'빛 사용 설명서'…광통신 전송 효율 향상·손실 감소

차세대 광통신 부품 설계의 새로운 기반이 마련됐다. 광통신 소재 '바륨 타이나테이트(Barium Titanate)' 내부에서 빛이 이동하고, 흡수되는 특성이 규명되면서다. 이를 토대로 정보 전송 효율은 높이면서 빛 손실은 줄이는 광통신 부품 개발이 가능해질 것으로 기대된다.

AI 생성 이미지. KAIST

KAIST는 전기 및 전자공학부 장민석 교수 연구팀이 미국 캘리포니아공과대(Caltech) 해리 앳워터(Harry A. Atwater) 교수 연구팀, 한국표준과학연구원(KRISS), 미국 제이에이 울람(J.A. Woollam)과 바륨 타이타네이트의 굴절률과 빛의 흡수 특성을 규명했다고 8일 밝혔다.

바륨 타이타네이트는 전기를 가했을 때 빛이 통과하는 특성이 달라지는 소재다. 전기광학 효과가 뛰어나 전기 신호를 빛에 실어 보내는 부품인 '광변조기' 등에 활용할 차세대 소재로 주목받는다.

다만 바륨 타이타네이트 내부에는 방향이 서로 다른 작은 결정 영역인 '도메인(domain)'이 섞여 영역마다 방향이 달라진다. 또 빛에 반응하는 방식이 달라 소재 본래의 특성을 정확하게 알기 어렵다.

AI로 만든 연구 성과 요약 자료. KAIST

이를 해소하기 위해 공동연구팀은 빛이 소재를 통과하거나, 반사될 때 진동 방향이 어떻게 바뀌는지 측정하는 '뮬러 행렬 분광 타원법'을 활용했다.

도메인 방향이 비교적 일정한 두 종류의 단결정 시료를 분석해 여러 방향의 반응이 섞이는 영향을 줄이고 소재 고유의 특성을 알아내는 방식이다.

파장에 따라 소재에 다르게 반응하는 빛의 특성을 고려해 분석 범위도 넓혔다. 자외선부터 원적외선에 해당하는 193㎚~40㎛ 영역을 3개 구간으로 나눈 후 구간별 특성에 맞게 분석한 것이다. 이를 통해 공동연구팀은 빛의 파장과 결정 방향에 따른 굴절률과 흡수 특성을 정밀하게 도출했다.

거의 흡수되지 않는 빛의 미세한 손실도 측정했다. 소재를 통과한 빛의 양을 별도로 측정하는 방법을 결합해 2~10㎛ 영역에서 작은 소멸계수까지 정량화했다. 이는 빛을 전달하거나 가두는 부품에서 흡수에 따른 손실을 예측하는 데 활용할 수 있다.

또 도메인별 방향과 비율을 반영해 여러 도메인이 섞인 결정 전체가 빛에 어떻게 반응하는지 계산하는 방법을 함께 제시했다.

(왼쪽부터) KAIST 강지원 박사과정생, 니나 홍(Nina Hong) 박사(제이에이울람), 해리 앳워터(Harry Atwater) 교수(Caltech), KAIST 장민석 교수. KAIST

이번 연구는 바륨 타이타네이트를 활용하는 데 필요한 일종의 '빛 사용 설명서'를 마련했다는 점에서 의미를 갖는다.

광통신 부품을 만들기 전에 크기와 모양에 따라 빛이 어떻게 진행하고, 얼마나 흡수될지를 정확하게 계산해 부품을 만들어 수정하는 과정에서 드는 시간·비용을 줄일 수 있게 했다는 게 주된 성과다.

확보된 데이터는 광통신용 광변조기뿐 아니라 새로운 파장의 빛을 만드는 소자, 빛으로 양자 정보를 다루는 회로 등을 설계하는 데도 활용될 수 있다.

장 교수는 "이번 연구는 바륨 타이타네이트의 빛 반응 특성을 밝혀내 소재의 '빛 사용 설명서'를 마련하는 데 초점이 맞춰졌다"며 "이를 통해 광통신 부품의 빛 손실을 줄이고, 보다 빠른 정보전달이 가능해질 것으로 기대한다"고 말했다.

한편 이번 연구에는 KAIST 전기 및 전자공학부 강지원 박사과정생과 제이에이 울람의 니나 홍(Nina Hong) 박사가 공동 제1 저자, KAIST 장민석 교수와 캘리포니아공과대 해리 앳워터 교수가 교신저자로 참여했다.

연구 결과는 최근 광학 분야 국제학술지 'ACS 포토닉스(ACS Photonics)' 온라인판에 게재됐다.

대전=정일웅 기자 jiw3061@asiae.co.kr