빛의 세기와 위상을 각각 독립적으로 조절할 수 있는 나노 광소자가 나왔다. 이 소자에 전압을 가하는 방식으로, 주파수가 두 배로 변조된 빛인 2차 고조파 빛의 위상과 세기를 자유자재로 바꿀 수 있다. 차세대 양자 통신, 양자정보 처리 등의 기반 기술로 주목된다.
UNIST(울산과학기술원)은 이종원 전기전자공학과 교수팀이 주파수가 2배로 변조된 빛의 위상과 세기를 완벽히 독립 제어할 수 있는 전기 구동형 나노 광소자를 개발했다고 25일 밝혔다.
연구팀이 개발한 나노 광소자는 비선형 광학 변조 소자의 일종이다. 비선형 광학은 빛이 특수 매질을 통과할 때 입력 세기에 따라 주파수 등이 변하는 현상으로 양자 기술에서 양자 얽힘 광원 역시 이러한 비선형 변환 과정을 거쳐야 만들 수 있다.
이 나노 광소자는 손톱 넓이의 1만 분의 1 크기로, 부피가 큰 기존 매질을 대체해 더 작고 가벼운 장치를 만들 수 있다. 또 기존의 나노 광소자들이 수동으로만 작동돼 실제 기기에 쓰기 어려웠던 데 비해, 전압을 가해 작동시킬 수 있다. 위상과 세기를 독립적으로 제어하는 것까지 가능해 두 정보를 조합해 더 많은 정보를 만드는 것도 가능하다.
실제 실험에서, 2차 고조파의 세기는 거의 100%에 가까운 변조 깊이로 제어됐다. 위상은 0도부터 360도 범위에서 자유롭게 바꿀 수 있었다. 또한 비선형 응답의 크기는 약 0~30 nm/V 범위에서 조정됐다. 이는 비선형 응답이 극좌표상의 모든 조합에 도달할 수 있으며, 곧 복소 위상–세기 공간에서 완전한 전기 제어가 가능하다는 게 연구팀의 설명이다.
연구팀은 이 기술로 위상 격자와 세기 격자를 구현하고, 출력 신호의 회절 패턴을 제어하는 데도 성공했다.
이 같은 기술이 가능한 이유는 광소자 표면 구조 설계에 있다. 광소자 표면에는 다중양자우물과 금속 나노공진기가 결합된 나노 구조가 배열돼 있다. 서로 반대 위상(180도 차이)을 갖는 두 구조가 한 쌍을 이루도록 설계됐다.
이종원 UNIST 교수는 “전기적 제어만으로 완벽한 고속·정밀한 광파면 조절을 가능하게 하는 초소형 비선형 광학 플랫폼을 세계 최초로 제시했다”며 “양자 얽힘 광원이나 양자 간섭 제어 등 능동형 양자광학 시스템의 기반 기술로 확장될 수 있을 것”이라고 말했다.
연구 결과는 사이언스 어드밴시스(Science Advances)에 지난 7월 25일 게재됐다.