▲고밀도 양자점으로부터 고성능의 맞춤형 양자광원을 대면적 웨이퍼에 다량 제작하는 모식도. 우선, 고밀도 양자점 시료에 대하여 집속이온빔을 이용한 선택적 나노 소광 기술을 적용하여 단일 양자점 양자광원 배열 구조를 형성한다. 이렇게 형성된 각각의 단일 양자점의 광특성에 맞추어 원형공진기와 같은 광학구조를 맞춤형으로 제작하여 각각의 양자점과 결합한다. 이러한 방식을 이용하면 양자점 특성에 맞는 광학구조와 결합된 맞춤형 고성능 양자광원을 다량 제작할 수 있게 된다.

양자정보통신 기술에 필수적인 고성능의 양자광원을 구현하기 위한 플랫폼으로 액시톤 기반의 반도체 양자점이 주목 받고 있다. 이는 양자점을 이용하면 빛의 최소 알갱이인 광자를 정확히 원하는 시점에 하나씩 발생하는 단일광자 발생기를 만들 수 있기 때문이다. 다만, 양자점과 광학적 특성이 꼭 들어맞는 공진기와 같은 광학구조를 정밀하게 설계하고 결합해야만 발광 성능이 우수한 단일광자 발생기와 같은 양자광원을 만들 수 있다.

고품위의 양자점을 형성하기 위하여 기판과의 응력을 이용한 Stranski–Krastanov 모드의 양자점 성장 방법을 주로 사용하여 왔는데, 일반적으로 양자점의 밀도가 높기 때문에 개개의 단일 양자점에서 나오는 신호만을 검출하기에 어려움이 있었다. 이를 극복하기 위해 부분적으로 시료 표면을 마스크로 가리거나 식각을 하기도 하지만, 이렇게 시료 표면이 바뀌게 되면 원하는 공진기 구조를 형성하기 어렵게 된다.

KAIST 조용훈 교수, ETRI 고영호 박사, KIST 송진동 박사 공동연구팀은 고성능의 단일 양자점 양자광원을 고밀도 양자점 기판 위에서 식각과 같은 파괴적인 공정 과정 없이 맞춤형으로 다량 만들 수 있는 원천 기술을 개발했다. 우선 고밀도 양자점 중에서 단 하나의 양자점을 선별해 내는 비파괴적인 선택 방법을 고안하고, 이렇게 선택된 양자점의 광학적 특성을 분석하여 그 특성과 꼭 들어맞는 맞춤형 공진기를 양자점 위치에 맞추어 제작하는 방식으로 접근했다.

KAIST 조용훈 교수 연구팀은 최근 개발한 집속이온빔을 이용한 초정밀 나노 소광 기법을 고밀도 양자점에 적용하였는데, 이는 집속 이온빔을 약하게 조사하면 시료가 깎여 나가지 않지만 이온빔을 맞은 부분에는 빛을 내지 못하게 되는 ‘소광(quenching)’이 일어나는 현상을 이용한 것이다[ACS Nano 15, 11317 (2021)].

집속이온빔 기술은 초고배율 이미징, 나노 구조 제작 및 박막 적층 등에 널리 쓰여 왔다. 그러나, 이온 빔을 맞은 부분은 광소자의 발광을 억제하기 때문에 광전자 소자를 제작하는 데에 장벽으로 작용되어 왔다. KAIST 연구팀은 이러한 문제들을 역발상으로 적용하여 원하지 않는 주변의 광신호를 제거하는 데 활용할 수 있다는 점에 착안했다.

최근에는 집속 이온 빔을 맞은 부분은 발광을 억제할 뿐만 아니라 저항도 크게 증가하는 점을 확인하였는데, 이를 LED 웨이퍼 위에 적용하면 이온 빔을 맞지 않은 부분이 물리적으로 분리되어 있지 않음에도 전기적 및 광학적으로 개별작동을 할 수 있는 초고해상도 LED 디스플레이의 픽셀화 기술로 사용할 수 있음을 보인 바 있다[Advanced Materials 35, 2206945 (2023)].

이러한 경험을 바탕으로, 본 연구에서는 고밀도 양자점 시료 위에 집속 이온빔을 도넛 패턴으로 조사하면 이온빔을 맞은 도넛 패턴 위의 양자점들은 소광되는 것을 확인하였는데, 도넛 패턴의 안쪽 지름을 더욱 줄여가면서 최종적으로 정중앙에 있는 단일 양자점에서만 선명한 빛을 내도록 조절하는 데 성공하였다.

이렇게 의도한 위치에 남겨진 단일 양자점의 광특성을 조사한 후에 그 특성에 꼭 맞게 설계한 공진기 구조를 양자점 위치에 정확히 맞추어 제작함으로써 단일 광자의 방출효율을 훨씬 높이고 빛의 방향성을 제어할 수 있었다.

이는 초정밀 나노 소광 기술이 식각을 하지 않는 비파괴적인 방식이기에 시료 전체의 표면 상태를 그대로 유지할 수 있고, 맞춤형으로 설계된 공진기 구조를 표면 위에 직접 형성할 수 있었기에 가능한 일이었다.

