잘못 만들어도 레이저 되는 나노레이저
잘못 만들어도 레이저 되는 나노레이저
  • 함예솔
  • 승인 2020.11.27 23:55
  • 조회수 315
  • 댓글 0
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반지와 도넛이 같은 물체라면? 구멍이 하나라는 공통점을 지닌 이 두 물체는 연속적인 변형을 통해 구멍의 개수를 바꿀 수 없어 위상학적 상태로는 차이가 없습니다. 이를 이용해 국내 연구진이 소모전력을 크게 낮춘 더 작은 나노레이저를 선보였습니다.

제작된 레이저 구조. 출처: 한국연구재단
제작된 레이저 구조. 출처: 한국연구재단

고려대학교 박홍규 교수 연구팀은 새로운 위상학적 상태를 구현해 구조가 흐트러지거나 흠집이 생겨도 작은 공간에 빛을 안정적으로 집속할 수 있는 나노레이저를 개발했습니다. 해당 연구는 <Nature Communications>에 게재됐습니다. 

 

더 작은 나노레이저 

 

위상학적 상태를 광학장치에 접목해 소자를 더 작게, 도파로를 더 빈틈없게 만들려는 연구가 활발합니다. 마찬가지로 더 안정적이고 더 작은 레이저를 만들려는 시도도 이어지고 있었습니다. 하지만 기존 가장자리 상태를 이용하는 레이저는 가장자리 선들이 연결돼 닫힌 고리를 만들어야만 작동할 수 있어 레이저의 크기가 커집니다. 마치 긴 줄의 양쪽 끝을 연결하여 큰 고리를 만드는 것과 같은 상황입니다. 

  • 위상학적 상태(topological state)

연속적인 변형으로는 특성을 변화시킬 수 없는 보존적인 상태를 말합니다.

  • 가장자리 상태 

 위상학적 상태 중 하나로 가장자리에만 전자 혹은 빛이 존재합니다.
 

이에 연구팀은 동작조건이 까다롭고 소형화에도 한계가 있는 가장자리(edge) 상태 대신 모서리(corner) 상태의 한 점에만 빛이 모이는 새로운 위상상태를 이용했습니다. 평면의 사각격자(plane square lattice) 구조를 고안했는데요. 네 모서리에 빛이 모이는 모서리 상태를 구현하자 이웃한 모서리 상태가 서로 결합 하면서 네 개의 새로운 위상상태를 나타낸 겁니다. 

4개의 모서리 상태. 이론적으로 예측한 4개의 모서리 위상 상태(위 모식도)와 실험적으로 측정한 모서리 상태 레이저(아래 CCD 이미지 사진)의 모양. 이론과 실험이 잘 일치함을 알 수 있다.  출처: 한국연구재단
4개의 모서리 상태. 이론적으로 예측한 4개의 모서리 위상 상태(위 모식도)와 실험적으로 측정한 모서리 상태 레이저(아래 CCD 이미지 사진)의 모양. 이론과 실험이 잘 일치함을 알 수 있다. 출처: 한국연구재단

이렇게 만들어진 레이저는 기존 가장자리 상태를 이용한 레이저 보다 크기는 5배 이상 작고 소모전력은 80배 이상 낮아졌습니다. 뿐만 아니라 기존 위상레이저가 빛의 손실이 커 영하 270도의 저온에서 동작하는데 반해 상온에서도 동작할 수 있다는 것도 장점입니다. 작은 크기에도 불구하고 빛을 집속하는데 영향을 미치지 않기 때문이죠. 

 

실제 이를 재현하기 위해 화합물 반도체 기판에 광결정 나노패턴을 제작, 4개의 레이저 모드를 발진하는 것을 확인했습니다. 이론적으로 예측한 4개의 모서리 상태를 실제 검증했습니다. 특히, 대각선 양쪽 모서리에서 레이저 빛이 동시에 모이는 위상 상태는 이번 연구를 통해 새롭게 관측됐습니다. 

 

이번 연구는 모서리 상태의 공진모드를 서로 결합시켜 기존에 존재 하지 않던 새로운 위상 상태를 구현하고 이를 이용해 신개념의 레이저를 개발했다는데 그 의미가 크다고 합니다. 위상학적으로 제어된 빛을 효율적으로 발생시키고 조절할 수 있으며 새로운 나노광학 분야를 개척할 수 있을 뿐 아니라, 향후 광집적회로의 우수한 광원을 개발할 수 있을 것으로 기대됩니다.

 


##참고자료##

 


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