파관 프로브의 FE-SEM 이미지(크기막대 5 μm)을 나타내며, 삽입된 그림은 테이퍼드 광섬유와 동축정렬된 나노선의 연결부의 Fe-SEM 이미지(크기막대, 1 μm)를 나타낸다. 도 6의 (b)는 광섬유와 연결된 나노선의 광학현미경사진(OM)을 나타내고, 도 6의 (c)는 광섬유와 연결된 나노선의 광루미니센스(PL) 현미경을 나타낸다. 도 6에서 알 수 있는 바와 같이 나노선과 테이퍼드 광섬유 사이의 슈퍼 스무스 정션으로 인해, 연결부(정션)에서 빛 산란이 거의 일어나지 않고(노란색 점선 원), 연결부에서 높은 커플링 효율성을 나타낸다(크기 막대 20 μm). 이것은 일반적으로 테이퍼드 광 섬유의 말단부에 나노선이 부착되는 경우에 일정량의 산란 현상이 발생하는 것과 비교된다.
도 7은 입력 레이저 전력의 함수로서 커플링 효율을 나타내며, 커플링 효율(다이아몬드 표시)은 본 발명에 따른 나노선 끝(네모 표시)에서의 광학 전력과 나노선을 포함하지 않는 광섬유(끝부분이 테이퍼드된 광섬유)의 끝(점 표시)에서의 광학 전력 사이의 비율로서 정의된다. 본 발명에 따라 제조된 광섬유와 연결된 나노선의 광 커플링은 본 발명에서 테스트된 입력 레이저의 전체 전력에 대해 84% 이상의 커플링 효율을 갖도록(도 7, 다이아몬드 표시) 유의적으로 개선되었다. 여기에서, 커플링 효율은 본 발명에 따른 나노선 끝에서 광 전력(도 7, 네모 표시)과 나노선을 포함하지 않는 광섬유의 끝에서의 광 전력(도 7, 점 표시) 사이의 비율로 정해진다. 높은 커플링 효율은 나노선 끝에서 입력 레이저 광출력을 약 1 nW 내지 3 nW, 바람직하게는 최대 약 1nW까지 유의적으로 감소시킬 수 있고, 이것은 나노선의 광루미니센스(PL)를 검출하는데 충분하다.

Claims (10)

  1. 광섬유와 연결된 나노선의 제조방법으로서,
    a) 나노선을 형성할 물질 용액을 마이크로피펫에 채우는 단계;
    b) 상기 마이크로피펫을 상기 광섬유의 일측 단부에 광섬유의 길이 방향 축과 상기 마이크로피펫의 길이 방향 축이 일직선상에 놓이도록 동축정렬하는 단계;
    c) 상기 동축정렬된 상태에서 나노선을 형성할 물질 용액의 메니스커스를 형성하는 단계; 및
    d) 상기 메니스커스가 형성된 상태의 마이크로피펫을 광섬유와 멀어지는 방향으로 들어올리며 나노선을 형성할 물질 용액의 용매를 증발시켜 나노선을 제조하는 단계를 포함하는, 광섬유와 연결된 나노선의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제조방법은 상기 d) 단계 후에 상기 제조된 나노선에 레이저를 조사하여 나노선의 말단부의 형상을 제어하는 단계를 추가로 포함하는, 광섬유와 연결된 나노선의 제조방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 광섬유는 테이퍼드 형태이고, 광섬유 말단의 직경이 0.2 μm 이하인, 광섬유와 연결된 나노선의 제조방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 광섬유 말단의 직경은 마이크로피펫의 직경보다 작은, 광섬유와 연결된 나노선의 제조방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 마이크로피펫을 상기 광섬유의 일측 단부에 광섬유의 길이 방향 축과 상기 마이크로피펫의 길이 방향 축이 일직선상에 놓이도록 동축정렬하는 단계는 x 축과 y 축에 위치한 광학렌즈를 이용하는 것인, 광섬유와 연결된 나노선의 제조방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 광섬유와 연결된 나노선은 광 커플링 효율이 84% 이상인, 광섬유와 연결된 나노선의 제조방법.
  7. 광섬유; 및
    제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따라 제조된 상기 광섬유와 연결된 나노선을 포함하는 광센서.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 광센서는 상기 광섬유에서 나노선 방향으로 광을 수신하는, 광센서.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 광센서는 상기 나노선에서 광섬유 방향으로 광을 수신하는, 광센서.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 광센서는 상기 광섬유에서 나노선 방향으로 광을 송신하고 반대방향으로 광을 수신하는, 광센서.
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