광메카트로닉스공학과 김승철 교수 연구팀이 유연한 고분자 소재를 활용해 작은 손톱만 한 칩 크기의 장치로 뛰어난 분해능의 주파수 빗(Frequency comb)을 구현하는 새로운 분광 기술(Spectroscopy)을 개발했다.

주파수 빗은 서로 일정한 간격을 둔 다양한 색의 빛을 생성하는 기술이다. 생성된 빛의 주파수들이 빗살처럼 일정한 간격으로 배열돼 ‘주파수 빗’이라는 이름이 붙었다. 주파수 빗은 마치 빛으로 만든 정밀한 눈금자처럼 작동하며 물질의 성분이나 구조를 정밀하게 분석할 수 있다. 이를 활용한 분광 기술은 빛의 주파수 정보를 바탕으로 분자나 원자의 특성을 파악하는 분석 방법으로 다양한 과학·산업 분야에 쓰이고 있다.

연구팀은 유연한 실리콘 고분자인 PDMS(polydimethylsiloxane)를 기반으로 한 칩 스케일 음향-광 위상 변조(acousto-optic phase modulation) 기술을 통해 0.5 MHz 간격의 고분해능 인터리브 주파수 빗(interleaved frequency comb)을 구현하고, 이를 플라즈모닉 나노소자와 결합해 차세대 고정밀 직접 주파수 빗 분광(direct frequency comb spectroscopy) 플랫폼의 가능성을 입증했다.

고분해능 분광은 원자 및 분자의 양자역학적 상태를 파악하는 핵심 기술로, 정밀 계측, 화학 반응 분석, 양자광학 등 다양한 분야에 활용된다. 기존 회절격자 기반의 분광기는 크기와 복잡성, 그리고 수 MHz 이하의 분해능 구현에 한계가 있어, 최근에는 주파수 빗 기반의 직접 분광 기술이 대안으로 주목받고 있으나, 주파수 빗의 모드 간 간격이 수십 MHz~GHz로 분해능 향상이 제한적이었다.

연구팀은 이러한 기술적 제약을 해결하기 위해 기존 고체 기반(SiO₂, TeO₂ 등) 위상 변조기를 대신해 연성 소재인 PDMS를 음향-광 위상 변조 매질로 처음 도입했다. PDMS는 낮은 탄성계수와 높은 탄성-광 계수(elasto-optic coefficient), 넓은 광 투과 범위(가시광~중적외선)를 갖추고 있어 고효율 위상 변조에 최적화된 소재다.

연구팀은 0.2~2.0 MHz의 변조 주파수 범위에서 기존 대비 4배 이상 향상된 위상 변조 지수를 확보하고, Fabry-Pérot 간섭계를 활용해 0.5 MHz 간격의 인터리브 주파수 빗의 성능을 증명했다. 이는 기존 주파수 빗 분광법 대비 약 200배 이상의 분해능 향상을 이룬 것이다.

【플라즈모닉 나노소자가 결합된 칩 스케일 PDMS 음향-광 위상 변조기와 고분해능 직접 주파수 빗 분광 과정】 

위상 변조 지수가 향상되었다는 것은, 빛의 위상 변화 폭이 커져 보다 넓은 대역에 걸쳐 많은 수의 인터리브 주파수 모드를 생성할 수 있음을 의미한다. 그 결과, 위상 변조 기반으로 생성되는 인터리브 주파수 모드들이 더 많고 균일하게 형성될 수 있게 되었다. 기존에는 모드 간격이 수십~수백 MHz로 커서 좁은 주파수 차이를 구분하지 못했지만, 이번 연구처럼 그 간격을 0.5 MHz 수준까지 줄이면, 아주 미세한 분광 스펙트럼 차이까지 구분 가능해지고 결과적으로 더 높은 분해능을 달성하게 된다. 분해능이 높아지면, 아주 미세한 차이도 구분할 수 있어 더 정밀한 분석·측정·감지가 가능해지고, 소형화된 고성능 장비로 발전할 수 있다.

