대면적 무식각 리튬니오베이트 메타표면을 이용한 고효율 좁은대역 두배주파수 생성

초록

본 논문은 나노임프린트 리소그래피로 제작한 슬랜트 TiO₂ 그레이팅을 TFLN 위에 형성한 무식각(etchless) 메타표면을 제시한다. quasi‑bound state in the continuum(q‑BIC) 모드를 활용해 870–920 nm 파장대에서 높은 Q‑factor와 0.15 %·cm²/GW의 정규화 SHG 효율을 달성했으며, 낮은 펌프 피크 강도(3.64 kW/cm²)로 연속파에서도 SHG가 가능하도록 설계하였다.

상세 분석

이 연구는 얇은 필름 리튬니오베이트(TFLN)의 고유 비선형성(d₃₃≈29 pm/V)을 유지하면서, 직접 에칭에 의한 결정 결함을 회피하는 ‘etchless’ 접근법을 채택했다. 슬랜트(α = 5°) TiO₂ 나노와이어 그레이팅을 TFLN 위에 1 mm × 1 mm 면적으로 나노임프린트 리소그래피(NIL)로 전사함으로써, 대면적에서도 균일한 구조를 구현하였다. 시뮬레이션에서는 α = 0°일 때 대칭보호 BIC가 형성되고, 슬랜트를 가함으로써 q‑BIC가 유도돼 Q ≈ 10⁵ 수준의 초고품질 인덕션을 제공한다는 점을 확인했다. 특히 TE₁₀·TM₁₀ 모드는 슬랜트 각도에 민감하게 Q가 변하는 반면, TE₂₀·TM₂₀은 비교적 안정적인 LM(Leakage Mode)으로 동작한다. 실험에서는 초단파 펄스(Δλ < 1 nm, Q_laser ≈ 1400–2200)를 이용해 q‑BIC와 레이저 스펙트럼을 정밀 매칭시켰으며, θ ≈ ±0.2°~±1° 범위에서 최적 결합이 이루어져 SHG 강도가 급격히 상승한다. 정규화 SHG 효율 0.15 %·cm²/GW는 현재 보고된 LN 메타표면 중 최고 수준이며, 펌프 피크 강도 3.64 kW/cm²는 연속파 구동을 가능하게 하는 저강도 조건이다. 또한, 입사각을 조절함으로써 870 nm에서 920 nm까지 파장 튜닝이 가능하고, TE와 TM 편광에 따라 d₃₃와 d₃₁/d₂₂ 비선형계수가 선택적으로 활용돼 편광 제어가 구현된다. 이러한 설계는 높은 Q‑factor와 넓은 면적, 그리고 저비용 대량 생산 가능성을 동시에 만족시켜, 온칩 비선형 광소자, 초고감도 센서, THz 발생·검출, 초고속 전기광 변조 등 다양한 응용 분야에 직접적인 파급 효과를 기대한다.