Enhancement and polarization manipulation of photonic spin hall effect with waveguided-SPR method

Monu Nath Baitha Graduate School, Yonsei University 2023 국내박사

광자 스핀 홀 효과(Photonic spin Hall effect, PSHE)는 plane-polarized wave가 광 표면에서 반사와 굴절 이후 right and left-handed circularly-polarized wave로 분리되는 현상이다. 광자 스핀 홀 효과는 전자의 홀 효과와 매우 유사하며, 다양한 모델과 구조내에서 연구되어 왔지만 아직까지 그 수치가 작고 편광에 의존적이어서 현실적으로 적용하기 어렵다. 플라즈모닉 시스템에서 스핀 홀 효과의 증폭은 가능했으나, 수평 편광이라는 조건에 한정되어 있었다. 광자 스핀 홀 효과를 더 증폭시키고 편광 의존성을 제어하기 위해 새로운 도파로-표면 플라즈몬 공명 (Waveguided surface plasmon resonance, WG-SPR) 방법을 채택하였다. 본 논문에서의 사용한 구조는 금속층 위의 얇은 유리층으로 구성되어 있으며, 수직 및 수평 편광 모두 적용이 가능하다. 입사광의 편광 상태는 광자 스핀 홀 효과에 상당한 영향을 미친다. 본 논문은 도파로-표면 플라즈몬 공명을 이용한 거대 광자 스핀 홀 효과를 이론적으로 분석하였으며, 그 수치를 밀리미터 수준까지 향상시켰다. 이 연구는 플라즈몬 공명 기반 모델을 사용하여 빛의 수직 및 수평 편광 모두에 대해 거대 광자 스핀 홀 효과를 관찰한 첫 번째 연구이다. 또한, 도파관의 층 두께를 조정함으로써 편광을 능동적으로 조작할 수 있으며, 이러한 효과는 광 스핀을 주로 이용하는 수직 및 수평 편광 기반의 양자 광학 장치 및 센서에 적용할 수 있다. 더 나아가, 편광의 전환이 가능한 스핀 광자 홀 효과를 얻기 위해 새로운 방법을 제안하였다. 결과적으로 구조의 물리적인 변화없이 광자 스핀 홀 효과를 관찰 할 수 있다. 이 연구는 광자 스핀 홀 효과를 향상시키는 입사 공명 각도만 변경하여 편광 모드를 능동적으로 제어하는 데 매우 적합하며, 이러한 효과는 스위치, 빔 스플리터, 필터 등의 광 편광 기반 장치에 적용할 수 있다. 또한, 모든 입사각에 대해 편광 독립적인 광자 스핀 홀 효과를 관찰 할 수 있는 연구를 진행하였다. 모든 입사각, 모든 평면 편광 입사파에 대해 수직 편광 광자 스핀 홀 효과와 수평 편광 광자 스핀 홀 효과가 같음을 보였다 (δ_±^H=δ_±^V). 이 연구는 모든 입사각에 대해 광자 스핀 홀 효과의 편광 의존성을 없애기 위해 빛의 스핀-궤도 결합을 조작한 첫 번째 연구이다. 이 연구의 결과는 편광 독립적인 양자 장치 및 센서에 적용할 수 있다. The photonic spin Hall effect (PSHE) explains the separation of right- and left-handed circularly-polarized waves after reflection and refraction of a plane-polarized wave from an optical interface. It is a direct analogy to the electronic Hall effect. To date, PSHE has been explored for many different models and structures, but still, its small value and polarization dependency limits the practical application. In plasmonic systems, the enhanced spin Hall effect (SHE) was previously possible but only for horizontal polarization. To further enhance the PSHE and control the polarization dependency, the novel waveguided surface plasmon resonance (WG-SPR) method has been adopted. The proposed structure comprises a thin glass layer over a metal layer that produces a hybrid mode of transverse magnetic and a regular waveguiding transverse electric mode. The polarization state of the incident light has a substantial impact on the photonic spin Hall effect (PSHE). This thesis reports a theoretical analysis of the giant photonic spin Hall effect (G-PSHE) using WG-SPR. An enhancement of millimeter-scale (more than 2 mm to submillimeter) is achieved. To the best of our knowledge, this is the first study to achieve G-PSHE for both vertical and horizontal polarization modes of light with the SPR-based model. Other findings also indicate the manipulation of active polarization mode by only tuning the wave-guiding layer thickness. This study enables the scope for potential applications of both H- and V-polarized based quantum optical devices and sensors, where light spin plays a pivotal role. Further, a novel method has been proposed to get the polarization-switchable PSHE. Outcomes offer the opportunity of eliminating any physical alteration of the given structure to govern the desired results. This research is highly suited to controlling the active polarization mode of enhanced PSHE by only altering the incident resonance angle. It will be a simple alternative for modern light polarization (spin) based devices such as switches, beam splitters, filters, etc. Furthermore, another study revealed an opportunity to polarization-independent photonic spin Hall effect (PSHE), for all incident angles. This work demonstrates that the horizontal (H) and vertical (V) polarized PSHE will remain the same; (�±ு = �±௏) for any plane-polarized incident wave at any incident angle. This is the first study where the Spin-Orbit coupling of light has been manipulated to vanish the polarization dependency of PSHE for all incident angles. The results of this study pave the way for feasible future applications of new polarization-independent quantum devices and sensors.

