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

 

에너지 손실이나 발열 문제에서 자유로운 초소형 광원으로서 나노 레이저를 이용한 광소자 상용화를 앞당길 단초가 될 것으로 기대 된다.

 

한국연구재단은 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 설계했다고 밝혔다.

 

레이저가 소형화되면 부품인 공진기도 작아지는데, 작은 공진기에 빛을 얼마나 잘 집속시키는 지가 레이저의 성능을 좌우한다.

 

빛을 원하는 때 강하게 증폭시킬 수 있도록 주변 공간과 상호 작용하지 않는 에너지 상태(BIC)의 전하를 이용해 빛을 가두는 방법이 고려되고 있다.

 

BIC(Bound states in the continuum)는 연속 스펙트럼 공간과 상호작용하지 않는 에너지 상태로, 에너지의 품위값이 무한대로 발산하는 특징이 있다.

 

하지만 공진기가 작아지면 빛을 효과적으로 가둘 수 없기에 이 에너지 상태를 이용한 물리현상이 소용이 없었다.

 

이에 연구팀은 동작조건이 까다롭고 소형화에 한계가 있는 기존 방법 대신 여러 BIC를 동시에 결합한‘슈퍼 BIC’를 고안했다.

 

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

 

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

 

간격이 574nm일 때 서로 다른 BIC가 병합되며‘슈퍼 BIC’레이저가 형성되는 것을 확인했다. 레이저 소자 디자인의 새로운 패러다임 으로서 BIC 병합이라는 방법을 제안한 것이다.

 

이렇게 만들어진 레이저는 발진에 필요한 에너지인 문턱값이 기존 나노레이저에 비해 천 만 배까지 낮아졌다. 소모전력을 크게 낮출 수 있게 되는 셈이다.

 

구조가 작아지거나 결함이 생기더라도 병합에는 영향이 없어 유연한 빛 구속방법으로 활용될 수 있을 것으로 내다보고 있다.

 

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

 

초소형 나노레이저의 효율저하 문제를 극복할 실마리가 될 이번 성과는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견 연구사업의 지원으로 수행되었으며 국제학술지‘네이처 커뮤니 케이션즈(Nature Communications)’에 2021년 7월 5일 게재 되었다.

 

다음은 연구 과정에 대한 박홍규 교수와의 문답이다.

 

-연구를 시작한 계기나 배경은?

 

본 연구실은 중견연구지원사업 과제를 진행하면서 위상 상태의 다양한 나노광소자들을 연구하고 있다. 최근 광학 분야에서 가장 큰 이슈는 외부로 새어나가는 빛의 손실을 완벽히 제어할 수 있는 새로운 방법을 찾는 것이다. 특히 BIC의 위상 상태를 도입하여 독특한 나노구조에서 에너지 손실이 0이 되도록 만드는 연구가 활발히 이루어지고 있는데, 기존의 BIC는 이론상 무한대 크기의 구조에서 무한대의 품위값이 나타나지만, 실제로 유한한 크기의 레이저 소자를 만들게 되면 BIC의 특성이 잘 보이지 않는다는 문제가 있었다. 레이저의 크기를 획기적으로 줄이고 작은 공간 안에 레이저 빛을 강하게 속박시키기 위해서는 일반적인 BIC가 아닌 다른 형태의 위상 상태를 연구할 필요가 있었다.

 

-연구 전개 과정에 대한 소개

 

우선 2차원 사각 격자의 나노구조를 이론적으로 분석하여 위상 공간에서 존재하는 여러 개의 BIC 위상 전하를 서로 결합하였다. 이때 새로운 위상 상태인 ‘슈퍼 BIC’가 나타남을 이론적으로 예측했다. 실험을 위해 InGaAsP 다중양자우물 광이득 물질이 있는 반도체 기판에 2차원 나노 구조를 제작했다. 광펌핑을 통해 두 종류의 BIC 레이저가 발진함을 확인했고, 이들이 병합될 수 있는 특별한 조건을 찾아서 ‘슈퍼 BIC’ 레이저가 실제로 나타남을 규명했다. 레이저 크기가 작더라도 레이저의 문턱값이 매우 낮음을 실험적으로 확인했다.

 

-연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소는 무엇인지? 어떻게 극복(해결)하였는지?

 

방출되는 레이저의 특성을 정확히 규명하기 위해서는 정확한 구조 파라미터로 샘플을 제작해야 했다. 특히, 일반 BIC와 ‘슈퍼 BIC’는 격자 상수 조건이 수 nm 정도 밖에 차이가 나지 않아서, 매우 정확한 샘플 공정 방법이 필요했다. 또한, 실험적으로 ‘슈퍼 BIC’ 레이저를 규명하기 위해 체계적인 광학 실험을 진행해야 했는데, 레이저의 먼장 이미지, 레이저 문턱값, 실험 품위값 등을 수 백개의 샘플에 대해서 정밀히 측정할 필요가 있었다.

 

-이번 성과, 무엇이 다른가?

 

‘슈퍼 BIC’ 레이저는 위상 공간에서 위상 전하들의 위치를 조절하며 고안된, 기존에는 없었던 새로운 레이저이다. 작은 크기와 높은 품위값을 동시에 얻을 수 있는 최초의 위상상태 레이저이다. 본 연구에서 개발된 ‘슈퍼 BIC’ 레이저는 문턱값이 1.47 kW/cm2 인데, 이는 이전에 보고된 BIC 레이저와 비교해서 천 만 배까지 작아진 결과이다. 실험 품위값 또한 ‘슈퍼 BIC’ 조건에 다다를 때 7300 이상의 큰 값으로 증가하는 것을 확인했다.