서울대학교 박홍규 교수 연구팀이 세계에서 가장 작은 고효율·고성능 초소형 나노레이저 개발에 성공했다. 

과학기술정보통신부는 서울대 연구팀이 호주국립대학교 키브샤 교수팀과 공동연구로 대용량 광통신 및 양자 정보통신 등 첨단광학 분야에 응용 가능한 초소형 나노레이저를 개발했다고 28일 밝혔다. 

이번 연구 성과는 과기정통부 기초연구사업(중견연구) 지원으로 수행한 것으로, 국제학술지 ‘네이처 포토닉스(Nature Photonics)’에 27일(현지시간) 게재됐다.

소용돌이 나노레이저 개념도

최근 광학 분야에서는 빛의 특성을 제어하는 방법을 찾는 노력이 활발하다. 

특히 빛의 각운동량(회전운동하는 물체의 운동량)을 조절하면 대용량 광통신 등 여러 분야에 응용할 수 있기 때문에 많은 연구자들이 빛을 증폭하는 장치인 레이저 개발에 몰두하고 있다.

기존에는 빛이 각운동량을 갖게 하는 필터와 레이저 장치를 결합하는 방법을 이용했는데, 이는 수십 마이크로미터[㎛] 이상으로 크기가 크고 성능이 낮다는 한계가 있었다.

또한 작은 에너지에도 동작하는 초소형 레이저 장치는 성능은 뛰어나지만 각운동량을 가질 수 없어 이전에 보고된 연구와는 완전히 다른 접근이 필요한 상황이었다.

이에 연구팀은 응집물리학과 광학에서 전자와 빛을 기술하는 계산식이 유사하다는 점에 착안했다. 

그리고 레이저 빛을 구현하기 위해 필요한 빛을 가두는 장치인 ‘광공진기’를 독창적인 방법으로 설계해 문제해결의 실마리를 찾았다.

연구팀은 제작한 인공 결정체에서 원자의 위치에 원자 대신 공기구멍을 넣는 방법으로 새로운 레이저 구조인 ‘디스클리네이션 광공진기’를 개발했다. 

이어 레이저에서 나오는 빛이 시계(또는 반시계)방향으로 돌아가는 소용돌이 나노레이저를 구현하는 데 성공했다.

실험적인 확인을 위해서 반도체 기판에 새롭게 개발한 광공진기를 제작한 뒤 레이저 빛을 관측한 결과 궤도 각운동량을 갖는 소용돌이 레이저 빛을 확인했다.

이번에 연구팀이 개발한 광공진기의 크기는 그동안 학계에 보고된 것에 비해 3.75배 더 작고 레이저의 효율은 24배 늘어났다.

박홍규 서울대 교수는 “이번 연구는 디스클리네이션 공진기라는 새로운 레이저 구조를 개발하고 초소형 소용돌이 나노레이저를 처음 선보인 데 의의가 있다”고 설명했다. 

그러면서 “새로운 나노레이저는 편광 특성까지 원하는 대로 제어할 수 있어 새로운 고집적 광자/양자회로 연구에 그 가치가 매우 클 것으로 예상된다”고 덧붙였다.