이상신 교수 연구팀(전자공학과), 초소형·초박형 다기능 광섬유 메타팁 기술 개발 

<이상신 교수 연구팀이 개발한 소용돌이 빔 및 평행빔 생성이 가능한 다기능 광섬유 메타팁 및 이를 적용한 초소형 광 인터커넥트>

이상신 교수(전자공학과)가 이끄는 연구팀은 호주국립대 최덕용 교수와의 공동연구를 통해 나노 메타표면을 광섬유 팁에 접목한 초소형 다기능 광섬유 메타팁을 개발하는데 성공했다. 초소형 다기능 메타팁은 통신용 광섬유 케이블의 단면에 메타표면 디바이스가 접목된 구조로, 이번 연구를 통해 크기와 두께가 획기적으로 축소하여 경제성 있는 다양한 신개념 광부품 개발이 이루어질 것으로 기대되고 있다.

본 연구팀에 의해서 개발된 다기능 광섬유 메타팁은 근적외선 광통신 파장대역에서 동작하며, 빛의 편광 상태에 따라 평행 빔 또는 소용돌이 빔을 제공하는 기능을 갖는다. 평행 빔은 진행 경로가 나란한 평행으로 나아가는 발산성이 거의 없는 빔을 나타내며, 소용돌이 빔은 빛이 진행하면서 이동축을 중심으로 소용돌이 형태의 모양을 갖는 빛을 일컫는다.

최근 4차 산업혁명 시대에 접어들면서 클라우드서비스용 데이터센터, 5G 네트워크, 자율주행차 등의 수요로 인해 폭증하는 데이터 트래픽을 효과적으로 대응하기 위해 경제적인 초고속 광신호 전송용 초소형 광 인터커넥트 기술에 대한 관심이 높아지고 있다.

기존의 광섬유 단면에서 출력되는 빛은 일정한 발산각도를 가지며 자유공간으로 전파되기 때문에, 광섬유 간의 데이터 전송 시 렌즈의 도움을 받아야 한다. 그렇기 때문에 많은 부피를 차지하게 되고 높은 비용이 발생한다. 반면, 이번에 개발된 광섬유 메타팁은 단면의 초박형 메타표면에 의해 광섬유로부터 출력된 빛을 입력 받아 별도의 렌즈 없이 평행 빔을 형성한다. 실제로, 한 쌍의 광섬유 메타팁 간에 평행 빔을 통해 초고속 데이터 전송이 가능한 초소형 무선 광 인터커넥트를 구현하였다.

또한 광섬유 메타팁은 소용돌이 빔을 이용하여 마이크론 크기의 초소형 입자, 세포 등을 자유자재로 조작할 수 있는 광학 집게로 구현할 수 있다. 이를 통해 바이오, 양자 기술 등의 분야로 활용 가능하다. 특히, 이 소용돌이 빔은 물체와 만나면 회전시키거나 움직일 수 있어 광학 집게나 광학스패너, 광학 모터로 응용할 수 있다는 사실이 확인되면서 최근 많은 관심을 받고 있다.

이상신 교수는 “초박형 다기능 메타표면 소자를 광섬유에 접목할 수 있는 핵심 기술을 최초로 확보했다는 것이 큰 의미가 있으며, 이를 기반으로 향후 다기능 메타표면 소자를 광섬유와 집적함으로써 크기와 두께 등이 획기적으로 축소된 다양한 신개념 광부품 개발이 가능할 것이다”라고 언급했다.

한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부가 지원하는 중견연구자지원사업과 교육부가 지원하는 이공분야 대학중점연구소지원사업을 통해 수행되었으며, 연구성과를 인정받아 Wiley에서 발간하는 광학/물리응용 분야의 국제학술지인 레이저포토닉스 리뷰 (Laser & Photonics Reviews, IF=10.655) 온라인판 5월호 표지논문으로 선정되었다.

(참조 : https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/lpor.202170028)

* 용어 설명

- 메타표면(Metasurface): 파장 이하 나노 구조물의 배열로 구성된 기하학적 평면을 지칭함

- 광섬유 메타팁(Fiber Metatip): 통신용 광섬유 케이블의 단면에 메타표면 디바이스가 접목된 구조를 지칭함

[논문 게재 정보]

제목: All-Dielectric Fiber Meta-Tip Enabling Vortex Generation and Beam Collimation for Optical Interconnect

출판정보: 2021년 5월 (volume 15, issue 5)

논문링크: https://doi.org/10.1002/lpor.202000581