전기로 조절하는 비선형 광학 메타표면 개발
전기로 조절하는 비선형 광학 메타표면 개발
  • 이웃집과학자
  • 승인 2021.12.25 20:10
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UNIST(이용훈) 전기전자공학과 이종원 교수팀이 전기로 조절 가능한 ‘비선형 광학 메타표면’을 세계 최초로 개발했습니다. 이번 연구는 광학 분야 최고 권위 학술지인 네이처 포토닉스(Nature Photonics)에 12월 23일(현지시각)자로 공개됐는데요.

 

비선형 광학(nonlinear optics)은 빛과 물질 간의 강한 상호작용을 통해 빛의 주파수(파장)를 바꾸는 등의 광변조 기술입니다. 일상에도 흔히 사용됩니다. 녹색 레이저 포인터가 대표적이죠. 상대적으로 만들기 쉬운 적외선을 두꺼운 비선형 매질에 통과 시켜 파장을 변조하는 방식으로 녹색 레이저를 만드는 원리입니다.

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. 출처 : UNIST
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. 출처 : UNIST

비선형 광학 메타표면은 이 매질의 부피를 머리카락 두께로 줄일 수 있는 인공물질입니다. 이 때문에 기기를 소형화 할 수 있습니. 또 복잡한 광학 정렬을 고려할 필요 없이 빛이 메타표면과 만나기만 하면 돼 종이처럼 얇고 가벼운 카메라, 레이저 기기, 양자광원도 가능하게 할 수 있습니다. 문제는 기존 비선형 메타표면 기술은 전기적으로 조절 불가능한 수동방식이 대부분이라는 점인데요.

 

이 교수팀은 전압으로 조절하는 비선형 메타표면을 최초로 선보였습니다. 이 메타표면은 빛의 파장뿐만 아니라 세기와 위상을 독립적으로 조절할 수 있습니다. 빛 파장 변환을 이용한 광 변조 암호 기술, 빛 세기뿐만 아니라 위상까지 실시간으로 조절 해야하는 움직이는 홀로그램 기술, 차세대 테라헤르츠파 통신 광원과 양자정보통신 광원 등에도 응용할 수 있습니다. 

 

이종원 교수는 “메타표면이 생성하는 비선형 고조파 (파장이 절반으로 줄거나 진동수가 2배가 된 변조파)의 세기와 위상을 전기로 조절한 최초의 사례이며, 이번 연구로 비선형 평면 광학 소자 기술의 새 지평을 열었다”라고 평가했습니다. 또 이번에 개발된 기술은 효율이 높다는 장점이 있습니다. 역대 최고 기록입니다. 기존에 이 교수팀이 보유하고 있었던 세계 최고 기록을 다시 3배 이상 향상시켜 0.24%의 광 변환 효율을 달성했습니다. 연구진이 독창적으로 디자인한 다중양자우물 구조(multiple quantum well, MQW) 덕분에 메타표면의 얇은 두께에도 불구하고 광 변환 효율이 높았습니다. 

 

개발한 메타표면은 다중양자우물구조 반도체층 위에 V 모양 금속플라즈모닉 공진 구조가 올려진 단위구조체로 이뤄져 있는데요. 이 단위구조체 여러 개가 기판위에 배열된 형태입니다. 구조체의 크기는 빛 파장보다 작습니다. 유재연 UNIST 전기전자공학과 연구원은 “개발한 메타표면의 특성은 반도체층과 플라즈모닉 공진구조에 의해 결정되기 때문에 다중양자우물 구조나 플라즈모닉 구조를 각각 변화시키는 방식으로 향후 다양한 기능성 비선형 광소자를 개발할 수 있다”라고 설명했습니다.

 

이종원 교수는 “이번에 개발된 메타표면 기반 광소자는 전기적으로 조절 가능한 비선형 광원, 동적 비선형 홀로그램, 비선형 광 정보처리 소자, 신개념 양자 포토닉스 소자 등에 활용될 수 있을 것”이라고 기대했습니다. 

논문명: Electrically tunable nonlinear polaritonic metasurface

 

#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.


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