^*빛을 포함하는 전파의 특성을 조절할 수 있도록 설계된 물질이다. 표면에 올려진 2차원 구조체의 모양과 배열 형태에 따라 조절할 수 있는 빛의 특성이 달라진다.

[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

새로운 전파자원으로 기대되는 궤도각운동량(Orbital angular momentum OAM)1)은 이론적으로 무한하게 만들 수 있으며 서로 직교모드(간섭하지 않는 성질)를 이용하여, 기존에 존재하는 다양한 통신 모델에 적용되었다. 하지만 OAM 모드가 증가할수록 빔 크기가 커지며 이로 인해 빔의 발산각이 증가하여 OAM을 이용한 통신에 제약이 따르게 된다.

OAM 모드를 발생하는 방법으로 나선형 위상판(Spiral phase plate SPP)과 등각원형배열(Uniform circular array UCA)를 이용한 방법이 제시되어있지만, SPP에 경우 두꺼운 두께를 가지고 있어 통신 시스템 크기가 커지고, UCA에 경우 빔조향같은 추가적인 기능을 통합하기 어려운 단점이 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 파장보다 작은 크기의 안테나 모양을 조절함으로써 빛의 위상, 진폭 그리고 편광을 조절하는 메타표면2) 연구가 진행되었다.

2. 연구내용 

본 연구팀이 개발한 메타표면은 빔 조향, OAM 모드의 발산각을 줄이기 위한 메타렌즈 그리고 2개의 OAM 모드가 결합된 얇은 두께를 가지고 있으며, OAM 모드 다중화 및 역다중화에 활용할 수 있다.

메타표면의 설계 방법 및 작동 원리는 다음과 같다. 전달행렬법(Transfer matrix method TMM)3)을 이용하여 투과율이 높고 360도의 위상을 커버할 수 있도록 45도의 균일한 위상 차이를 가지는 메타 단위 구조 8개를 설계하였다. 8개의 메타 단위구조를 이용하여 ±18도의 각도로 굴절되는 빔 조향, OAM –1, -2모드 그리고 발산각을 줄이는 메타렌즈를 결합하여 OAM 모드 다중화 메타표면을 설계하였다.

±18도의 입사각을 가지는 가우시안 빔이 투과하였을 때, 메타표면의 수직방향으로 OAM –1, -2모드 빔이 발생한다. 이 빔이 굴절되면서 역다중화 메타표면(다중화 메타표면을 180도 회전시킨)을 통과하면, 각 OAM 빔은 +18도의 각도에는 가우시안 빔과 OAM –1모드빔, -18도의 각도에는 OAM +1모드 빔과 가우시안 빔으로 분리된다. 수신기를 각 빔의 중심에 높고, 이 가우시안 빔의 세기를 측정하면 OAM 빔의 넓을 영역을 스캔하지 않고도 모드를 판별할 수 있다. 예를 들어 2개의 탐지기가 OAM 빔 중심에 있다면, 1번 탐지기에서 가우시안 신호가 감지되면 전파가 1번 꼬인 모드일 것이고, 2번 탐지기의 신호가 감지되면 전파가 2번꼬인 모드, 1, 2번 두 탐지기의 신호가 감지되면 전파가 1, 2번 꼬인 OAM 모드가 모두 수신됐음을 알 수 있다.

이번 연구에서는 수신측에서 OAM 빔 중심에 큰 신호차이를 통해 OAM 모드를 활용한 다중화 및 역다중화에 대한 이론적 예측뿐만 아니라 실험적인 검증까지 완결했다. 

3. 기대효과

본 연구를 통해 메타표면을 이용하여 6G 다중 OAM 모드 통신 시스템 구축이 가능해졌으며, 한정된 주파수 자원에서 메타표면에 OAM 전파모드 수를 증가시킴으로써 채널 용량을 늘릴 수 있을 것으로 기대된다.

[붙임] 용어설명

1. 궤도각운동량 (orbital angular momentum) 전자기파

전자기파가 가질 수 있는 위상학적인 궤도 꼬임 상태로, 전자가 원자핵 주변을 마치 공전하면서 궤도각운동량을 갖게 되는 것처럼, 전자기파도 양자화된 궤도각운동량이라는 물리량을 가질 수 있다.

2.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.

3.전달행렬법(Transfer matrix method)

광학에서 매질을 통해 반사 및 투과되는 전자기파의 전파를 분석하는 방법이다. 투과 메타 단위구조를 설계할 때 반사율은 낮고 투과율을 높이는 방법으로 사용되었다.

[붙임]  그림설명

그림 1. E-band 메타표면 기반 OAM 통신 시스템 개념도

축외로 입사하는 두 개의 가우시안 빔이 메타표면에 의해 직교하는 다중 OAM 빔으로 변환되고, 이 빔은 다시 기존 메타표면을 180돌린 메타표면을 통과해 두 개의 축외 방향으로 역 다중화된다. 이 때 OAM 빔 중심에서 발생하는 신호차를 읽어내 OAM 모드를 판별할 수 있다.

그림 2. OAM 다중화 및 역다중화의 시뮬레이션과 실험 검증 결과

(1-3) 각 실험에 대한 설정 개념도. (a,c) (1)과 같이 -18° 각도로 입사된 가우시안 빔이 각도 0°에서 OAM 모드 l=-1로 굴절된 (a) 시뮬레이션 및 (c) 측정 결과이다. (b,d) (1)과 같이 +18° 각도로 입사되는 가우스 빔은 OAM 모드 l=-2로 굴절된 (b) 시뮬레이션 및 (d) 측정 결과이다. (e-h) (2)와 같이 (a,c)에서 생성된 OAM 모드 l=-1은 +18° 각도의 가우시안 빔으로 굴절된 (e) 시뮬레이션 및 (g) 측정 결과이며, -18° 각도의 굴절된 OAM 모드 l=+1 (f) 시뮬레이션 및 (h) 측정 결과이다. (i-l) (3)과 같이 (b,d)에서 생성된 OAM 모드 l=-2는 +18° 각도로 OAM 모드 l=-1로 굴절된 (i) 시뮬레이션 및 (k) 측정 결과이며, -18° 각도의 굴절된 가우시안 빔은 (j) 시뮬레이션 및 (l) 측정 결과이다.