초저전력 극미세 나노레이저 개발

작은 공간에 빛을 강하게 집속, 최소전력으로 구동할 수 있는 극미세 나노레이저가 소개됐습니다. 에너지 손실이나 발열 문제에서 자유로운 초소형 광원으로서 나노 레이저를 이용한 광소자 상용화를 앞당길 단초가 될 것으로 기대 된다고 합니다.

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

^{* BIC(Bound states in the continuum) : 연속 스펙트럼 공간과 상호작용하지 않는 에너지 상태. 에너지의 품위값이 무한대로 발산하는 특징이 있다.}

이에 연구팀은 동작조건이 까다롭고 소형화에 한계가 있는 기존 방법 대신 여러 BIC를 동시에 결합한‘슈퍼 BIC’를 고안했습니다. 주변과 상호작용하지 않는 전하 둘을 병합하여 한 점에 모은 것 인데요. 빛이 빠져나갈 가능성 자체를 차단하되 병합을 통해 작은 크기에서도 빛이 새어나가는 것을 막을 수 있도록 했습니다.

‘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 조정하면서‘슈퍼 BIC’레이저를 실험적으로 구현하는 데 성공했습니다. 간격이 574nm일 때 서로 다른 BIC가 병합되며‘슈퍼 BIC’레이저가 형성되는 것을 확인했습니다. 레이저 소자 디자인의 새로운 패러다임 으로서 BIC 병합이라는 방법을 제안한 것입니다. 이렇게 만들어진 레이저는 발진에 필요한 에너지인 문턱값이 기존 나노레이저에 비해 천 만 배까지 낮아졌습니다. 소모전력을 크게 낮출 수 있게 되는 셈이죠. 구조가 작아지거나 결함이 생기더라도 병합에는 영향이 없어 유연한 빛 구속방법으로 활용될 수 있을 것으로 내다보고 있습니다.

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

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

논문명 : Ultralow-threshold laser using super-bound states in the continuum

#주요내용 설명

1. 연구의 필요성

노레이저의 상용화를 위해서는 상온에서의 안정적 동작 뿐 아니라 레이저 소자의 소형화가 꼭 필요하다. 하지만 소자가 작아지면서 생기는 품위값 감소는 레이저 성능 저하를 항상 유발하였다.

^{※품위값(quality factor) : 빛이 공진기 안에 얼마나 강하게 구속되는지를 나타내는 수치. 품위값이 클수록 빛이 공진기에서 잘 새어나가지 않음을 의미한다.}

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.

^{※BIC(Bound states in the continuum) : 연속 스펙트럼 공간과 상호작용하지 않는 에너지 상태. 에너지의 품위값이 무한대로 발산하는 특징이 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.

2. 연구내용

본 연구에서는 ‘슈퍼 BIC’를 이용한 새로운 나노레이저를 실험적 으로 최초로 구현했다. ‘슈퍼 BIC’레이저는 작은 공진기 크기에도 불구하고 매우 낮은 레이저 문턱값을 보인다.

^{※문턱값 : 레이저가 발진할 수 있도록 외부에서 입력하는 에너지의 양.}

기존에 존재하던 BIC들을 서로 결합함으로써 새로운 BIC를 만들 수 있는데, 이때 나타나는 BIC가 바로 ‘슈퍼 BIC’이다. 이론적으로 위상 공간에서의 위상전하(topological charge)를 분석함으로써 ‘슈퍼 BIC’의 독특한 특성을 확인할 수 있다. ‘슈퍼 BIC’는 구조적 결함이 발생해도 빛의 손실이 발생하지 않으며, 공진기의 크기가 작아져도 높은 품위값을 유지할 수 있다.
연구팀은 InGaAsP 반도체 기판에 사각 격자의 나노구조를 제작했다. 격자 상수를 1 nm 간격으로 아주 세밀하게 제어하면서 ‘슈퍼 BIC’ 를 발견했다. 또한 체계적인 광학실험을 통해 ‘슈퍼 BIC’레이저의 독특한 특성을 측정했다. 특히 ‘슈퍼 BIC’레이저에서는 먼장 (far-field)의 수직성이 크게 증가했고, 문턱값은 1.47 kW/cm² 으로 매우 줄었으며, 실험 품위값은 약 7300 이상의 큰 값으로 측정되었다.

3. 기대효과

기존의 BIC 레이저들은 품위값을 높이기 위해 레이저 구조의 크기를 매우 크게 만들어야 하지만, 본 연구에서 구현한 ‘슈퍼 BIC’레이저는 기존 BIC 레이저들보다 품위값은 크면서 구조의 크기는 훨씬 작다. 특히, 기존의 나노레이저에 비해 ‘슈퍼 BIC’ 레이저의 문턱값은 천 만 배까지도 낮아짐을 확인했다.
‘슈퍼 BIC’레이저는 위상 공간에서 공진 모드들을 제어하고 병합시키는 새로운 방법을 통해 고안되었다. 본 연구는 레이저 소자를 디자인하는 새로운 패러다임을 제시했을 뿐 아니라, 향후 광집적회로의 우수한 광원으로 사용될 수 있는 작은 크기의 고효율 나노레이저를 개발했다는데 큰 의의가 있다.

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