초저전력 극미세 나노레이저 개발
작은 공간에 빛 집속시키는 위상전하 병합 현상 구현, 레이저 소모전력 극소화
□ 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.
□ 한국연구재단(이사장 노정혜)은 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) : 연속 스펙트럼 공간과 상호작용하지 않는 에너지 상태. 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.
