편광 의존 나노구조체를 이용한 고속 고정밀 광 빗 플라즈모닉 위상 분광 시스템

Abstract

나노 구조체 표면에서 발생하는 표면 플라즈몬 공명은 투과되는 광의 스펙트럼과 위상에 비선형적 변화를 발생시키며 이는 나노 구조체 배열의 구조적 변화에 매우 민감하여 이를 이용한 고민감도 플라즈모닉 자 연구가 활발히 제시되고 있다. 이러한 플라즈모닉 자의 분해능은 최근 안정화된 광 빗을 이용하여 위상 변화를 측정함으로써 피코미터 수준까지 향상된바 있다. 하지만 기존 마하 젠더 기반의 플라즈모닉 위상 분광 간섭계는 빠른 시간 평균의 외란에 민감하여 고속 센서 응용기술에 한계를 가진다. 이에 본 연구에서는 플라즈모닉 위상 분광의 빠른 시간 평균 안정도의 개선을 위해 편광 의존 나노 구조체를 이용한 편광 플라즈모닉 위상 분광 시스템을 제안한다. 나노 구조체의 위상 변화를 측정하기 위하여 광 빗으로부터 추출된 두 개의 연속파 레이저를 이용하였다. 두 레이저는 광섬유로 구성된 헤테로다인 간섭계를 지나 X 편광과 Y 편광으로 나누어져 나노 구조체를 투과하여 플라즈모닉 위상 변화를 겪는다. 이후 두 레이저는 WDM에서 분할 되어 각각 40 MHz 신호를 생성하며 두 신호의 상대 위상을 위상 측정기로 측정하여 플라즈모닉 위상 변화를 측정할 수 있다. 시스템의 안정도를 측정한 결과, 위상 측정의 알란 분산 값은 10 ms 시간 평균에서 0.0144o이었으며 이는 기존 마하 젠더기반 간섭계에 비하여 1,000 배 빠른 시간 평균에서 100 배 향상된 값이다. 이를 유연 플라즈모닉 나노 구조체의 변형 측정에 적용할 경우 빠른 변화에 대한 고분해능 길이 변화 측정기술에 활용될 수 있을 것으로 예상한다.