또한, 압축 변형 상태(~8%)에서도 성능이 유지되는 PDMS의 기계적 유연성을 활용해 변형 환경에서도 안정적인 위상 변조 성능을 확인했다. 해당 플랫폼은 플라즈모닉 나노소자와의 결합을 통해 실시간 정밀 스펙트럼 분석, 플라즈모닉 분광, 고정밀 캐비티 감지 등 다양한 분야로의 응용 가능성을 보였다.

【플라즈모닉 나노소자와 결합된 PDMS를 이용한 다중음향-광 위상 변조 기반 sub-MHz 인터리브 주파수 빗 생성 및 패브리-페럿 공진기 길이 변화 모니터링 메커니즘】 

PDMS 기반 음향-광 위상 변조 기술은 칩 스케일로 소형화가 가능하고, 단순한 주조 공정을 통해 저비용으로 제작할 수 있어 차세대 유연 광학 소자 및 휴대형 분광기 기술로의 확장이 기대된다. 

이번 성과는 기존 고정형·고가 광학 시스템을 대체할 수 있는 새로운 패러다임을 제시함과 동시에, 향후 양자 분광, 실시간 고정밀 센서, 의료용 광진단 기기, 정밀 통신소자 등 다양한 분야에 응용될 수 있는 소형 다기능 분광 모듈 기술의 핵심 기반이 될 것으로 기대된다.

김승철 교수는 “PDMS라는 저비용·유연·고투과성 소재로 기존 고체 기반 위상 변조기보다 훨씬 우수한 성능을 구현할 수 있었다”며 “이번 연구는 주파수 빗 기반의 고분해능 분광 기술에 연성 소재를 처음 적용한 사례로, 기존보다 훨씬 작은 칩 스케일에서 sub-MHz 수준의 정밀한 스펙트럼 분석이 가능하다는 점에서 의미가 크다”고 설명했다.

이번 연구는 광메카트로닉스공학과 김승철 교수가 교신저자, 인지메카트로닉스공학과 김산 박사과정생이 제1저자로 수행해, 국제 학술지 『PhotoniX』 4월 14일자에 게재됐다.

- 논문 제목: Interleaved frequency comb by chip-scale acousto-optic phase modulation at polydimethylsiloxane for higher-resolution direct plasmonic comb spectroscopy (PDMS 기반 칩 수준의 음향-광 위상 변조를 이용한 인터리브 주파수 빗 생성 및 고분해능 직접 플라즈모닉 빗 분광법)

- 논문 링크: https://doi.org/10.1186/s43074-025-00170-x

* 상단 연구진 사진: 왼쪽부터 김승철 교수, 김산 박사과정생.

[Abstract]

High-resolution spectroscopy unveils the fundamental physics of quantum states, molecular dynamics, and energy transfers. Ideally, a higher spectral resolution over a broader bandwidth is the prerequisite, but traditional spectroscopic techniques can only partially fulfill this requirement even with a bulky system. Here we report that a multi-frequency acousto-optic phase modulation at a chip-scale of soft polydimethylsiloxane can readily support a 200-times higher 0.5-MHz spectral resolution for the frequency-comb-based spectroscopy, while co-located plasmonic nanostructures mediate the strong light-matter interaction. These results suggest the potential of polydimethylsiloxane acousto-optic phase modulation for cost-effective, compact, multifunctional chip-scale tools in diverse applications such as quantum spectroscopy, high-finesse cavity analysis, and surface plasmonic spectroscopy.

- Authors (Pusan National University): San Kim (Department of Cogno-Mechatronic Engineering), Seungchul Kim (Department of Optics & Mechatronics Engineering) 

- Title of original paper: Interleaved frequency comb by chip-scale acousto-optic phase modulation at polydimethylsiloxane for higher-resolution direct plasmonic comb spectroscopy

- Journal: PhotoniX

- Web link: https://doi.org/10.1186/s43074-025-00170-x 

- Contact e-mail: s.kim@pusan.ac.kr