박홍규 서울대 교수팀, 국제학술지 '네이처 포토닉스'에 발표
(서울=연합뉴스) 조승한 기자 = 세계에서 가장 작으면서도 성능은 기존 장치를 능가하는 초소형 소용돌이 나노레이저가 개발됐다.
과학기술정보통신부는 박홍규 서울대 교수 연구팀이 호주국립대 유리 키브샤 교수팀과 공동으로 이런 고효율·고성능 초소형 나노레이저를 개발했다고 28일 밝혔다.
최근 광학 분야에서는 빛이 회전하는 정도인 각운동량을 조절하는 연구가 활발하다. 각운동량을 양자화하면 여기에도 정보를 담아 광통신에서 동시 송출되는 데이터의 양을 늘릴 수 있어 대용량 광통신 등 여러 분야에 응용할 수 있기 때문이다.
문제는 초소형 레이저 장치가 이런 각운동량을 가질 수 없다는 점이다.
이를 대체하기 위해 빛이 각운동량을 갖게 하는 필터와 레이저 장치를 결합하는 방법을 써 왔지만, 기기 크기가 머리카락 한 가닥 두께인 수십 마이크로미터(㎛, 1㎛는 100만분의 1m) 이상으로 크기가 크고 성능도 떨어졌다.
이에 연구팀은 원자 등 입자 간 상호작용을 연구하는 응집물리학과 광학 두 분야에서 전자와 빛을 기술할 때 계산식이 비슷하다는 점에 착안해 레이저에 필요한 빛을 가두는 장치인 광공진기를 새로 설계했다.
연구팀은 인공 결정체에서 원자 위치에 원자 대신 공기구멍을 넣는 방법으로 '디스클리네이션 광공진기'를 개발해 레이저에서 나오는 빛이 돌아가는 나노레이저를 구현했다. 디스클리네이션은 결정 속 원자 배열 대칭이 깨진 결함으로 회전 어긋나기라고도 한다.
이렇게 개발한 광공진기는 그동안 학계에 보고된 것보다 크기가 3.75분의 1로 줄고, 레이저 효율은 24배 늘어난 것으로 나타났다.
박 교수는 "새로운 나노레이저는 편광 특성까지 원하는 대로 제어할 수 있어 새로운 고집적 광자·양자 회로 연구에 그 가치가 매우 클 것으로 예상된다"고 말했다.
연구 결과는 이날 국제학술지 '네이처 포토닉스'에 실렸다.
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