레이저 가공 기하학적 위상 홀로그램을 이용한 초소형 다면광 변환기

초록

본 논문은 펨토초 레이저 직조법으로 유리 내부에 기하학적 위상(베리-버리) 홀로그램을 형성해, 0.8 mm³ 이하 부피의 전단형 다면광 변환기(MPLC)를 구현한 연구이다. 3·10 모드의 헤르미트-가우시안(HG) 모드 정렬기를 제작·시험하며, 제작 공정상의 도전과 향후 개선 방안을 제시한다.

상세 분석

다면광 변환기(MPLC)는 입력 광모드 집합을 원하는 출력 모드 집합으로 변환하는 3차원 위상 설계 장치로, 전통적으로 자유공간을 사이에 두고 여러 개의 디퓨전(phase) 플레인을 배열한다. 본 연구는 이러한 구조를 하나의 유리 칩 안에 다중 레이어 형태로 구현함으로써, 정렬·조립 공정 없이 완전한 모노리식 소자를 얻는 새로운 접근법을 제시한다. 핵심 기술은 펨토초 레이저에 의해 유리 내부에 형성되는 이방성 나노그레이팅(바이레프링)이다. 레이저 편광 방향을 회전시켜 나노그레이팅의 빠른 축(fast‑axis) 방향을 정밀하게 제어하면, 각 픽셀은 공간적으로 변하는 베리-버리 위상을 부여하는 반파장판(half‑wave plate) 역할을 한다. 원형 편광광이 통과할 때 위상이 2ϕ(ϕ는 빠른 축 각도)만큼 변하고 편광 handedness가 뒤바뀌는 원리를 이용해, 원하는 위상 맵을 직접 ‘쓰기’가 가능해진다.

제작 과정에서는 2 µm 픽셀 피치를 갖는 1 mm² 면적의 기하학적 위상 홀로그램을 4단계(또는 6단계) 위상 레벨로 양자화하였다. 각 플레인은 44 µm 간격으로 두 겹의 나노그레이팅을 적층해 반파장판 효과를 강화했으며, 플레인 간 거리 2 mm, 전체 부피 <0.8 mm³ 로 매우 컴팩트하게 설계되었다. 설계 단계에서는 스칼라 회절 이론과 각 스펙트럼(angular spectrum) 전파 모델을 이용해 역설계(inverse design) 최적화를 수행했으며, 목표는 입력 HG 모드와 목표 출력 포인트 간의 겹침(overlap)을 최대화하는 것이었다.

실험에서는 외부 SLM을 이용해 고품질 HG₀₀~HG₁₂ 모드를 생성하고, 제작된 MPLC에 투입하였다. 3‑mode 정렬기에서는 평균 대각선 결합 효율이 0.2(실험) 대비 0.98(시뮬) 수준으로, 오프다이애고널(crosstalk) 비율이 다소 높았다. 10‑mode 정렬기에서는 고차 모드일수록 입력 생성 오차와 제작 오차가 누적돼 평균 오프다이애고널이 0.58에 달했으며, 특히 HG₀₂‑HG₀₃, HG₁₁‑HG₁₂ 사이에 눈에 띄는 교차가 관찰되었다. 이는 (i) 고차 모드의 전형성 유지가 어려움, (ii) 나노그레이팅 각도 제어의 미세 오차, (iii) 0차 회절(undiffracted zero‑order) 에너지 손실(≈13 %) 등 복합적인 원인으로 분석된다.

논문은 향후 개선 방안으로(1) 나노그레이팅 깊이와 간격 최적화, (2) 위상 레벨 양자화 수 증가, (3) 플레인 간 거리 및 선형 기울기 보정, (4) 레이저 파워와 펄스 폭 조절을 통한 효율 향상을 제시한다. 또한, 현재 2‑플레인 구조에서 10‑mode 정렬을 구현했지만, 복잡도가 증가할수록 플레인 수를 늘려야 한다는 점을 강조한다. 이러한 연구는 광통신·양자 정보·광학 컴퓨팅 등에서 다중 모드 제어가 요구되는 분야에, 소형·내구성·대량 생산이 가능한 새로운 플랫폼을 제공한다는 점에서 큰 의미를 가진다.