국가연구개발성과

연구보고서
2차원 물질에서 비선형 현상의 증대를 위한 광결정구조의 BIC모드에 대한 연구 (Study on bound states in the continuum of photonic crystal slab for enhancement of nonlinear effect from 2D materials)

상세데이터 조회
등록번호 TRKO202500002194 발행년월 2024-06
발행기관명 광주과학기술원 발행국가/사용언어 대한민국 /국문
발주기관 한국연구재단 과제관리(전문)기관 한국연구재단
키워드 광결정;연속준위 속박상태;비선형광학;2차원물질;조화파발생;
Photonic crystals;Bound state in the continuum;Nonlinear optics;2D materials;Harmonic generation;
초록
□ 연구개발 목표 및 내용
○ 최종 목표
기존의 비선형물질들에 비해 매우 큰 비선형 광학 감수율 갖는 2차원물질들의 여러 비선형 주파수 변환현상들을 극대화하기 위해 BIC에 바탕을 둔 다중공진 모드를 갖는 최적화된 광결정 구조들을 설계하며 실제 다양한 주파수변환 현상들을 전산모사하고 분석한다.

○ 전체 내용
이를 위해 연구에서 선택한 2차원 물질들은 WS2 와 그래핀이다. WS2 큰 값의 2차 비선형 감수율을 갖고 있어 2차 조화파 발생(SHG), 합주파수(SFG) 및 차이주파수(DFG) 변환에 적합한 물질이다. 그래핀은 2차 비선형감수율이 존재하지 않으며 3차 비선형감수율을 가지고 있어 3차조화파발생(THG) 및 4광자 혼합(FWM)현상에 적합하다.
공명모드를 이용하여 그래핀과 WS2의 비선형 현상을 극대화할 수 있는 광결정을 설계하고 밴드구조 및 모드특성들을 분석하며 2차, 3차 비선형 감수율과 관련된 비선형 현상들을 전산모사 하여 최적화된 설계변수 도출하였다.

○ 1단계
● 목표
■1차년도: 2차원 물질의 2차조화파와 3차조화파의 증대할 수 있는 광결정을 설계하고 밴드구조 및 모드특성들을 분석하며 조화파 발생을 전산모사하여 최적화된 설계변수 도출.
■2차년도: 광결정의 삼중 공명모드를 이용한 2차원 물질의 SFG와 DFG를 증대할 수 있는 광결정을 설계하고 밴드구조 및 모드특성들을 분석하며 주파수 발생을 전산모사하여 최적화된 설계변수를 도출.
■3차년도: 2차원 물질의 Four Wave Mixing(FWM)현상을 증대할 수 있는 광결정을 설계하고 밴드구조 및 모드특성들을 분석하며 주파수 발생을 전산모사하여 최적화된 설계변수 도출.
● 내용
▶ 각 비선형현상에 적절한 공진이 가능한 광결정을 설계하며 광결정의 모드특성들을 FEM 전산모사를 통해 분석하며 각 비선형현상에 최적화된 설계변수를 도출함.
▶ 2차원 물질과 광결정구조가 조합되었을 때 공진모드들과 2차원 물질간의 비선형 상호작용 연구: FEM 전산모사를 통해 광결정에 입사각을 변화시키며 입사파 주파수의 흡수 스펙트럼 및 비선형 출력의 파워 스펙트럼을 분석하고 주파수변환효율 및 편광, 원거리장 패턴등의 출력특성을 분석.

□ 연구개발성과
광결정의 광결정의 다양한 공명현상들(BIC, quasi BIC, fano resonance)을 이용하여 입력된 빛의 주파수 뿐만 아니라 비선형현상에 의해 발생된는 빛의 주파수도 광결정의 공명주파수와 일치시켜 그 상호작용을 102 ~ 104 만큼 극대화시켰다. 이 과정에서 비선형현상과 관련된 광결정의 설계규칙을 세울 수 있었으며 이차원물질들의 광학적 특성들을 모델링을 하여 전산모사 할 수 있었다.

□ 연구개발성과 활용계획 및 기대 효과
이 연구에서 구현한 비선형 현상의 전산모사 방법들은 메타물질과 빛과 물질의 상호작용연구에도 확장이 가능하기 때문에 빛과 물질과의 상호작용을 다루는 분야에의 응용에 매우 유용할 것으로 보인다. 또한 이 연구를 통해서 얻어진 광결정과 2차원 물질들의 비선형효과의 증대에 대한 이론적 결과가 실험그룹에 의해 실제로 구현된다면, 이는 비선형 분광학, 주파수 변환, 바오센싱, 양자광원등의 응용에 활용될 것으로 기대된다. 더 나아가, direct 밴드갭을 갖는 2차원 반도체 물질들은 레이저나 단일 광자광원에 응용이 가능하므로 이 연구에서 제안한 광결정의 BIC모드를 이용한 다중공진 개념을 이용하면 레이저 발진 및 단일광자방출 연구에도 도움이 될 것이다.

(출처 : 요약문 2p)

NTIS에서 제공하는 본 정보는 국가연구개발사업 수행을 통해 발생한 연구보고서를 과제관리(전문)기관을 통해 연구성과 전담기관(KISTI)에 등록된 정보를 제공하고 있으며, 연구보고서 정보 공개/비공개 여부, 연구보고서 원문 활용 여부 등은 해당 과제관리(전문)기관에 문의하시기 바랍니다.