본 연구 결과는 기존에 단광자 순도가 낮거나 밀도를 조절하기 어려워 외면받던 고밀도 양자점 시료들에 대해서 고성능 양자광원을 맞춤형으로 구현할 수 있는 새로운 방법을 제시하고 있으며, 원하는 위치에 단일 양자점을 반복적으로 구현할 수 있기 때문에 대규모 양자 광학 플랫폼의 개발에 핵심적인 원천 기술이 될 것으로 기대된다.

▲ 비선형 산란매질에서 빛의 산란 전파 모식도, 비선형 산란매질의 빛의 전파특성을 3차 텐서로 설명할 수 있음을 밝혀냈다.

일반적으로 간유리, 피부와 같은 복잡한 산란매질은 빛의 전파를 시공간적으로 무작위하게 만들어 광학 요소로 활용할 수 없다고 여겨져 왔다. 하지만 15년 전부터 이뤄진 많은 연구들에 의해서 이와 같은 복잡 산란 매질을 광학 연산자로 활용할 수 있으며 이를 통해 간유리 뒤에 있는 물체를 재구성하여 본다거나, 피부 속에 에너지를 많이 보낼 수 있음이 알려졌다. 이런 일들이 가능한 이유 중 하나는 산란매질에서의 빛의 전파 특성이 선형행렬로 나타낼 수 있기 때문이다. 수많은 입출력 채널 간의 빛의 응답 관계를 행렬을 통해 정의해놓으면 어떤 빛의 정보가 산란매질에 의해 왜곡되어 들어와도 어떤 입출력 경로를 통해 들어왔는지 알 수 있으므로 정보를 복원할 수 있다. 반대로 어떤 입출력 경로를 통해 빛을 보내면 빛을 더 많이, 혹은 원하는 곳에 빛을 집속시켜 보낼 수 있는지도 알 수 있다. 하지만 이와 같은 산란매질이 그냥 빛을 산란시키는 것뿐만 아니라 빛의 주파수와 위상을 변조시키는 비선형 응답을 보일 때는 앞서 설명한 것과 같이 빛의 전파 특성을 선형 행렬로 나타낼 수 없다. 선형 중첩 원리가 깨지기 때문이다. 또한 수많은 입출력 채널 간의 관계를 실험적으로 측정한다는 것 자체가 어렵기 때문에 이와 같은 연구는 미지의 영역으로 남아 있었다.

저자들은 해당 논문에서 이차조화파(SHG) 비선형 산란매질에서의 빛의 전파특성을 2차 행렬이 아닌 3차 텐서를 통해 정의할 수 있음을 밝히고 실험적으로 측정하는 데 성공하였다. 연구에서 사용한 티탄산바륨 나노파티클로 만들어진 산란매질은 매질 내에서 비선형 SHG 생성 및 선형 산란을 일으킨다. 이때 빛의 출력 응답은 비선형 SHG 생성과정으로 인해 입력 전기장의 제곱에 관련되게 되는데, 이 제곱에 의해 선형 중첩원리가 깨지게 된다. 예를 들어 두 개의 입력채널이 동시에 들어오는 경우, (a+b)² = a²+2ab+b²가 되어 2ab라는 교차항이 발생하기 때문이다. 저자들은 이 교차항을 포함하는 3차 텐서의 이론적인 틀을 제시하였고, 이를 실험으로 측정하였다. 구체적인 측정 방식은 두 개의 입력채널이 동시에 활성화되었을 때와 각 채널이 별도로 활성화되었을 때 생성된 출력 전기장 간의 차이로부터 교차항을 구하는 것이다. 49개의 입력채널이 있는 경우에도 두 개의 독립적인 입력 채널 조합의 개수, 즉 교차항의 개수는 1176개에 달했다. 비선형 산란매질 텐서는 이러한 교차항을 통해 선형 산란매질의 행렬보다 더 많은 독립적인 출력 정보를 생성한다.

비선형 산란매질 텐서의 이러한 장점을 이용하여 더 확장성이 높은 광학 암호화와 광학 논리 회로를 구현하였다. 비선형 산란매질에 특정 빛의 이미지 정보를 보내면 출력되는 SHG 신호는 무작위적인 패턴을 보인다. 이 과정은 광 암호화 과정으로 볼 수 있다. 반대로 측정된 텐서의 역연산을 통해 원래의 입력 정보를 찾아낼 수도 있는데, 이를 복호화 과정이라 할 수 있다. 독립적인 출력 정보의 개수와 SHG 암호화의 특성으로 비선형 광암호화 방식은 기존의 선형 산란매질을 이용한 광 암호화보다 더 높은 보안성을 가질 수 있다.

또한 저자들은 디지털 위상 공액법을 교차항에만 걸어주는 방법으로 두 입력채널이 동시에 켜질 때만 동작하는 AND 게이트를 광학적으로 구현하였다. 이렇게 광 암호화와 광 논리회로를 활용하면 복수의 병렬 입력 채널에서 빛의 속도로 프로세스를 수행할 수 있다는 이점이 있다. 이번 연구는 광컴퓨팅 분야에 유용하게 쓰일 수 있는 가능성을 제시하고 있으며, 후속 연구를 통해 기계 학습 분야에서 비선형 산란매질 연구를 접목할 수 있을지 연구할 예정이다.