초고용량 광통신 기술개발에 활용 가능한 메타표면 기반 소용돌이 빔이 개발됐다.
포스텍(POSTECH·총장 김무환)은 노준석 기계공학과·화학공학과 교수와 기계공학과 석박사통합과정 김주훈 연구팀이 자외선부터 가시광선 영역까지 광대역 파장에 대해 두 직교 편광상태를 독립적으로 제어할 수 있는 메타표면을 제시했다고 9일 밝혔다. 또 이 메타표면을 이용해 각각 다른 위상전하를 가지는 소용돌이 빔을 만들거나 감지할 수 있는 메타편광판을 제작하고 실험으로 검증했다.
빛이 진행하면서 소용돌이 형태의 모양을 그리는 것을 '궤도 각 운동량(OAM)'이라고 부른다. 이런 궤도 각 운동량을 가진 빛을 쉽게 '소용돌이 빔'이라고 한다. 이 운동량은 똑같은 주파수나 편광 상태를 가지고 있어도 더 많은 정보를 저장할 수 있다.
광학 소용돌이 빔은 광학 트위저 등 다양하게 응용할 수 있어 광학에서는 필수적인 존재다. 광학 소용돌이 빔은 각자 독립적인 소용돌이 빔를 가지고 있으며, 이러한 특성은 홀로그램 비디오를 만드는 등 다양하게 활용된다. 지금까지는 광학 소용돌이 빔을 만들려면 공간광변조기(SLM)이라는 아주 부피가 크고 무거운 장비를 사용해야 했다. 자외선 영역에서 작동하는 SLM이 없어 자외선 광학 소용돌이 빔 제조는 난제로 꼽혀왔다.
메타표면은 위상, 진폭, 편광과 같은 많은 빛의 특성을 원하는 대로 변조할 수 있다. 최근 나노 제조기술 발전으로 고효율, 광대역, 다기능 메타표면이 실현됐지만, 자외선 영역의 빛을 조절하는 것은 여전히 어렵다.
연구팀은 부피가 크고 무거운 SLM 대신 얇고 가벼운 메타표면을 이용해 자외선 빛이 들어왔을 때 광학 소용돌이 빔을 만들 수 있는 편광판을 개발했다. 자외선에서 흡수가 없으면서 굴절률이 높은 질화규소 물질을 사용했다.
또 메타표면은 한번 공정이 되면 그 기능이 영구적으로 고정되고, 바뀌기 힘들기 때문에 수동적인 한계가 있었지만 이번 연구에서는 메타표면의 회전 대칭을 깨트림으로써 빛의 입사 편광에 따라 다른 기능을 가지도록 설계했다. 소용돌이 빔의 정보량을 단일 메타표면에 더 많이 저장할 수 있는 방법론으로 다양한 곳에 응용될 수 있다.
노준석 교수는 “메타표면은 편광 상태에 따라서 다른 위상전하의 광학 소용돌이 빔을 만들어낼 수 있는 다기능성까지 가지고 있음을 확인했다. 자외선 광학 소용돌이 빔을 만들어내 광학 소용돌이 빔의 응용을 자외선까지 넓힐 수 있다는 점에서 의의가 있다”고 말했다.
포스코 산학연 융합연구소 사업, 과학기술정보통신부 미래융합기술파이오니아 사업, 미래기술연구실 사업, 글로벌프론티어 사업, 중견연구자지원 사업, 지역혁신선도연구센터 사업 등 지원으로 수행된 이번 연구결과는 최근 나노재료 분야 최고 권위 국제학술지 '나노 레터스'에 게재됐다.
포항=정재훈기자 jhoon@etnews.com
