초박막 비선형 광소자를 위한 공진기 설계 규칙 확립
고려대학교 물리학과 박규환 공수현 교수 연구팀이 복잡한 리소그래피(미세 패턴 가공) 공정 없이도 빛을 극대화할 수 있는 초박막 공진기를 개발해, 단층 소재 대비 약 12만 배 강한 2차 조화파를 발생시키는 데 성공했다. 2차 조화파는 입사한 빛의 주파수가 두 배로 바뀌는 비선형 광학 현상으로, 차세대 광학 및 양자 기술의 핵심 요소로 꼽힌다. 연구팀은 수십 나노미터(nm) 두께의 반도체 물질과 금속 박막을 적층하는 단순한 구조만으로 빛을 내부에 효과적으로 가두는 공진기를 구현해 냈다. 특히 이 기술을 이황화몰리브덴(3R-MoS2)에 적용한 결과, 불필요한 입사광의 반사를 거의 완벽하게 억제하는 동시에 2차 조화파의 발생 효율을 획기적으로 증폭시켰다. 나아가 연구팀은 물질 고유의 굴절률과 광 흡수 특성만으로 최적의 공진기 구조를 도출할 수 있는 보편적인 설계 규칙까지 확립했다. 이번 성과는 향후 초소형 비선형 광소자 및 양자 광학 기기 설계에 중요한 지침이 될 전망이다. 본 연구 결과는 국제 학술지 네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications) 10월 24일 자 온라인판에 게재됐다.
정해석(제 1저자) 이순재 박사(제 1저자) 공수현 교수(교신저자) 박규환 교수(교신저자)
[그림 1] 0차 공진기의 작동 원리와 임계 결합 지도
금속 기판의 음의 반사 위상이 박막 내부의 전파 위상을 상쇄해, 반파장(λ/2n)보다 훨씬 얇은 두께에서 0차 공진이 일어난다(a, b). 임계 결합 곡선은 (n, k) 평면을 세 영역으로 나누며, 곡선 상의 물질은 열린 공진기, 곡선 아래쪽 과결합 물질은 상부 금 거울을 더한 닫힌 공진기, 곡선 위쪽 저결합 물질은 스페이서를 삽입한 열린 공진기 구조가 최적의 구조이다(c).
[그림 2] 0차 공진 메커니즘과 2차 조화파 응답
열린 공진기(a)와 반투명 상부 금 거울을 더한 닫힌 공진기(b)에서 펌프광은 3R-MoS2 박막 안에 갇히고, 생성된 2차 조화파(SHG)는 밖으로 자유롭게 방출된다. 계산된 왕복 위상(c, d)과 2차 조화파 세기 그래프(e, f)는 반파장 한계(λ/2n)보다 훨씬 얇은 수십 나노미터 두께에서 0차 공진이 일어나며, 이 조건에서 2차 조화파가 크게 증폭됨을 보여준다.
[그림 3] 닫힌 공진기의 임계 결합과 2차 조화파 증폭
상부 금 두께 28 nm에서 910 nm 파장의 반사율이 거의 0으로 떨어지며 임계 결합이 구현된다(a–c). 2차 조화파 최대치는 반사율 최소 지점과 정확히 일치했고(d), 54.8 nm 두께 시료에서 단층 대비 1.19×105배 증폭을 기록해 열린 공진기(6.81×104배)의 약 두 배에 달했다(e). 또한 3R-MoS2 두께를 조절하면 공진 파장을 820–1030 nm 범위에서 선형적으로 바꿀 수 있다(f).
[그림 4] 펌프광 억제와 2차 조화파 출력 특성
닫힌 공진기는 임계 결합으로 910 nm 펌프광의 반사를 강하게 억제하면서 455 nm 2차 조화파는 그대로 방출해, 열린 공진기보다 약 109배 높은 신호 대 배경 비를 보인다(a). 낮은 펌프 세기에서 2차 조화파 세기는 펌프 세기의 제곱에 비례하며(b), 3R-MoS2고유의 6중 대칭 편광 패턴도 그대로 유지된다(c).
