섬유 형태의 실린더 모양의 나노포토닉 디바이스는 현재 첨단 평면형 나노포토닉 디바이스가 가지고 있는 몇 개의 한계점을 극복할 수 있는 새로운 종류의 통합 요소를 나타낸다. 평면형 디바이스가 가지고 있는 고유한 한계들은 상당한 삽입 손실 및 작은 형상비(aspect ratio)를 포함한다. 실린더 디바이스 구조는 광섬유 회로에 직접적으로 통합될 수 있다. 

독일 라이프니츠 포토닉 기술 연구소의 연구진은 다공성 실리카 광결정 섬유(PC) 및 모세관의 압력 기반 용융 채움(PAMF)이라는 기술에 기반한 새로운 기능성 섬유를 개발하여 이런 한계를 극복하였다. 이 기술은 광결정섬유(photonic crystal fibers, PCF)에게 새로운 기능을 제공하며 이전에는 접근성이 없었던 플라즈몬과 같은 분야의 광섬유 응용을 가능하게 할 수 있을 것이다. 

연구진의 제작 방법은 용해된 물질을 매우 높은 외부 압력 하에서 실리카 매트릭스 안으로 압착하는 것이다. PAMF에서 필요한 단 하나의 선행 과정은 물질의 녹는 온도가 실리카의 소프닝 온도(섭씨 1400도)보다 더 낮아야만 한다는 것이다. 이 기술은 따라서 본질적을 다른 방법에 비해서 실리카와 다양한 물질의 결합을 가능하게 해준다. 구멍 직경이 10 마이크로미터 이하일 때 열팽창 계수의 불일치는 다른 방법에서는 큰 문제점이지만, 이 방법에서는 관련이 없다. 

금속 침윤에 더하여, 이 공정은 반도체와 비정질 물질을 채우기 위해 채택되었다. 예를 들어, 매우 비선형적인 찰고게나이데-실리카(chalcogenide-silica) 웨이브가이드는 3황화비소 유리를 빈공간 직경이 1 마이크로미터 이하인 실리카 모세관 안에 채움으로써 제작된다. 초단파 광펄스에 노출되면, 중적외선 영역 안의 응집된 슈퍼연속이 4 마이크로미터까지 확장되어 만들어진다. 이 기술은 또한 약 60.5배까지 파장이하 웨이브가이드의 결합을 향상시킬 수 있는 포토닉 나노스파이크라고 불리는 절연형 역 테이퍼 구조의 제작을 가능하게 해준다. 

연구진의 제작 방법은 금과 광섬유로 제작된 프라즈몬 나노와이어의 결합을 가능하게 해주어, 광섬유 형태의 새로운 종류의 플라즈몬 디바이스를 가능하게 할 것이다. 금은 필링 중에 실리카와 상호작용하지 않는다. 금 나노와이어를 포함하고 있는 PCF는 나노포토닉 광섬유의 중요한 종류를 나타낸다. 금속의 전자 앙상블의 집단적인 반응은 국재적인 플라즈몬 공명을 발생시키거나 전파하는 플라즈몬 모드를 만들어낸다. 금속 나노와이어에서 플라즈몬 여기는 와이어 원주 주위를 나선형으로 회전하는 평면 플라즈몬의 전파로서 기술될 수 있다. 

pPCF의 100개 이상의 금속성 나노와이어 어레이를 조사함으로써, 이들 연구진은 플라즈몬 모드 혼성을 관측할 수 있었다. 이런 혼성은 슈퍼플라즈몬 모드 형성으로서 볼 수 있다. 새로운 팁 조정 기술을 이용하여, 이들 연구진은 국재적인 전기장 벡터의 방향을 측정할 수 있었다. 이것은 횡파 근접장 패턴 측정의 첫 예이다. 금의 연성 특성 때문에, 광섬유를 통합된 나노와이어로 쪼개는 것은 쪼개진 곳에서 작은 금 팁의 형성을 가져온다. 이것은 팁에서 10나노미터까지 작아질 수 있으며 작은 플라즈몬 공명기로 정의된다. 

연구진은 그와 같은 팁을 다중 모드 섬유의 끝에 통합하였다. 그 목적은 광섬유 통합된 근접장 탐침의 실현이다. 이런 탐침에서, 입사되는 빛은 플라즈몬 공진기 안에서 특정한 공명을 여기시킨다. 이런 공명에서 나온 빛은 금 나노와이어를 지지하는 주위의 테이퍼된 실리카로 산란된다. 이 빛은 그다음 다중 모드 광섬유에 결합되고 장비를 분석하도록 가이드된다. 연구진은 그들의 탐침을 이용하여 프리즘 표면 근처의 정상파의 에바네센트(evanescent) 근접장을 성공적으로 측정할 수 있었다. 

이들 연구진의 PAMF를 이용한 제작 방법은 복잡한 물질의 광섬유 안에 통합할 수 있는 새로운 방법을 나타낸다. 이들 연구진은 새로운 금속성 나노와이어를 광섬유 안에 집어 넣고 처음으로 나선형으로 회전하는 평면 플라즈몬의 여기와 백 개 이상의 플라즈몬으로 이루어진 플라즈몬 슈퍼모드의 여기를 보여주었다. 게다가, 이들 연구진은 새로운 종류의 기능성 다중 모드 섬유의 끝에 위치한 나노스케일 플라즈몬 공진기에 기반한 근접장 탐침을 이식하였다. 이들 연구진은 이제 나노팁과 웨이브가이드를 단일 섬유에 통합시키는 것을 목적으로 하고 있다. 궁극적인 목적은 빛을 여기시키고 모을 수 있는 근접장 탐침을 완전히 통합하는 것이다.  

출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』