초저전력 극미세 나노레이저 개발
초저전력 극미세 나노레이저 개발
  • 문채영 기자
  • 승인 2021.08.09 17:31
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작은 공간에 빛 집속시키는 위상전하 병합 현상 구현, 레이저 소모전력 극소화
기사와 직접적 관련 없는 이미지 Ⓒgettyimagesbank 

작은 공간에 빛을 강하게 집속, 최소전력으로 구동할 수 있는 극미세 나노레이저가 소개됐다.

 

그간 나노레이저의 상용화를 위해서는 상온에서의 안정적 동작뿐 아니라 레이저 소자의 소형화가 꼭 필요했다. 그러나 소자가 작아지면서 생기는 품위값 감소는 레이저 성능 저하를 항상 유발해왔다.

이에 광학 분야에서는 레이저 공진기에서 외부로 새어나가는 빛의 손실을 최소화하고 높은 품위값을 유도하기 위한 노력이 계속되어 왔다. 최근에는 BIC라는 새로운 물리현상을 이용해 공진기의 에너지 손실을 제어하는 방법이 주목받고 있다.

BIC는 이론상 품위값이 무한대임에도 불구하고 실제 소자로 구현할 때 나타나는 구조의 크기 제한 때문에 실험 품위값이 크게 감소하는 단점이 있다. 따라서 작은 레이저 공진기에서도 높은 품위값을 갖는 BIC 모드를 연구하고, 이를 이용한 새로운 레이저 소자를 개발할 필요가 있다.

 

이에 박홍규 교수(고려대학교) 연구팀이 키브샤 교수(호주국립대)와 공동연구로 새로운 공진(共振) 현상을 발견하고, 이를 이용해 기존보다 천만 배 낮은 에너지로 발진시킬 수 있는 초저전력 나노레이저를 설계했다.

 

레이저가 소형화되면 부품인 공진기도 작아지는데, 작은 공진기에 빛을 얼마나 잘 집속시키는 지가 레이저의 성능을 좌우한다빛을 원하는 때 강하게 증폭시킬 수 있도록 주변 공간과 상호 작용하지 않는 에너지 상태(BIC)의 전하를 이용해 빛을 가두는 방법이 고려되고 있다하지만 공진기가 작아지면 빛을 효과적으로 가둘 수 없기에 이 에너지 상태를 이용한 물리현상이 소용이 없었다.

 

이에 연구팀은 동작 조건이 까다롭고 소형화에 한계가 있는 기존 방법 대신 여러 BIC를 동시에 결합한슈퍼 BIC’를 고안했다.

주변과 상호작용하지 않는 전하 둘을 병합하여 한 점에 모은 것이다. 빛이 빠져나갈 가능성 자체를 차단하되 병합을 통해 작은 크기에서도 빛이 새어나가는 것을 막을 수 있도록 했다.

 

■ 슈퍼 BIC’에서 BIC 모드의 병합 과정■ 위상 공간에서 위상 전하가 병합되는 과정의 모식도. 병합되기 전(왼쪽), 병합 직전(가운데), 병합 직후(오른쪽)를 보여준다. 병합 직전과 직후에서 ‘슈퍼 BIC’가 나타난다. [그림 및 그림설명 제공 : 고려대학교 박홍규 교수]
■ 슈퍼 BIC’에서 BIC 모드의 병합 과정■
위상 공간에서 위상 전하가 병합되는 과정의 모식도. 병합되기 전(왼쪽), 병합 직전(가운데), 병합 직후(오른쪽)를 보여준다. 병합 직전과 직후에서 ‘슈퍼 BIC’가 나타난다. [그림 및 그림설명 제공 : 고려대학교 박홍규 교수]

연구진은 기판에 사각격자 구조를 만들고 격자구멍 간격을 1nm 수준으로 미세하게 조정하면서슈퍼 BIC’레이저를 실험적으로 구현하는 데 성공했다.

간격이 574nm일 때 서로 다른 BIC가 병합되며슈퍼 BIC’레이저가 형성되는 것을 확인했다. 레이저 소자 디자인의 새로운 패러다임으로서 BIC 병합이라는 방법을 제안한 것이다.

 

■ 제작된 레이저 구조 ■
제작된 ‘슈퍼 BIC’ 레이저 구조의 전자현미경 사진. 구멍 사이의 간격이 574 nm 이상일 때 ‘슈퍼 BIC’ 레이저가 나타난다. [그림 및 그림설명 제공 : 고려대학교 박홍규 교수]

이렇게 만들어진 레이저는 발진에 필요한 에너지인 문턱값이 기존 나노레이저보다 천만 배까지 낮아졌다. 소모전력을 크게 낮출 수 있게 되는 셈이다. 이는 향후 광집적회로의 우수한 광원으로 사용될 수 있는 작은 크기의 고효율 나노레이저를 개발했다는데 큰 의의를 둘 수 있는 점이다.

연구팀은 격자 간격을 보다 유연하고 정밀하게 조절할 수 있는 신축성 있는 소자를 이용한 후속연구를 지속할 계획이다.

 

초소형 나노레이저의 효율 저하 문제를 극복할 실마리가 될 이번 성과는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견 연구사업의 지원으로 수행되었으며 국제학술지네이처 커뮤니 케이션즈(Nature Communications)’202175일 게재 되었다.

 

 


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