공진기는 입사된 빛의 세기를 높이기 위해 사용되며, 원리는 다음과 같다. 우선 빛을 굴절률이 일정한 구 형태의 공진기 내부에 가둬 그 표면을 따라 전반사하며 돌 수 있게 한다. 그러면 공진기를 도는 빛이 내부 광학 2등 물질*을 지나며 에너지를 받아 세기가 강해지는 방식이다. 하지만 기존 공진기는 속삭임의 회랑 모드**를 구현하기 위해 공진기 내부가 대칭적인 구조로 이루어져 있다. 따라서 빛을 밖으로 빼내기 위한 구조 역시 대칭성을 가져야 하므로 한 점에서만 빛을 내보낼 수는 없어, 공진기를 빠져 나온 빛을 집속하려면 추가적인 장비가 필요하다. 이런 한계를 극복하기 위해 마이크로 광 공진기 분야에서는 공진기를 조금 찌그러지게 만들더라도 빛이 방향성을 갖고 공진기를 빠져 나오게 하는 연구가 활발히 진행되었다.

 

연구팀은 빛을 찌그러진 공진기 내부에서 모으면 속삭임의 회랑 모드가 깨져서 빛의 세기가 구형 공진기에서 모은 빛에 비해 약해지고 성능이 떨어진다는 문제점을 해결하기 위해, 공진기에 변환광학을 적용했다. 모든 전자기파의 움직임은 맥스웰 방정식으로 정의된다. 이때 전자기파가 움직이는 공간을 바꾸면 맥스웰 방정식 자체는 바뀌지 않고 유전율(permittivity)과 자기투자율(magnetic permeability) 상수만 바뀐다. 변환광학은 이런 전자기파의 성질을 반대로 적용한 것으로, 유전율과 자기투자율을 조절해 전자기파가 움직이는 공간을 바꿀 수 있는 기술이다.

 

연구팀은 공진기 내부 유전율을 조절해 실제 공진기는 조금 찌그러진 구의 형태이지만 전자기파가 움직이는 공간은 완전한 구가 되도록 조정했다. 이 때 빛은 구 형태의 공진기에서와 비슷한 세기로 모이지만, 외부에서 봤을 때는 공진기가 찌그러져 있어서 공진기를 빠져 나오는 빛은 방향성을 가진다.

 

또한, 연구팀은 공진기에서 모은 빛이 방향성을 가지면서 빠져나올 수 있다는 것을 실험적으로 증명했다. 일반적인 빛은 파장이 너무 짧아 위상이나 움직임을 관측하기 어렵다. 이에 연구팀은 마이크로 영역의 파동을 이용해 같은 실험을 진행했다. 마이크로 영역의 파동은 가시광이나 적외선에 비해 파장이 길어 빛의 위상과 윤곽(profile)을 관측할 수 있어, 연구팀은 이론적으로 설계한 내용들이 실제 결과와 일치하는 것을 확인할 수 있었다.

 

이번 연구는 최근 활발히 연구되는 고집적 광전자 회로, 플라즈모닉스 광도파로(plasmonics wave guide)의 광원뿐만 아니라 광 정보처리 소자 설계의 원천 기술로 사용될 수 있다. 플라즈모닉스 광도파로는 금속으로 된 얇은 광섬유다. 플라즈모닉스 광도파로에서 빛으로 신호를 전달하려면, 진행되는 빛의 편광 방향과 전기장 방향이 수직이어야 한다. 빛의 편광 방향을 돌려 전기장과 수직하게 만들기 위해서는 부피가 큰 장비가 필요하고, 섬유의 두께가 두꺼워지는 문제가 있다. 하지만 연구팀이 개발한 기술을 이용해 모은 빛을 회로에 보내면 공진기 내부 유전율을 조절해 전기장에 수직인 빛을 만들 수 있어 얇은 광섬유를 만들 수 있다.

 

이번 연구는 광 바이오 센서제작, 고효율 초소형 레이저 개발 등 다양한 분야에 적용할 수 있다는 점도 큰 의미를 갖는다. 이번 논문의 제 1 저자 기계공학과 김유신 학우는 “변환광학을 광학 모드의 제어에 사용했다는 것이 이번 연구의 가장 큰 의의다”라고 밝혔다.

 

 

광학 2등 물질*
13족 원소와 15족 원소가 결합된 반도체 물질. 전압을 걸어 가둬진 빛의 에너지를 일정 수준까지 높인다.

속삭임의 회랑 모드**
소리가 돔 벽면을 따라 멀리 떨어진 맞은편까지 들리는 성 바울 성당 회랑에서 유래. 빛이 공진기 경계면을 따라 전반사에 의해 갇힐 때 빛의 공진파동 모드를 말한다.