UNIST(이용훈) 전기전자공학과 이종원 교수팀이 전기로 조절 가능한 ‘비선형 광학 메타표면’을 세계 최초로 개발했다. 이번 연구는 광학 분야 최고 권위 학술지인 네이처 포토닉스(Nature Photonics) 에 12월 23일 공개됐으며 표지 논문으로 선정돼 출판됐다.
비선형 광학(nonlinear optics)은 빛과 물질 간의 강한 상호작용을 통해 빛의 주파수(파장)를 바꾸는 등의 광변조 기술이다. 일상에도 흔히 쓰인다. 녹색 레이저 포인터가 대표적이다. 상대적으로 만들기 쉬운 적외선을 두꺼운 비선형 매질에 통과 시켜 파장을 변조하는 방식으로 녹색 레이저를 만드는 원리다.
비선형 광학 메타표면은 이 매질의 부피를 머리카락 두께로 줄일 수 있는 인공물질이다. 이 때문에 기기를 소형화 할 수 있다. 또 복잡한 광학 정렬을 고려할 필요 없이 빛이 메타표면과 만나기만 하면 돼 종이처럼 얇고 가벼운 카메라, 레이저 기기, 양자광원도 꿈이 아니다. 문제는 기존 비선형 메타표면 기술은 전기적으로 조절 불가능한 수동방식이 대부분이라는 점이다.
그림1. 개발한 비선형 광학 메타표면과 핵심 구조인 다중양자우울 구조의 작동 원리
이 교수팀은 전압으로 조절하는 비선형 메타표면을 최초로 선보였다. 이 메타표면은 빛의 파장뿐만 아니라 세기와 위상을 독립적으로 조절할 수 있다. 빛 파장 변환을 이용한 광 변조 암호 기술, 빛 세기뿐만 아니라 위상까지 실시간으로 조절 해야하는 움직이는 홀로그램 기술, 차세대 테라헤르츠파 통신 광원과 양자정보통신 광원 등에도 응용할 수 있다.
이종원 교수는 “메타표면이 생성하는 비선형 고조파 (파장이 절반으로 줄거나 진동수가 2배가 된 변조파)의 세기와 위상을 전기로 조절한 최초의 사례이며, 이번 연구로 비선형 평면 광학 소자 기술의 새 지평을 열었다”라고 평가했다.
또 이번에 개발된 기술은 효율이 높다는 장점이 있다. 역대 최고 기록이다. 기존에 이 교수팀이 보유하고 있었던 세계 최고 기록을 다시 3배 이상 향상시켜 0.24%의 광 변환 효율을 달성했다. 연구진이 독창적으로 디자인한 다중양자우물 구조(multiple quantum well, MQW) 덕분에 메타표면의 얇은 두께에도 불구하고 광 변환 효율이 높았다.
그림2. 전압으로 비선형 광학현상의 세기와 위상을 조절할 수 있는 메타표면
한편, 개발한 메타표면은 다중양자우물구조 반도체층 위에 V 모양 금속플라즈모닉 공진 구조가 올려진 단위구조체로 이뤄져 있다. 이 단위구조체 여러 개가 기판위에 배열된 형태다. 구조체의 크기는 빛 파장보다 작다.
유재연 UNIST 전기전자공학과 연구원은 “개발한 메타표면의 특성은 반도체층과 플라즈모닉 공진구조에 의해 결정되기 때문에 다중양자우물 구조나 플라즈모닉 구조를 각각 변화시키는 방식으로 향후 다양한 기능성 비선형 광소자를 개발할 수 있다”라고 설명했다.
이종원 교수는 “이번에 개발된 메타표면 기반 광소자는 전기적으로 조절 가능한 비선형 광원, 동적 비선형 홀로그램, 비선형 광 정보처리 소자, 신개념 양자 포토닉스 소자 등에 활용될 수 있을 것”이라고 기대했다.
연구 지원은 한국연구재단 중견연구자지원 사업, 나노∙소재 기술개발 사업, 기초연구실 사업을 통해 이뤄졌다.
