울산과학기술원(UNIST) 전기전자공학과는 2차 고조파 빛의 위상과 세기를 독립적으로 완벽 제어할 수 있는 전기 구동형 나노 광소자 개발에 성공했다고 25일 밝혔다.

이종원 교수 연구팀이 개발한 이 나노 광소자는 전압을 가하는 방식으로 주파수가 2배로 변조된 2차 고조파 빛의 위상과 세기를 자유자재로 바꿀 수 있다. 차세대 양자 통신과 양자정보 처리 등의 핵심 기반 기술로 평가받는다.

이번에 개발된 나노 광소자는 비선형 광학 변조 소자에 속한다. 비선형 광학은 빛이 특수 매질을 지나갈 때 입력 세기에 따라 주파수 등이 바뀌는 현상을 말하며 양자 기술의 양자 얽힘 광원도 이런 비선형 변환 과정을 통해 생성된다.

새로 개발된 광소자는 손톱 넓이의 1만 분의 1 크기로 극도로 소형화됐다. 부피가 큰 기존 매질을 대체해 더 작고 가벼운 장치 제작이 가능하다. 기존 나노 광소자들이 수동으로만 작동해 실제 기기 적용에 한계가 있었던 것과 달리, 전압을 통해 능동 제어가 가능하다는 점이 특징이다.

특히 위상과 세기의 독립 제어 기능으로 두 정보를 조합해 더 많은 정보를 생성할 수 있다. 실제 실험에서 2차 고조파의 세기는 거의 100%에 근접한 변조 깊이로 제어됐으며 위상은 0도부터 360도 범위에서 자유롭게 조정할 수 있었다.

또 비선형 응답의 크기는 약 0~30 nm/V 범위에서 조정됐다. 연구진은 이를 통해 비선형 응답이 극좌표상의 모든 조합에 도달할 수 있으며 복소 위상-세기 공간에서 완전한 전기 제어가 구현됨을 확인했다고 설명했다.

연구팀은 이 기술을 활용해 위상 격자(phase grating)와 세기 격자(amplitude grating)를 구현하고, 출력 신호의 회절 패턴 제어에도 성공했다. 실시간 광파면 제어, 고속 정보 인코딩, 비접촉형 스위칭 등 다양한 분야에서 활용 가능성을 입증한 결과로 평가된다.

이런 기술 구현이 가능한 핵심은 광소자 표면 구조 설계에 있다. 광소자 표면에는 다중양자우물과 금속 나노공진기가 결합된 나노 구조가 배열돼 있으며 서로 반대 위상을 갖는 2개 구조가 한 쌍을 이루도록 설계됐다.

이종원 교수는 "기존 비선형 광학 장치의 물리적 한계를 뛰어넘어 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 밝혔다.