과학기술정보통신부는 박홍규 서울대 교수연구팀이 키브샤 호주국립대 교수팀과 공동연구해 고효율·고성능 초소형 나노레이저 기술을 개발했다고 밝혔다.
이번 기술 개발은 과기정통부 기초연구사업(중견연구) 지원으로 이뤄졌으며, 이와 관련된 성과는 국제학술지 ‘네이처 포토닉스’에 현지 시간으로 27일 오후 4시에 게재됐다.
최근 광학 분야는 빛의 특성을 제어하는 방법에 대한 연구가 활발히 이뤄지고 있다. 빛의 각운동량을 조절하면 대용량 광통신 등 여러 분야에 응용할 수 있어 이와 관련된 많은 연구와 빛을 증폭하는 장치인 레이저 개발이 화제다.
기존에는 빛이 각운동량을 갖게 하는 필터와 레이저 장치를 결합하는 방법을 이용했다. 그러나 이 방법은 수십 마이크로미터(㎛) 이상으로 크기가 크고 성능이 낮다는 단점이 제기됐다. 또한 작은 에너지에도 동작하는 초소형 레이저 장치는 성능은 뛰어나지만 각운동량을 가질 수 없기 때문에 다른 접근 방식이 절실했다.
연구팀은 이와 같은 문제를 해결하고자 응집물리학과 광학에서 전자와 빛을 기술하는 계산식이 유사하다는 점을 응용했다. 레이저 빛을 구현하기 위해 필요한 빛을 가두는 장치인 광공진기를 독창적인 방법으로 설계했다.
연구팀이 제작한 인공 결정체에서 원자의 위치에 원자 대신 공기구멍을 넣는 방법을 토대로 ‘디스클리네이션 광공진기’가 탄생했다. 이를 통해 레이저에서 나오는 빛이 시계(또는 반시계)방향으로 돌아가는 소용돌이 나노레이저 구현에 성공했다.
연구팀이 반도체 기판에 새롭게 개발한 광공진기를 제작한 후 레이저 빛을 관측한 결과, 궤도 각운동량을 갖는 소용돌이 레이저 빛이 확인됐다. 연구팀이 개발한 광공진기의 크기는 기존 학계에 보고된 것보다 3.75배 더 작고, 레이저 효율은 24배 증가했다.
박홍규 교수는 “이번 연구는 새로운 레이저 구조인 디스클리네이션 공진기를 개발하고, 초소형 소용돌이 나노레이저를 처음 선보였다는 데 의의를 둘 수 있다. 새로운 나노레이저는 편광 특성까지 원하는 대로 제어할 수 있어 새로운 고집적 광자·양자회로 연구에 큰 가치를 발휘할 것으로 기대된다”고 말했다.
