나노공간에 빛을 모아 원하는 색깔 얻는다

한-호주 공동연구팀, 비선형 나노 광소자 개발 [Science]


[아이뉴스24 최상국 기자] 아주 작은 공간에 빛을 가두어 빛의 파장을 원하는 대로 바꾸는 새로운 빛 제어 방법이 제시됐다.

박홍규 고려대 물리학과 교수와 키브샤(Kivshar) 호주국립대 교수 공동연구팀은 나노실린더 구조에 빛을 가둬 빛의 색깔을 원하는 대로 바꿀 수 있는 광소자를 개발했다고 17일 국제학술지 사이언스(Science)에 발표했다.

연구팀은 아주 작은 나노구조에 빛을 가둬모으면 빛의 파장을 바꿀 수 있다는 이론을 실험으로 입증함과 동시에, 파장변환 효율을 기존보다 100배 이상 높인 새로운 형태의 나노실린더를 제작함으로써 나노구조체를 이용한 비선형(파장변환) 광소자의 상용화 가능성을 높였다고 밝혔다.

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 [고려대학교 박홍규 교수 제공]

이번 연구는 빛을 작은 영역 안에 강하게 집속시킬 수 있는 BIC(bound state in the continuum, 연속체에서의 속박상태) 현상을 이용해 고효율의 비선형 광소자를 구현한 것이다.

BIC 현상은 공동연구자인 키브샤 교수가 처음 발견한 것으로 특수한 조건에서는 빛이 연속적인 상태에서도 갇혀 있게 되는 양자역학적 현상이다. 박홍규 교수는 BIC 현상을 이용하면 비선형 효율을 크게 증폭시킬 수 있을 것으로 생각하고 공동연구를 시작했다.

연구팀은 머리카락 굵기의 백분의 일에 불과한 지름 약 930nm, 높이 635nm의 나노실린더를 ITO(인듐주석산화물) 유리기판 위에 올려놓은 특수한 구조체를 제작해 BIC 현상을 최적화했다. 제작된 나노실린더에 적외선 영역의 빛을 가두자 적외선이 아닌 가시광선 영역의 빛이 출력되는 현상이 직접 관측됐다. 1570nm의 빛이 나노실린더를 통과하면서 785nm 파장의 빛으로 바뀌었다.

연구팀은 "이번 연구가 유전체로 이루어진 단일 나노실린더 구조에서 빛을 매우 작은 영역에 집속시키는 BIC 현상을 최초로 그리고 실험적으로 관측했다는 점에 큰 의미가 있다"고 설명했다.

특히 이 현상을 이용해 최초로 구현한 비선형 나노광소자는 매우 높은 효율로 원하는 색깔의 빛을 만들 수 있어서 디스플레이 소자 뿐 아니라, 미래의 양자광학 및 센서, 매우 작은 새로운 나노레이저의 개발, 양자암호통신에서의 응용 등으로 이어질 것으로 전망했다.

이 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 기초연구지원사업 (리더연구)의 지원으로 수행됐다.

◇논문명 : Subwavelength dielectric resonators for nonlinear nanophotonics (Science)

◇교신저자 : 박홍규 교수(고려대), 키브샤(Kivshar) 교수(호주국립대)

최상국기자 skchoi@inews24.com

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