최무한·민범기 교수 공동 연구팀 "차세대 광-바이오센서 개발 적용"

(a)균일한 굴절률을 갖는 원형 유전체 공진기와 공진기 내부의 광선 궤적. (b)균일한 굴절률을 갖는 리마송 모양으로 변형된 유전체 공진기와 변형된 공진기 내부에서 혼돈 양상을 띠는 광선 궤적. (c)변환광학 원리에 따라 구현된 위치마다 다른 굴절률 분포를 가지는 변환광학 공진기.<사진=연구팀 제공>
(a)균일한 굴절률을 갖는 원형 유전체 공진기와 공진기 내부의 광선 궤적. (b)균일한 굴절률을 갖는 리마송 모양으로 변형된 유전체 공진기와 변형된 공진기 내부에서 혼돈 양상을 띠는 광선 궤적. (c)변환광학 원리에 따라 구현된 위치마다 다른 굴절률 분포를 가지는 변환광학 공진기.<사진=연구팀 제공>
국내 연구팀이 변형된 공진기에 빛을 1000배 이상 오래 가두는 방법을 개발했다.

최무한 경북대 전자공학부 교수와 민범기 KAIST 기계공학과 교수 등 공동 연구팀은 변환광학을 이용해 고품질 방향성 빛을 내보내는 '광-공진기 설계 기술'을 개발했다고 3일 밝혔다.

변환광학은 좌표변환에 따른 굴절률 공간 제어를 통해 빛의 경로를 조절하는 메타물질 연구의 한 분야다. 광-공진기는 공진현상을 이용해 특정 진동수의 빛(전자기파)을 일정 시간 동안 가둬주는 장치다.

기존 광-공진기를 원형으로 만들면 오랫동안 머무르는 빛이 얻어진다는 것은 잘 알려져 있었다. 하지만 공진기 밖으로 빠져나오는 빛이 모든 방향으로 균일해 성능이 저하되는 단점이 있다.

연구팀은 변환광학을 이용해 높은 품위값과 빛의 방출 방향성을 동시에 갖는 변형된 속삭임의 회랑 모드를 구현했다. 품위값은 빛이 공진기 안에 얼마나 오랫동안 갇혀있는가를 나타내는 정량적 지표다.

연구팀은 높은 주파수 분해능을 갖는 고품질의 빛이 한쪽 방향으로만 나올 수 있게 하는 광-공진기 설계 원리를 제시했다. 공진기 안에 빛이 기존 대비 1000배 이상 머물 수 있게 됐다.

이 기술은 광-기반 바이오 및 가스 센서의 측정 정밀도를 수천 배 이상 끌어 올릴 수 있는 초소형 단방향 레이저 설계의 핵심 원천기술이라는 점에서 의미가 크다. 또 최근 활발히 연구되는 메타물질 분야와 초소형 광-공진기 연구 분야를 융합한 연구결과라는 점에서도 주목된다.

최무한 교수는 "이번 연구성과는 차세대 광-정보처리소자 설계의 원천기술"이라며 "앞으로 고효율 초소형 레이저, 차세대 광-바이오센서 개발 등에 적용될 수 있다"고 설명했다.

또 그는 "음파, 탄성파 등 다양한 물리적 파동에서 발생하는 공진 모드를 설계하는 방법론으로 확장될 수 있다"며 "재료공학, 나노과학 등에서 영향을 줄 수 있을 것"이라고 말했다. 

이번 연구결과는 '네이처 포토닉스'(Nature Photonics)에 지난달 26일자로 게재됐다.

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