Center for Relativistic Laser Science

국내 연구진이 비선형 산란 매질의 파동 전파 특성을 규명했다. 더 많은 빛을 전송할 수 있는 경로를 찾아냈다는 설명이다. 이번 연구를 통해 확인된 비선형 산란 매질의 특성은 광학 암호화 소자에 활용될 수 있다.

기초과학연구원(IBS)은 최원식 분자 분광학 및 동력학 연구단 연구팀이 KAIST 연구팀과 공동 연구를 통해 비선형 산란 매질의 파동 전파 특성을 규명하고 이를 기반으로 광학 컴퓨터 소자를 구현하는 데 성공했다고 1일 밝혔다. 

  연구팀은 “비선형 산란 매질에서 이차조화파의 전파 특성을 세계 최초로 측정한 것”이라며

“비선형 산란 매질을 통한 정보는 제어할 수 없다는 기존 통념을 깨고 광학 연산자로 활용할 수 있다는 가능성도 제시했다”고 설명했다.

산란 매질은 빛의 경로가 틀어지는 매질이다. 불투명한 유리나 피부 같은 산란 매질은 속을 들여다보기 어렵다. 빛의 경로가 시공간적으로 무작위로 변형되기 때문이다. 산란 매질 내부의 물리학적 현상을 파악하기 위해 현재는 ‘선형 중첩 원리’를 기반으로 입력 정보와 출력 정보의 관계를 선형 행렬로 표현 및 연산한다.

문제는 산란 매질이 입사하는 빛에 대해 비선형 응답을 발생시키면 선형 중첩 원리가 더 이상 적용되지 않는다는 것이다. 또 더 많은 정보를 전달할 수 있는 산란 매질 내부의 숨은 경로를 파악할 수 없다. 선형 행렬로 빛의 전파 특성을 나타낼 수 없기 때문이다. 입‧출력 정보 간의 관계를 실험적으로 측정하는 것 역시 어려워 비선형 산란 매질에서 빛의 전파 특성은 아직 명확하게 알려진 바가 없었다.

연구팀은 비선형 입사된 파동보다 전동수가 두 배 큰 파동인 이차조화파를 생성시키는

나노입자들로 구성된 비선형 산란 매질에서 빛의 전파 특성을 ‘3차 텐서’를 통해 표현할 수 있다는 것을 이론적으로 규명하고 이를 실험적으로 측정하는 데 성공했다. 텐서는 물리량을 설명하는 데 사용되는 수학적 도구다.

비선형 산란매질의 전파 응답 및 측정 시스템. 기초과학연구원 제공

이번 연구에선 비선형 산란 매질을 광학 암호화 소자로 사용할 수 있음을 입증했다. 비선형 산란 매질에 특정 이미지 정보를 입력하면 출력되는 이차조화파 신호는 무작위적인 패턴을 보인다. 일련의 암호화 과정인 셈이다. 반대로 이차조화파를 표현한 3차 텐서를 역으로 연산하면 원래의 입력 정보를 찾아내는 복호화 과정도 가능하다. 선형 산란 매질을 이용한 기존 광학 암호화 방식보다 더 높은 보안성을 가진다는 장점이 있다.