[붙임] 연구결과 개요

1.연구배경

빛의 주파수를 두 배로 올려 새로운 색을 만드는 제2고조파 생성(SHG)은 레이저 파장 변환, 적외선 이미징, 양자광원 등 다양한 광소자에서 핵심 역할을 한다. 최근에는 빛의 파장보다 훨씬 작은 나노 구조를 평면 위에 배열한 메타표면(metasurface)이 등장하면서, 기존 부피가 큰 비선형 결정 대신 얇은 칩 한 장으로도 SHG를 구현하려는 연구가 활발히 진행되고 있다.

그러나 지금까지의 비선형 메타표면은 대체로 한 가지 종류의 공진 모드에 모든 기능을 맡기는 구조가 많았다. 국소 공진(local mode)을 이용하면 빛을 강하게 모아 비선형 효율은 높일 수 있지만, 파장이나 각도를 정밀하게 조절하기는 어렵다. 반대로, 비국소 공진(nonlocal mode)을 이용하면 각도에 따른 스펙트럼 제어는 유리하지만, 사용할 수 있는 재료와 구조가 제한되어 실질적인 변환 효율을 확보하기 쉽지 않다. 그 결과 효율을 높이면 조절 자유도가 줄고, 조절 범위를 넓히면 효율이 떨어지는 상충 관계가 근본적인 한계로 지적되어 왔다.

이 연구는 이러한 한계를 해결하기 위해, 빛이 생성되는 과정과 방출되는 과정을 서로 다른 모드에 분담시키는 새로운 비선형 메타표면 기전을 제안하였다.

2.연구내용

UNIST 전기전자공학과 이종원 교수 연구팀은 다중양자우물(MQW) 구조와 금속 나노 패턴을 결합한 극도로 얇은 메타표면을 설계해, 기본파(FF)는 국소 공진(local mode) 으로 흡수하고, 그 과정에서 생성된 2배 주파수 빛(SH)은 비국소 공진(nonlocal mode)으로 방출하는 구조를 구현했다. 연구팀은 이 과정을 ‘local-to-nonlocal SHG’ 라고 정의하고, 이를 전기 구동 메타표면에서 세계 최초로 실험적으로 입증하였다.

구체적으로, 금속 나노 구조는 국소 표면 플라즈몬 공진(LSPR) 을 통해 기본파를 MQW 층 안으로 강하게 집중시켜, 그 내부에서 강한 비선형 반응이 일어나도록 한다. 이때 MQW는 intersubband transition(IST)을 이용해 큰 비선형성을 제공하며, 여기에 인가하는 전압을 변화시키면 전자 상태가 바뀌어 생성되는 SH 빛의 세기를 전기적으로 조절할 수 있다.

한편, MQW에서 생성된 SH 빛은 메타표면 전체에 걸쳐 형성되는 TM 편광 도파 모드 공진(TM guided-mode resonance, TM GMR)을 통해 외부로 방출된다. 이 비국소 모드는 메타표면의 격자 주기와 빛이 들어오는 각도(평면 내 운동량)에 민감하게 의존하기 때문에, 레이저 입사각을 바꾸면 SH 피크 파장이 연속적으로 이동하는 각도 의존형 스펙트럼 제어가 가능하다. 즉, 하나의 칩 안에서 국소 모드가 “생성”을, 비국소 모드가 “방출”을 담당하도록 역할을 분리한 설계다.

연구팀은 파장 조절 가능한 레이저와 자체 구축한 반사형 angle-resolved 측정 광학계를 이용해, 샘플을 회전시키지 않고 렌즈에 레이저가 입사하는 위치만 이동하는 방식으로 입사각을 스캔하며 SHG 스펙트럼을 측정했다. 그 결과, 입사각을 변화시켰을 때 SH 피크 파장이 부드럽게 이동하며 색이 변하는 현상과, 특정 각도를 고정한 채 전압만 변화시켰을 때 SH 피크 파장은 거의 고정된 상태에서 세기만 선택적으로 변하는 현상을 동시에 관측하였다. 이를 통해 이 메타표면이 전압으로 SHG 세기를, 입사각으로 SHG 파장을 서로 독립적으로 조절할 수 있음을 보였다.

