'빛 세기·위상' 자유자재로 조절한다…"나노 광소자" 개발

UNIST 이종원 교수 연구팀 개발

[울산=뉴시스] 전압으로 2차 고조파의 위상·세기를 제어하는 나노광소자 (사진=울산과학기술원 제공) 2025.08.25. [email protected] *재판매 및 DB 금지

[울산=뉴시스] 구미현 기자 = 국내에서 빛의 세기와 위상을 각각 독립적으로 조절할 수 있는 나노 광소자가 나왔다. 이 소자에 전압을 가하는 방식으로 주파수가 두배로 변조된 빛인 2차 고조파 빛의 위상과 세기를 자유자재로 바꿀 수 있다. 차세대 양자 통신, 양자정보 처리 등의 기반 기술로 주목된다.

울산과학기술원(UNIST)은 전기전자공학과 이종원 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 현상이다. 양자 기술에서 양자 얽힘 광원 역시 이러한 비선형 변환 과정을 거쳐야 만들 수 있다.

이 나노 광소자는 손톱 넓이의 1만분의 1 크기다. 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 제어됐고 위상은 0도부터 360도 범위에서 자유롭게 바꿀 수 있었다.

연구팀은 이 기술로 위상 격자(phase grating)와 세기 격자(amplitude-grating)를 구현하고 출력 신호의 회절 패턴을 제어하는 데도 성공했다. 실시간 광파면 제어, 고속 정보 인코딩, 비접촉형 스위칭 등 다양한 분야에서 잠재력을 보여주는 결과다.

[울산=뉴시스] 울산과학기술원(UNIST) 연구진. 사진 좌측부터 이종원 교수, 김재성 연구원(제1저자), 유재연 연구원(제1저자). (사진=UNIST 제공) 2025.08.25. [email protected]
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이 같은 기술이 가능한 이유는 광소자 표면 구조 설계에 있다. 광소자 표면에는 다중양자우물과 금속 나노공진기가 결합된 나노 구조가 배열돼 있는데 서로 반대 위상(180도 차이)을 갖는 두 구조가 한 쌍을 이루도록 설계됐다.
 
이 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 말했다.

이번 연구 결과는 사이언스 어드밴시스(Science Advances)에 올해 7월25일자로 출판됐다. 정보통신기획평가원과 한국연구재단의 지원을 받아 수행됐다.


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