광 도파로 표면 플라즈몬 공명을 이용한 식물의 RNA 와 단백질 결합성 분석

박제용 전남대학교 2022 국내박사

식물 생장시 환경에 대한 스트레스 요인 분석에 필수적인 유전자 정보는 일반적으로 형광물질을 이용하여 관련 정보를 분석 하고 있다. 하지만 이러한 분석 방법은 시료 전처리와 분석 과정에 소요되는 시간이 길어 신속한 측정에 어려움이 있다. 최근 이를 보완하기 위하여 표면 플라즈몬 공명(Surface Plasmon Resonance; SPR) 현상을 이용한 다양한 측정 방법들이 개발되고 있다. 대표적으로 광학적 분석 방법 중 하나인 프리즘을 이용한 SPR센서가 그중 하나이다. 하지만 이러한 센서들은 가격이 고가이며 소형화 집적화가 힘든 단점을 가지고 있다. 본 연구에서는 이러한 단점을 해결하고자 PLC(Planar Lightwave Circuit; PLC) 공정을 이용한 광 도파로를 설계하여 LSPR(Localized Surface Plasmon Resonance; LSPR) 센서를 개발하였다. 이를 위해 도파로 설계 및 시뮬레이션을 수행하였으며, 센서 제작시 최적의 공정 조건 확보를 위한 공정 별 실험을 진행하였다. Au 증착 두께를 200nm, 40nm로 달리하여 광 도파로형 LSPR 센서를 제작하였으며, FAB(fiber array block)본딩 및 광커넥터 연결 작업을 통하여 사용 편의성을 향상시켰다. 제작된 광 도파로형 LSPR 센서의 삽입 손실 측정을 통한 광학적 특성을 평가하였고 그 결과 삽입 손실 (Insertion loss ;IL)이 <-2dB로 손실이 작은 센서로 평가되었다. 식물은 생장시 가뭄, 고온, 저온, 고 염분 등 환경 스트레스 대응 반응으로 단백질과 RNA의 상호 작용이 필요하며, 식물에는 약 400여 종의 RNA-결합 단백질 이 존재하는 것으로 알려져 있다. 본 연구에 사용된 단백질은 식물학 연구에서 모델 식물로 사용되고 있는 애기 장대(Arabidopsis thaliana)에 존재하는 RNA-결합 단백질의 하나인 FIO1 로 명명한 단백질로, 특정 RNA에 결합하여 식물 개화 및 스트레스 반응에 관여할 것으로 예상되는 단백질이다. 본 연구에서는 FIO1 단백질과 결합할 것으로 예상되는 RNA인 m6A과 결합하지 않을 것으로 예상되는 RNA인 m5C를 대상으로 제작 되어진 LSPR 센서의 광 반응을 측정하여 각 단백질과 RNA의 구분 및 결합성 여부, m6A : FIO1 혼합 비율에 따른 반응 파장의 변화를 측정 하였다. 각 물질별 SPR 센서의 측정 방법인 빛 의세기(intensity)의 변화를 확인하였으며, m6A와 FIO1의 비율에 따른 파장의 이동을 확인하였다. 그 결과 FIO1의 비율이 높아질수록 물질의 유전율(reflective index)이 높아질수록 파장이 장파장 쪽으로 이동됨(red shift)을 확인하였다. 취득된 데이터를 이용한 1차 회귀분석 결과 m6A과 FIO1(protein) 비율에 따른 Wavelength shift 상관계수 =0.9775로 비교적 높은 정확도를 갖는 센서로 판단되었다. 따라서 본 연구에서 개발된 광 도파로형 LSPR 센서는 매우 작은 크기(30mm*3.5mm)로 소형화가 가능하며, PLC wafer 공정을 통해 저가로 대량 생산이 가능한 장점이 있으며, 향후 소형 바이오 분석 도구서의 활용 가능성이 확인 되었다. Genetic data analysis, which is essential for the analysis of environmental stresses during plant growth, generally uses fluorescent materials to analyze related informations. However, this analysis method has difficulty in rapid measurement because it takes a long time for sample preparation and analysis. Recently, various measurement methods using a surface plasmon resonance (SPR) phenomenon have been developed as compensated methods. A SPR sensor using a prism, which is one of the representative optical analysis methods, is one of them. However, these sensors are expensive and have disadvantages due to the difficulties of miniaturization and integration. In this study, to solve these shortcomings, a LSPR(Localized Surface Plasmon Resonance) sensor was developed using a newly designed optical waveguide