[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

파장보다 작은 크기(subwavelength)의 구조체가 2차원 배열로 이루어진 광학 메타표면(metasurface)1)은 매우 얇은 두께를 갖는다. 또 국부적으로 빛의 위상, 진폭 그리고 편광을 조절할 수 있어서, 기존 광학기기의 한계를 넘어 빛의 파면을 조작하는 완전히 새로운 방법을 제시하였다. 더 나아가 전기적 능동 메타표면에 대한 연구는 빛의 동적 조작을 가능하게 해주어 넓은 영역에서 응용 연구가 진행되었다.

이러한 메타표면은 비선형 광학 현상 연구에도 사용되어 기존의 두꺼운 비선형 광학 매질이 갖는 큰 제약 중 하나인 위상2) 정합(phase matching) 조건을 완화시키고 비선형 광학 반응의 위상과 진폭을 조작할 수 있게 되었다. 비선형 메타표면은 비선형 광학 연구의 새로운 수단으로 비선형 홀로그램(nonlinear holography), 광학 암호화(optical encryptions), 비선형 주파수 혼합(nonlinear frequency mixing) 광원, 양자정보통신을 위한 양자광원과 같은 혁신적인 응용의 가능성을 보였다. 하지만 여전히 비선형 광학 연구는 낮은 비선형성과 수동 소자에 맞춰져 있어 더 넓은 범위의 응용에 많은 한계를 가지고 있다.

2. 연구내용  

연구팀은 전극과 연결된 플라즈모닉3) 나노 공진기(plasmonic nano resonators) 구조와 다중양자우물(multiple quantum well, MQW)4)구조를 결합해 비선형 고조파5)를 전기적으로 조절할 수 있는 고효율 비선형 메타표면을 개발하였다.

작동원리는 다음과 같다. 정교하게 설계된 플라즈모닉 나노 공진기는 입사된 중적외선 특정 파장의 빛을 다중양자우물 구조로 전달한다. 거대한 비선형성을 갖는 이 다중양자우물 구조는 고출력 제 2 고조파를 만들며, 이는 다시 플라즈모닉 나노 공진기를 통해 방출된다. 다중양자우물 구조의 부밴드 전이(intersubband transition) 에너지, 쌍극자 운동량(dipole moment) 등은 전기장을 통해 바꿀 수 있어, 결과적으로 비선형 광학 반응의 진폭과 세기를 능동적으로 조작할 수 있는 구조로 설계됐다. 본 연구진이 설계한 세 개의 다중양자우물 결합구조는 전기장에 따라 광학 비선형성이 민감하게 변조된다.

연구팀이 개발한 메타표면은 현재까지 개발된 메타표면 중 제2고조파 발생에 대해 가장 높은 비선형 광변환 효율을 보였다. 이번 연구로 전기장을 이용해 비선형 광학 반응의 세기 조절했을 뿐만 아니라 국부적으로 위상이 조절된 비선형 광학 반응을 일으켜 발생된 고조파의 빔 조향 각도를 조절할 수 있음을 실험을 통해 최초로 입증했다.

3. 기대효과  

이 연구에서 개발한 전기적 능동 비선형 메타표면은 비선형 광학의 효용성을 극적으로 넓힐 수 있으며, 전기적으로 조절 가능한 비선형 광원, 동적 비선형 홀로그램, 비선형 정보처리, 양자 광원 같은 혁신적인 응용에 새로운 길을 제시할 것으로 기대된다.

[붙임] 용어설명

1. 메타표면(metasurface)

이차원의 파장보다 작은 메타원자들의 배열로 이루어진 구조체로써, 파장보다 작은 영역에서 산란되는 빛의 진폭, 위상 그리고 편광 등을 조절할 수 있는 특징을 가지고 있다. 물질을 이루는 구조의 배열과 패턴 등이 중요하게 작용해 기존에 나타나지 않던 물리적 특성을 만든다. 

2. 위상(phase)

반복되는 함수 파형에서 1주기 중 어느 위치에 있는지를 나타내는 양이다. 한 주기를 각도 360° 혹은 2π 로 나타내며 0을 시작으로한 사이 값으로 한 순간의 위치를 나타낸다.

3. 플라즈모닉(plasmonic)

금속 내의 자유전자가 집단적으로 진동하는 유사 입자를 말한다. 금속의 나노 입자에서는 플라스몬이 표면에 국부적으로 존재하기 때문에 국부적인 표면 플라스몬(localized surface plasmon)이라 부르기도 한다. 이러한 표면 플라스몬의 설계, 제어, 응용기술을 플라스모닉라고 한다.

4. 다중양자우물 (Multiple quantum well, MQW)

양자우물은 에너지 전위가 다른 두 가지 이상의 물질의 적층되어 불연속한 양자화 되어있는 에너지 값을 가지는 전위 우물이다. 이러한 양자우물을 여러 개 조합한 구조를 다중양자우물이라고 한다. 

5. 2차 고조파 생성(Second harmonic generation)

2차 고조파 생성은 동일한 주파수를 가진 두 개의 광자가 비선형 물질과 상호 작용하고 "결합"되어 초기 광자의 두 배 주파수를 갖는 새로운 광자를 생성하는 비선형 광학현상 중 한 종류다.

[붙임] 그림설명

그림1. 개발한 비선형 광학 메타표면과 핵심 구조인 다중양자우울 구조의 작동 원리 (a) 전기적 조절이 가능한 비선형 광학 메타표면 개념도. (b) 단위 메타표면의 구성. 단위 메타표면에 (c)4V, (d)-4V 전압을 가하였을 때 다중양자우물 구조 내 전자의 양자화된 에너지.

그림2. 전압으로 비선형 광학현상의 세기와 위상을 조절할 수 있는 메타표면 (a~c) 전압에 따라 비선형 광학의 세기를 조절한 메타표면 광소자. (d~f) 전압에 따라 비선형 광학 위상을 조절하여 빔을 조향한 메타표면 광소자. (a, d) 메타표면에 인가된 전압 분포 도식. 빨간색 화살표는 입사 광선이며 파란색 화살표는 비선형 광학 반응으로 생성된 고조파 광선이다. (b, e) 제작한 비선형 메타표면 주사 전자현미경 이미지. (c) 전압(빨간색)으로 비선형 광학의 세기(파란색)를 조절할 수 있다. (f) 메타표면 위치에 따라 전압 분포를 다르게 하여 위상의 기울기를 주어 생성된 고조파 광선의 반사 각도를 조절 할 수 있다.