빛을 그 파장과 같은 수준의 작은 부피에 집중시키는 것은 여러 광기술 응용에 핵심적인 과제이다.
최근 네덜란드 AMOLF 연구소, 델프트공과대학교(TU Delft), 그리고 미국 코넬대학교(Cornell University) 공동 연구진이 이 문제에 대한 새로운 해결책을 제시했다. 이들은 특수한 광자 결정(photonic crystal)의 성질을 이용해 더 넓은 파장 범위에서도 작동 가능한 광집중 방식(directional light focusing)을 실험적으로 구현했다.
이번 연구 결과는 2025년 4월 18일(현지시각) 사이언스 어드밴스(Science Advances)에 게재됐다.
빛의 집중은 양자 통신, 광 센서, 칩 내 레이저(on-chip lasers) 등 다양한 광자 칩(photonic chip) 기반 기술에서 중요한 역할을 한다. AMOLF 연구소 그룹 리더 에볼트 베르하겐(Ewold Verhagen)은 지금까지 알려진 두 가지 일반적인 방법을 소개했다. 하나는 광학적 공진(optical resonance)을 활용한 방식이고, 다른 하나는 깔때기처럼 빛을 압축하는 도파관(waveguide)을 이용하는 방식이다.
베르하겐은 공진 기반 방법은 특정 파장에서만 빛을 집중시킬 수 있다는 한계를 갖고 있으며, 도파관 방식은 빛의 파장보다 훨씬 큰 장치에서만 작동 가능하다고 설명했다.
이번 연구는 코넬대 게나디 쉬베츠(Gennady Shvets) 교수가 이끄는 이론팀의 제안에서 출발했다. AMOLF의 박사과정 연구원 다니엘 뮈이스(Daniel Muis)와 동료들은 이 아이디어를 실제로 구현하는 데 성공했다. 핵심은 물리계의 ‘위상학적(topological)’ 성질이다.
뮈이스는 “실리콘 기판에 매우 작은 구멍을 주기적으로 배열한 구조인 광자 결정이 기본적으로는 빛의 전파를 차단한다”고 설명했다. 그러나 이런 결정 두 개를 거울 대칭 구조로 서로 맞붙이면, 그 경계면에 도파관이 형성, 빛이 해당 경로로만 이동하게 된다. 이 경계에서의 빛 전도는 ‘위상적으로 보호(topologically protected)’되며, 결정의 결함에 의한 산란이나 반사가 억제된다는 특징이 있다.
연구진은 이러한 도파관을 빛이 통과할 수 없는 벽으로 급작스럽게 종결시키면 어떤 일이 일어날지를 실험적으로 확인했다. 뮈이스는 빛이 더 이상 갈 곳이 없고 반사도 억제되기 때문에, 빛이 그 끝부분에 모이게 된다고 밝혔다. 이후 빛은 다시 도파관을 따라 반사되지만, 짧은 지연 후에 일어나므로 특정 지점에서 빛장의 국소적 증폭이 발생한다고 설명했다.
이번 실험은 AMOLF 연구 그룹과 TU Delft 코부스 카이퍼스(Kobus Kuipers) 그룹, 코넬대 공동 협력으로 진행되었다. 실리콘 기반의 광자 결정은 AMOLF에서 제작, 뮈이스는 TU Delft에서 극도로 얇은 탐침을 활용한 특수 현미경으로 빛 장을 시각화했다. 이 현미경은 인간 머리카락 두께의 1/1000 크기 수준의 공간에서 광 강도를 측정할 수 있다.
실험 결과, 도파관의 끝단에 특정 각도로 배치된 벽 앞에서 광장이 분명히 증폭되는 현상이 관측되었다. 이는 코넬대 연구진의 이론적 예측과 일치했다. 뮈이스는 이 결과가 “반사 억제 효과가 빛 증폭 현상과 직접적으로 연결되어 있음을 입증한다”고 설명했다. 이 방식은 빛의 파장만큼 작은 부피에 집중된 증폭을 유도하며, 여러 파장에서 동시에 작동하는 광대역성(broadband) 을 지닌다는 점에서 기존 기술 대비 큰 장점을 가진다.
이번 논문의 공동 제1저자 뮈이스와 코넬대 리얀동(Yandong Li)은 이 연구를 향후 광 칩 내 광 증폭 응용 또는 다른 형태의 파동(음파, 전자파 등) 조절 연구의 출발점으로 삼을 수 있다고 밝혔다.