또한 연구팀은 지금까지 보고된 비선형 nonlocal 메타표면이 주로 낮은 손실을 얻기 위해 비선형성이 작은 재료나 약한 비선형 전류에 의존해 실효 변환 효율이 매우 낮았던 점에 주목하고, 강한 비선형성을 가진 intersubband MQW 플랫폼에 TM GMR과 같은 비국소 모드를 결합하는 ‘local-to-nonlocal’ 설계 방법이 효율과 제어 가능성을 동시에 얻을 수 있는 새로운 기전이 될 수 있음을 보였다.

3.기대효과

이번 연구는 국소 모드와 비국소 모드를 하나의 메타표면 안에서 역할 분담시키는 ‘local-to-nonlocal SHG’ 기전을 처음으로 제안하고 검증했다는 점에서, 비선형 메타표면 설계 방식에 중요한 변화를 제시한다. 기존처럼 하나의 공진 모드에 모든 기능을 집약하는 대신, 빛의 생성과 방출을 서로 다른 모드로 나누어 설계함으로써, 그동안 피하기 어려웠던 “조절 자유도와 효율 사이의 상충 관계”를 완화할 수 있는 새로운 설계 방향을 제시한 것이다.

이러한 개념은 특정 파장·재료에 한정되지 않고, 다른 파장대와 다양한 물질계로 확장 가능한 메커니즘을 명확히 제시하였다는 점에서도 의미가 크다. 예를 들어, 비선형 메타표면을 이용해 얽힌 광자쌍을 생성하고 제어하는 메타표면 기반 양자광원·양자광학 소자에서도 local-to-nonlocal 개념을 활용해 높은 변환 양자 얽힘 광원 생성 효율을 얻음과 동시에 제어 및 설계 자유도를 크게 넓힐 수 있을 것으로 전망된다. 따라서 이번 연구는 단일 소자 성능을 넘어, 능동형 비선형 메타표면 설계의 새로운 패러다임을 여는 기초 연구로서, 후속 응용 연구와 관련 분야 확장에 중요한 역할을 할 것으로 기대된다.

[붙임] 용어설명

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

두 개의 동일한 주파수(ω)를 가진 광자가 비선형 매질에서 상호작용해, 주파수가 두 배인 새로운 광자(2ω)를 만들어내는 비선형 광학 현상이다.

2.메타표면(Metasurface)

빛의 파장보다 훨씬 작은 인공 나노 구조(메타원자)를 2차원 평면에 배열해, 기존 물질에서는 얻기 어려운 빛-물질 상호작용을 구현하는 초박형 광소자이다.

3.국소 모드(Local mode)와 비국소 모드(Nonlocal mode)

국소 모드는 개별 메타원자 주변에 전자기장이 국한되어 공진하는 모드이고, 비국소 모드는 주기 배열 전체에 걸쳐 전자기장이 결맞게 분포해 집단적으로 공진하는 모드이다. 비국소 모드는 일반적으로 각도(평면 내 운동량)에 따라 공진 조건이 크게 바뀐다.

4.다중양자우물(Multiple Quantum Well, MQW)

서로 다른 밴드갭을 갖는 얇은 반도체 층을 반복적으로 적층해 만든 나노 구조로, 전자 에너지 준위가 양자화되어 있다. 전기장을 가해 준위 간 전이에 해당하는 흡수·비선형 특성을 정밀하게 조절할 수 있다.

5.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

그림설명. 메타표면 소자가 빛의 색과 밝기를 조절하는 원리를 보여주는 개념도. 왼쪽에서 입사한 빛이 소자를 거쳐 오른쪽으로 나갈 때 성질이 변환되는데, 이때 두 가지 제어 방식이 적용된다. 먼저 빛이 들어오는 각도(빛줄기의 기울기)를 달리하면 나가는 빛의 ‘파장(색)’이 변한다. 동시에 소자에 전압(V)을 걸어주면 내부에서 빛과 물질이 결합하는 상태(비선형 폴라리톤)가 미세하게 변화하며 나가는 빛의 ‘세기(밝기)’가 조절된다.