극한의 좁은 공간에서 변신하는 빛
극한의 좁은 공간에서 변신하는 빛
  • 함예솔
  • 승인 2020.01.18 08:10
  • 조회수 7230
  • 댓글 0
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요약

 

빛을 제어할 수 있는 새로운 방법에 대한 실험적 증거가 나왔습니다.  머리카락보다 백 배 가느다란 나노 실린더에 적외선 영역의 빛을 가뒀더니 적외선이 아닌 가시광선 영역의 빛이 출력되는 현상을 직접 관측했습니다. 입사한 빛을 다양한 다른 색(파장)의 빛으로 변환시킬 있는 가능성을 실험을 통해 실제 확인한 겁니다. 향후 빛 알갱이 하나의 색깔까지 바꿔 양자 암호 통신에 응용될 수 있을 것으로 예상됩니다.

우주 탄생 당시부터 존재하던 빛을 제어하려는 인류의 노력은 광통신, GPS, 의료용 내시경, 태양전지, 광센서, 광스위치 등 산업 전반에서 결실을 낳고 있는데요. 빛을 제어할 수 있는 새로운 방법에 대한 실험적 증거가 나왔습니다. 고려대학교 물리학과 박홍규 교수와 호주국립대학교 키브샤(Kivshar) 교수 연구팀이 나노실린더 구조에 빛을 가둬 빛의 색을 원하는 대로 바꿀 수 있는 광소자를 개발했습니다.

빛을 제어하다. 출처: AdobeStock
빛을 제어하다. 출처: AdobeStock

빛을 제어하는 방법으로는 광섬유 경계면에서 일어나는 전반사나 광결정에서 나타나는 특정 파장 빛의 반사, 두 가지가 전부였습니다. 21세기 들어서야 아주 작은 나노 구조에 빛을 집속시켜 빛을 제어하고 빛의 파장을 바꾸는 제3의 방법이 이론적으로 제안됐지만 이를 입증하는 실험적 결과는 없었습니다. 

 

나노실린더에 적외선 영역의 빛을 가뒀다

방위각으로 편광된 1,570nm 파장의 빛(w로 표시, 붉은색)이 가운데 지름 1 마이크로 미터 가량의 나노실린더(금색으로 표시된 원통 부분) 구조에 입사되어 785nm 파장의 2차 조화파(2w로 표시, 파란색)로 변화되는 과정. 출처: 한국연구재단/박홍규교수
방위각으로 편광된 1,570nm 파장의 빛(w로 표시, 붉은색)이 가운데 지름 1마이크로 미터 가량의 나노실린더(금색으로 표시된 원통 부분) 구조에 입사되어 785nm 파장의 2차 조화파(2w로 표시, 파란색)로 변화되는 과정. 출처: 한국연구재단/박홍규교수

연구팀은 머리카락보다 백 배 가느다란 나노실린더에 적외선 영역의 빛을 가뒀습니다. 그러자 적외선이 아닌 가시광선 영역의 빛이 출력되는 현상을 직접 관측했습니다. 붉은 빛이 극한의 좁은 공간에 갇히면 청색의 빛으로 빠져나오는 빛의 비선형성을 강화시킨 결과였습니다.  

  • 비선형 광소자

빛의 입력과 출력이 선형 관계를 갖지 않는 광소자. 예를 들어 입력 빛과 다른 색깔의 빛이 출력으로 나옵니다.

입사한 빛을 다양한 다른 색(파장)의 빛으로 변환시킬 있는 가능성을 실험을 통해 실제 확인한 겁니다. 나노실린더 구조와 크기를 최적화하고 입사되는 빛을 도넛 모양으로 만들어 파장변환이 극명하게 나타나도록 함으로써 실험적인 관찰이 가능했습니다. 약한 빛이 입사하더라도 나노실린더를 이루는 화합물 반도체(AlGaAs)와 강하게 상호 작용하면서 빛의 파장변환 효율이 크게 높아지도록 설계했습니다.

2차 조화파의 측정 결과. 출처: 한국연구재단
2차 조화파의 측정 결과. 출처: 한국연구재단

실제 이렇게 만들어진 나노광소자를 이용한 결과 기존 나노구조체 대비 빛의 파장변환 효율을 100배 이상 높일 수 있었습니다. 작은 공간에 빛을 가둔다는 측면에서 광소자와 레이저의 동작 원리가 같은 만큼 연구팀은 향후 나노실린더 구조를 활용한 나노레이저 연구도 추진할 계획이라고 밝혔습니다.

박홍규 교수. 출처: 한국연구재단
박홍규 교수. 출처: 한국연구재단

 

 

 

박홍규 교수는 "현재는 단일 광자원의 파장과 광섬유를 잘 통과하는 파장이 달라 문제가 되고 있다"며 "원하는 파장의 빛을 마음대로 만들 수 있는 이번 연구 결과를 이용하면 단일 광자원의 파장을 광섬유의 통신 파장으로 효과적으로 변환시킬 수 있고, 양자암호 통신의 실용화에 한발 더 다가갈 수 있으리라 기대한다"고 밝혔습니다.

 

 

 

 

본 연구성과는 향후 빛 알갱이 하나의 색깔까지 바꿔서 양자 암호 통신에 응용될 수 있을 것으로 예상돼 그 중요성이 매우 클 것으로 기대됩니다. 이번 연구는 국제학술지 <Science>에 게재됐습니다.

 


##참고자료##

 

 


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