정보화 사회에서 대량의 정보를 빠르게 전송하고 처리하는 일은 매우 중요하다. 그러나 처리 속도가 10GHz 미만인 기존의 전자 집적 회로는 병렬 신호의 처리에 있어 심각한 문제를 갖는다. 어떻게 하면 더 빠르게 정보를 전송할 수 있을까? 그 해답을 광집적 회로(photonic integrated circuit, PIC)에서 찾을 수 있다. PIC는 100GHz를 초과하는 속도로 정보를 전송할 수 있고, 파장과 편광, 각운동량의 다중화를 통해 단일 광도파로에서 여러 신호를 병렬로 처리할 수 있다. 처리 속도는 증가시키고 동시에 전력 수준은 감소시켜 정보 처리를 쉽게 할 수 있다는 장점을 갖는다. 하지만, 이러한 광학 소자의 단점은 일반적으로 전자 소자보다 크기가 몇 배나 더 크다는 것이다. 나노광학의 발전을 통한 광소자의 소형화는 빛을 제어하는 능력은 잃지 않으면서 더 빠른 속도와 더 낮은 전력 수준으로 정보 처리를 가능하게 할 수 있다.

이번 발표에서는 광학의 기본적인 내용에서부터 출발해, 빛을 조작하는 다양한 구조와 방법을 설명하고자 한다. 특히, 나노광원과 관련해 토폴로지 레이저^[1] 및 단일광자원 연구^[2]의 혁신점과 가능성을 소개할 것이다. 또한, 본 연구실에서 개발하고 있는 다양한 나노구조를 이용한 광소자^[3][4]를 소개하고자 한다.  

[1] Vortex nanolaser based on a photonic disclination cavity. Nature Photonics 18, 286–293 (2024).

[2] Electrically driven strain-induced deterministic single-photon emitters in a van der Waals heterostructure. Science Advances 7, eabj3176 (2021).

[3] Subwavelength dielectric resonators for nonlinear nanophotonics. Science 367, 288–292 (2020).

[4] Photon-triggered nanowire transistors. Nature Nanotechnology 12, 963–968 (2017).