독립 제어하는 메타표면 제시
최근 4차 산업혁명 시대에 접어들면서 폭증하는 데이터 통신량을 효과적으로 대응하기 위해 경제적인 초고속 광신호 전송용 초소형 광통신 기술에 대한 관심이 높은 가운데 포스텍 연구팀이 메타표면을 이용해 모든 빛에 작동하는 ‘소용돌이 빔’을 개발했다.
9일 포스텍에 따르면 기계공학과·화학공학과 (노준석 교수·기계공학과 석박사통합과정 김주훈 씨) 연구팀이 자외선부터 가시광선 영역까지 광대역 파장에 대해서 두 직교 편광 상태를 독립적으로 제어할 수 있는 메타표면을 제시했다.
메타표면을 이용해 각각 다른 위상전하(topological charge)를 가지는 소용돌이 빔을 만들거나 감지할 수 있는 메타편광판을 제작하고 실험으로 검증했다.
빛이 진행하면서 소용돌이 형태의 모양을 그리는 것을 ‘궤도 각 운동량(OAM: Orbital Angular Momentum)’이라고 부르고, 이러한 궤도 각 운동량을 가진 빛을 쉽게 ‘소용돌이 빔’이라고 부르는데, 이 운동량은 똑같은 주파수나 편광 상태를 가지고 있어도 더 많은 정보를 저장할 수 있다.
지금까지 광학 소용돌이 빔을 만들기 위해서는 부피가 크고 무거운 공간광변조기(spatial light modulator, SLM) 장비를 사용해야 했고, 자외선 영역에서 작동하는 SLM이 없어 자외선 광학 소용돌이 빔 제조는 난제로 꼽혀왔다. 이에 연구팀은 부피가 크고 무거운 SLM 대신에 얇고 가벼운 메타표면을 이용해 자외선 빛이 들어왔을 때 광학 소용돌이 빔을 만들 수 있는 편광판을 개발했다.
연구팀은 자외선에서 흡수가 없으면서 굴절률이 높은 질화규소(silicon nitride) 물질을 사용했으며, 메타표면의 회전 대칭을 깨트림으로써 빛의 입사 편광에 따라서 다른 기능을 가지도록 설계해 소용돌이 빔의 정보량을 단일 메타표면에 더 많이 저장할 수 있는 방법론으로 다양한 곳에 응용될 수 있도록 했다.
노준석 교수는 “이번 연구를 통해 메타표면은 편광 상태에 따라서 다른 위상전하의 광학 소용돌이 빔을 만들어낼 수 있는 다기능성까지 가지고 있음을 확인했다”며, “자외선 광학 소용돌이 빔을 만들어냄으로써 광학 소용돌이 빔의 응용을 자외선까지 넓힐 수 있다는 점에서 큰 의의가 있다”라고 말했다.
권영진 기자
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