- 대용량 광통신 및 양자 정보통신 등 첨단광학 분야에 응용 가능

- 네이처 포토닉스 게재, 새로운 레이저 구조 개발

교신저자 박홍규 서울대학교 물리천문학부 교수와 제1저자 황민수 서울대학교 물리천문학부

최근 광학 분야에서 가장 큰 이슈는 빛의 특성을 완벽히 제어할 수 있는 새로운 방법을 찾는 것이다. 그 중에서도 특히 빛에서 회전하는 운동량인 각운동량을 양자화하여 조절하려는 노력이 활발히 이루어지고 있다. 각운동량이 다른 빛들을 이용해 통신을 하면 동시에 송출되는 데이터의 양을 늘릴 수 있으므로 대용량 광통신에 매우 유용하기 때문이다.

기존의 각운동량을 갖는 레이저 장치는 보통 수십 마이크로미터 이상으로 구조가 크고, 레이저의 성능이 떨어진다는 단점이 있다. 이와 반대로, 문턱값이 낮은 초소형 레이저 장치는 레이저 특성은 뛰어나지만 각운동량을 가질 수 없는 것으로 알려져 있었다. 고효율, 고성능의 레이저 장치를 광학의 다양한 분야에서 응용하기 위해서는 본질적으로 각운동량을 갖는 나노레이저 장치를 꼭 개발할 필요가 있었다.

서울대학교 박홍규 교수 연구팀이 호주국립대학교 키브샤 교수팀과 공동연구로 고효율·고성능 초소형 나노레이저 기술 개발에 성공했다고 밝혔다. 과기정통부 기초연구사업(중견연구) 지원으로 수행한 이번 연구 성과는 국제학술지「네이처 포토닉스(Nature Photonics)」에 11월 28일 논문명 Vortex nanolaser based on a photonic disclination cavity로 게재되었다.

소용돌이 나노레이저의 개념도

최근 광학 분야에서는 빛의 특성을 제어하는 방법을 찾는 노력이 활발하다. 특히, 빛의 각운동량을 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.

연구팀은 응집물리학과 광학에서 전자와 빛을 기술하는 계산식이 유사하다는 점에 착안하여, 레이저 장치에 필요한 광공진기를 독창적인 방법으로 설계하여 문제해결의 실마리를 찾았다. 연구팀이 제작한 인공 결정체에서 원자의 위치에 원자 대신 공기구멍을 넣는 방법으로 새로운 레이저 구조인 ‘디스클리네이션 광공진기’를 개발하고, 레이저에서 나오는 빛이 시계(또는 반시계)방향으로 돌아가는 소용돌이 나노레이저를 구현하는 데 성공했다. * 디스클리네이션(Disclination) : 결정 속의 원자배열에 일어나는 교란을 말하며 회전어긋나기라고도 함

‘디스클리네이션 광공진기’제작 과정

실험적인 확인을 위해 반도체 기판에 새롭게 개발한 광공진기를 제작한 후 레이저 빛을 관측한 결과 궤도 각운동량을 갖는 소용돌이 레이저 빛을 확인하였다. 연구팀이 개발한 광공진기의 크기는 그동안 학계에 보고된 것에 비해 3.75배 더 작고, 레이저의 효율은 24배 늘어났다.

박홍규 교수는 “이번 연구는 디스클리네이션 공진기라는 새로운 레이저 구조를 개발하고 초소형 소용돌이 나노레이저를 처음 선보인 데 의의가 있다”라며 “새로운 나노레이저는 편광 특성까지 원하는 대로 제어할 수 있어 새로운 고집적 광자/양자회로 연구에 그 가치가 매우 클 것으로 예상된다”라고 밝혔다.

저자는 황민수 박사(1저자·서울대학교), 김하림 박사(공동 1저자·서울대학교), 김정길 교수(공동저자·제주대학교), 양범정 교수(공동저자·서울대학교), Yuri Kivshar 교수(공동 교신저자·호주국립대학교), 박홍규 교수(교신저자서울대학교)이다.

실험으로 측정된 소용돌이 레이저

□연구개요

1. 연구의 필요성

○ 빛의 각운동량을 조절하려는 노력이 최근 활발히 이루어지고 있다. 예를 들어, 궤도 각운동량이 다른 빛들을 이용해 통신을 하면, 동시에 송출되는 데이터의 양을 늘릴 수 있으므로 대용량 광통신에 특히 유용하다. ※각운동량 : 회전하는 물체가 갖는 운동량. 빛의 경우 궤도(orbital) 각운동량과 스핀(spin) 각운동량이 있다.

