초저전력 극미세 나노레이저 개발-작은 공간에 빛 집속시키는 위상전하 병합 현상 구현, 레이저 소모전력 극소화

초저전력 극미세 나노레이저 개발-작은 공간에 빛 집속시키는 위상전하 병합 현상 구현, 레이저 소모전력 극소화

 

등록일2021.07.14

 

 

 

   

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. 

 

주요내용 설명

 

  <작성 : 고려대학교 박홍규 교수>

 

논문명

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

저널명 

Nature Communications

키워드 

Bound states in the continuum (연속스펙트럼 속 속박 상태), Topological charge (위상 전하), Nanolaser (나노레이저), Laser threshold (레이저 문턱값)

DOI

10.1038/s41467-021-24502-0

저  자

황민수 박사(1저자/고려대학교), 이후철 석박사통합과정생(공동 1저자/고려대학교), 김경호 교수(공동 1저자/충북대학교), 정광용 박사(공동저자/고려대학교), 권순홍 교수(공동저자/중앙대학교), Kirill Koshelev 박사(공동저자/호주국립대학교), Yuri Kivshar 교수(공동 교신저자/호주국립대학교), 박홍규 교수(교신저자/고려대학교)

 

 

1. 연구의 필요성

 ○ 나노레이저의 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.  

 

그림 설명

 

 

 

 

 

(그림 1) ‘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 

 

 

 

 

 

 

(그림 2) 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 

 

 

 

 

 

 

 

(그림 3) ‘슈퍼 BIC’ 레이저의 형성 과정 

사각 격자 레이저 구조에서 격자의 주기를 1 nm로 정밀하게 스캔했을 때 574 nm의 격자 상수에서 두 BIC가 하나의 ‘슈퍼 BIC’로 병합되는 실험적인 과정. 삽입된 그림은 레이저의 모양이 확연히 변화되면서 ‘슈퍼 BIC’ 레이저가 발진되는 상황을 보여준다. 

 

그림 및 그림설명 제공 : 고려대학교 박홍규 교수 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(그림 4) 측정된 ‘슈퍼 BIC’ 레이저의 특성 

측정된 레이저의 문턱값(왼쪽)과 품위값(오른쪽). 574 nm 격자의 ‘슈퍼 BIC’ 영역에서 문턱값은 급격히 감소하고 품위값은 급격히 증가한다. 

 

그림 및 그림설명 제공 : 고려대학교 박홍규 교수 

 

연구 이야기

 

                                          <작성 : 고려대학교 박홍규 교수>

□ 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.

 

 

□ 실용화된다면 어떻게 활용될 수 있나? 실용화를 위한 과제는? 

 

‘슈퍼 BIC’로 동작하는 나노레이저는 실용적인 초소형 광원으로서, 불필요한 에너지 손실이 없고 문턱값이 낮으며 발열 문제가 없어 레이저의 크기를 최소로 줄일 수 있기에 그 효용성이 매우 크다. 현재는 광펌핑을 통해 구현되지만, 향후 전기펌핑을 통해 구동된다면 초저전력의 궁극적인 광원으로서 실용화될 수 있을 것이다. 

 

 

□ 꼭 이루고 싶은 목표나 후속 연구계획은? 

 

‘슈퍼 BIC’ 레이저는 나노 단위의 정밀한 구조 제작이 필요하기 때문에 구조 제작이 쉽지 않다. ‘슈퍼 BIC’ 레이저의 실질적인 활용을 위해서 격자 상수를 유연하고 정밀하게 제어할 수 있는 신축성 있는 소자를 기반으로 한 레이저를 개발하고자 한다. 또한, 앞서 얘기한 전기 구동 ‘슈퍼 BIC’ 레이저도 개발하고자 한다.