빛의 파장과 세기, 즉 밝기를 서로 간섭 없이 조절할 수 있는 모래알 크기의 칩이 개발됐다. 실시간으로 파장과 세기를 제어해야 하는 양자 얽힘 광원이나 소형화가 요구되는 광신호 처리 장치 구현에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
UNIST 전기전자공학과 이종원 교수 연구팀은 빛의 세기와 파장을 각각 독립적으로 제어할 수 있는 새로운 메타표면 소자를 세계 최초로 개발했다고 16일 밝혔다.
메타표면은 빛의 파장보다 훨씬 작은 나노 구조물을 표면에 배열해 빛의 광학적 성질을 인위적으로 조절하는 소자다. 부피가 큰 기존 광변조 매질을 대체할 수 있어 기기 경량화에 유리하며, 기존 기술로는 구현하기 어려웠던 광학 현상을 가능하게 한다.
연구팀이 개발한 메타표면은 제2고조파 생성 현상을 제어한다. 제2고조파 생성은 입력된 빛의 에너지를 두 배로 증폭해 파장이 절반인 새로운 빛으로 변환해 출력하는 기술이다. 예를 들어 적외선 영역의 빛을 입력하면 파장이 다른 빛으로 변환되며, 이는 미량 생체 분자 감지 센서나 양자 통신 기술 등에 활용될 수 있다.
그동안 제2고조파 생성 기술은 빛의 파장과 세기가 서로 복잡하게 얽혀 있다는 한계가 있었다. 변환 효율을 높여 세기를 키우면 파장 제어 범위가 좁아지고, 파장 제어 범위를 넓히면 효율이 급격히 떨어지는 상충 관계가 존재했다.
연구팀은 메타표면 내부에서 빛이 처리되는 과정을 입구와 출구로 분리하는 소자 설계 전략을 적용해 이 문제를 해결했다. 빛이 칩 내부로 들어와 에너지가 모이는 생성 과정과 변환된 빛이 외부로 나오는 방출 과정을 서로 다른 제어 방식이 담당하도록 역할을 분담했다. 연구팀은 이를 로컬-투-논로컬 방식이라고 명명했다.
이 구조를 적용한 메타표면 칩은 두 가지 독립적인 제어 방식을 갖는다. 칩에 인가되는 전압을 조절하면 파장은 유지된 채 빛의 세기만 변하며, 반대로 빛의 입사각을 조절하면 세기는 그대로 두고 파장만 변화시킬 수 있다.
실험 결과, 빛의 입사각을 조절할 경우 출력되는 빛의 파장이 연속적으로 변화했고, 특정 파장을 고정한 상태에서 전기 신호만 변화시키면 파장은 유지되면서 세기만 달라지는 것이 확인됐다.
이종원 교수는 “기존 연구들이 빛을 가두는 로컬 모드나 흐르게 하는 논로컬 모드 중 한 가지 방식에 의존했다면, 이번 기술은 두 방식을 결합해 효율과 조절 능력 간의 상충 관계를 해결했다”고 설명했다. 이어 “양자 정보를 실시간으로 제어하거나 얽힘 광자의 파장 스펙트럼을 조절하는 등 차세대 능동형 양자 광원 기술 구현에 기여할 수 있을 것”이라고 밝혔다.
이번 연구는 국제 학술지 어드밴스드 사이언스에 11월 29일자로 게재됐으며, 정보통신기획평가원과 한국연구재단의 지원을 받아 수행됐다.
헬로티 이창현 기자 |