○ 궤도 각운동량을 갖는 레이저 광원들이 나선형 구조나 비대칭의 다양한 광공진기를 통해 개발되고 있다. 하지만, 이들은 보통 수십 마이크로미터 이상으로 구조가 크고 레이저 장치의 성능이 떨어진다는 단점 있다. ※광공진기 : 빛을 가두는 장치. 레이저 빛을 구현하기 위해 필요하다.

○ 문턱값이 낮은 초소형 레이저 장치를 구현하는 것은 어려운 일이다. 이와 함께, 궤도 각운동량의 특성까지 초소형 레이저 빛에 담는 것은 이제껏 성공한 사례가 없었다. 이러한 레이저 장치는 광학의 다양한 분야에서 응용하기 위해 꼭 개발되어야 한다. ※문턱값 : 레이저가 발진할 수 있도록 외부에서 입력하는 에너지의 양.

실험으로 측정된 소용돌이 레이저의 특성

2. 연구내용

○ 이번 연구에서는 ‘디스클리네이션 광공진기’를 이용한 새로운 소용돌이 나노레이저를 세계 최초로 구현했다. 사각형 격자 구조에 피자 조각을 넣거나 빼듯이 해서 만든 디스클리네이션 광공진기는 좁은 공간 안에 빛을 가둘 수 있을 뿐 아니라 궤도 각운동량 또한 갖는다는 사실을 이론과 실험을 통해 발견했다.

※디스클리네이션(회위) : 결정 속의 원자배열에 일어나는 교란을 말하며 회전어긋나기라고도 한다.

※소용돌이 레이저 : 시계방향 혹은 반시계방향으로 레이저 빛의 편광이 돌아가는 상태.

○ 우선, 광공진기를 디자인하는 새로운 방법을 고안했다. 응집물질물리학과 광학에서 사용하는 계산식이 유사하다는 점에 착안해, 결정체에서 원자의 위치에 공기 구멍을 대체하여 넣음으로써 ‘디스클리네이션 광공진기’를 형성했다.

※응집물질물리학 : 물질의 상태를 연구하는 물리학의 한 분야.

○ 체계적인 광학 계산을 통해 디자인된 광공진기에서 0, 1, 2 등의 다양한 궤도 각운동량이 나타남을 확인했다. 또한, 빛의 파장 정도의 매우 작은 크기에서 높은 품위값으로 빛이 속박됨을 알 수 있었다.

○ 실험적인 확인을 위해 InGaAsP 반도체 기판에 디스클리네이션 광공진기를 제작했다. 상온 광펌핑을 통해 레이저 빛을 관측했고, 특히 빛의 편광, 스토크 파라미터, 자체 간섭무늬 측정 등을 통해 1과 -1의 궤도 각운동량을 갖는 소용돌이 레이저 빛을 확인했다.

○ 소용돌이 나노레이저는 시계방향 및 반시계방향의 회전하는 편광 특성을 보이면서, 문턱값은 1.1 kW/cm2으로 기존의 최고 사양 레이저에 비해 24 배 줄어들었다. 이는 광공진기의 크기가 3.75 배 더 작아졌기 때문이다.

3. 기대효과

○ 소용돌이 나노레이저는 궤도 각운동량과 같은 기존의 나노레이저에서는 볼 수 없었던 독특한 특성을 보인다. 이를 활용하면 광통신 및 양자정보 통신에서 더욱 많은 정보를 전달하는 것이 가능하다.

○ 소용돌이 나노레이저의 디자인 방식은 이제껏 없었던 것으로, 광공진기의 크기가 작음에도 불구하고 구조적 결함이 발생해도 빛의 손실이나 변형이 발생하지 않는다. 앞으로 다양한 광소자에 이 디자인 방식을 적용할 수 있을 것으로 기대한다.

○ 나노레이저는 파장 크기의 작은 영역에서 적은 에너지로 빛을 방출하는 것이 가능한데, 편광 특성까지 원하는 대로 제어함으로써 새로운 고집적 광자/양자회로 연구에 있어 그 가치가 매우 클 것으로 예상된다.