by the PLC (Planar Lightwave Circuit) process. The waveguide was designed through the simulation, and experiments were conducted for each process to secure optimal process conditions. An optical waveguide-type LSPR sensor was manufactured with Au deposition thickness of 200 nm and 40 nm, and the sensor was manufactured FAB (Fiber Array Block) bonding and optical connector connection work for the convenience of measurement, The optical properties were evaluated by measuring the insertion loss of the manufactured optical waveguide type LSPR sensor, and the result showed that the loss was less then –2dB. Protein-RNA interaction is required in response to environmental stress such as plant growth, drought, high temperature, low temperature, and high salinity, and it is known that about 400 types of RNA-binding proteins exist in plants. The protein used in this study is a protein named FIO1. The protein is one of the RNA-binding proteins present in Arabidopsis thaliana, which is used as a model plant in botanical research. It is expected as the protein which is involved in plant flowering and stress response by binding to specific RNA. The optical response of the developed LSPR sensor was measured to verify the binding characteristic of a protein to RNAs. Two RNA of m6A and m5C were used with a protein of FIO1. m6A is expected to bind to the FIO1 protein, and m5C is not expected to bind to FIO1. An experiment was also conducted to classify each material and determine the presence or absence of binding. Wave changes according to the m6A:FIO1 ratio were also measured. The change in intensity of light, which is the measurement method of the SPR sensor for each material, was confirmed, and the shift in wavelength according to the ratio of m6A and FIO1 was confirmed. The experimental results showed that the higher the ratio of FIO1, the higher the dielectric constant (reflective index) of the material was, the more the wavelength shifted toward the long wavelength (red shift). As a result of the primary regression analysis, the wavelength shift correlation coefficient according to the ratio of m6A and FIO1 (protein) r2 = 0.9775, which was judged to be a sensor with relatively high accuracy. Therefore, the optical waveguide-type LSPR sensor developed in this study can be miniaturized to a very small size (30mm*3.5mm). It was judged that it could be used as a biosensor that can be mass-produced at low cost through the PLC wafer process.