[붙임] 연구결과 개요

1.연구배경

빛을 자유자재로 조절하는 기술은 초고속 통신, 고정밀 센서, 양자정보 처리 등 미래 산업의 핵심 기술로 주목받고 있다. 특히, 빛의 주파수를 바꾸는 비선형 광학 현상, 그중에서도 제2차 고조파 생성(SHG)은 새로운 파장의 빛을 만들어내는 데 활용되며, 비선형 광원이나 양자 얽힘 광원 구현에 필수적인 요소다.

하지만 기존 비선형 광학 장치는 크고 복잡하며, 무엇보다 출력 고조파의 위상과 세기를 독립적으로, 그리고 전기 신호를 통해 실시간으로 제어하는 것이 사실상 불가능했다. 최근 메타표면 기술이 이를 극복할 실마리로 떠올랐지만, 여전히 비선형 응답의 위상과 세기를 완벽하게 전기 제어하는 기술은 개발되지 않은 상태였다.

이러한 한계를 넘기 위해, 연구팀은 전기신호만으로 비선형 응답의 위상과 세기를 완전히, 그리고 독립적으로 제어할 수 있는 비선형 메타표면을 새롭게 구현했다.

2.연구내용

연구팀은 세계 최초로 제2차 고조파 생성(SHG)의 위상과 세기를 각각 독립적으로, 동시에 정밀하게 조절할 수 있는 전기 구동형 비선형 메타표면을 구현했다.

이번 메타표면은 반도체 다중양자우물(MQW)과 금속 나노공진기를 결합한 ‘메타원자(meta-atom)’를 평면에 주기적으로 배열한 구조다. 각 메타원자는 쌍을 이루며 배치되는데, 각 메타 원자에는 개별 전기신호를 가할 수 있는 전극을 추가해 2차원적인 전기 제어의 자유도를 얻었다.

이 구조의 핵심은, 메타 원자 간의 출력 고조파 위상이 180도(π)만큼 차이가 나도록 설계한 점이다. 여기에 전압을 가하면 양자우물 내 전자 에너지 준위가 변화하면서 비선형 응답의 위상과 세기가 변화한다. 이를 통해 빛이 입사할 때 생성되는 비선형 신호의 위상과 세기를 전기 신호 만으로 ‘완전히’, ‘독립적으로’ 제어할 수 있게 됐다.

실험 결과, 출력 고조파의 세기는 최대 30 nm/V 범위까지 거의 100%에 가까운 변조 깊이로 조절할 수 있고, 위상 역시 0부터 360도(2π)까지 전 범위에서 정밀하게 제어할 수 있음을 입증했다. 두 메타 원자의 전압을 바꿔가며 원하는 조합으로 설정했을 때, 비선형 응답은 극좌표 상에서 모든 복소 위상과 세기 조합을 얻을

수 있는 형태로 나타났다. 이는 세계적으로도 유례가 없는 결과로, 비선형 응답의 완벽한 전기적 제어가 가능함을 제시하였다.

또한 연구팀은 해당 기술을 기반으로 위상 격자(phase grating)와 세기 격자(amplitude grating)를 구현하고, 이를 통해 비선형 고조파의 회절 패턴을 정밀하게 제어하는 데도 성공했다. 이를 통해 비선형 출력 신호의 실시간 광 파면 제어, 고속 정보 인코딩, 비접촉형 스위칭 등 다양한 응용 가능성이 열리게 됐다.

3.기대효과

이러한 비선형 응답의 위상 및 세기 제어 연구는 양자광학 분야에서 매우 중요한 의미를 가진다. 양자 얽힘 광원은 비선형 물질의 주파수 변환으로 생성되므로 비선형 응답의 위상 및 진폭을 실시간으로 완벽히 제어함으로써 양자 얽힘 상태 제어, 양자 간섭 제어 등 기존의 수동적이었던 양자 광학 시스템이 전기신호로 능동적인 제어가 가능해질 수 있음을 시사한다. 본 연구의 전기적 비선형 메타표면 제어 기술은 능동적 비선형 응답 제어 및 양자 얽힘 광원 제어를 가능케 하는 핵심 기반으로서, 미래 양자정보 처리 및 양자 통신 기술을 크게 발전시킬 것이다.

[붙임] 용어설명

1.제2차 고조파 생성(Second Harmonic Generation, SHG)

두 개의 동일한 주파수의 광자가 비선형 매질을 통과하면서 결합해 두 배 주파수의 새로운 광자를 생성하는 비선형 광학 현상이다.

2.플라즈모닉 나노공진기 (Plasmonic nanoresonator)

유전체와 금속이 결합한 나노구조에서 표면 플라즈몬 공명 현상을 이용하여 특정 파장에서 강한 빛-물질 상호작용을 발생시키는 나노소자이다.

3.다중양자우물구조 (Multiple Quantum Well, MQW)

얇은 반도체 층이 서로 쌓여 형성된 이종접합구조로, 각 층은 퍼텐셜 우물을 구성하여 양자화된 전자 에너지 준위를 가진다. 이 구조는 광학 및 전자 장치에서 높은 효율성과 전기적으로 제어가 가능한 특성을 제공한다.

4.메타 원자 (Meta-atom)

특정 물리적 성질을 가지는 빛의 파장보다 훨씬 작은 크기의 인공 구조로, 빛이나 전자기파와 상호작용하여 기존 물질에서는 나타나지 않는 특이한 현상을 유도한다.

5.격자 (Grating)

격자는 주기적인 구조를 가진 표면으로, 빛을 특정 각도로 회절시킨다. 위상 격자는 (Phase grating) 빛의 위상 차이로, 세기 격자는 (Amplitude grating) 빛의 세기 차이로 격자를 구성한다.

6.양자 얽힘 광자(Quantum entangled photon)

양자 얽힘 광자는 두 개 이상의 광자가 양자적으로 얽혀 있어, 각각의 상태가 독립적이지 않고, 하나의 상태가 다른 광자의 상태에 즉시 영향을 미치는 특성이 있는 광자 쌍이다.

[붙임] 그림설명

그림 1. 전압으로 2차 고조파의 위상·세기를 제어하는 나노광소자

빨간색으로 표시된 입사광(기본파, ω)이 표면에 배열된 나노 구조를 통과하면서 주파수가 두 배(2ω)로 변환된 2차 고조파(파란색)를 방출한다. 나노 구조는 위상이 서로 반대인 두 쌍둥이 형태로 설계돼 있으며, 각 구조에 개별 전압(Va, Vb)을 가해 전자 상태를 조절함으로써 출력 빛의 위상, 세기, 또는 위상과 세기를 동시에 정밀하게 제어할 수 있다. 이를 통해 2차 고조파의 광파면을 원하는 대로 형성하고, 다양한 광학 기능을 구현할 수 있다.