Vortex nanolaser based on a photonic disclination cavity

우리 학부 박홍규 교수, 양범정 교수 연구팀이 호주국립대학교 키브샤 교수팀과 공동연구로 고효율·고성능 초소형 나노레이저 기술 개발에 성공했다. 과기정통부 기초연구사업(중견연구) 지원으로 수행된 이번 연구 성과는 28일 Nature Photonics에 게재되었다.

기존에는 빛이 각운동량을 갖게 하는 필터와 레이저 장치를 결합하는 방법을 이용했는데, 이는 수십 마이크로미터[㎛] 이상으로 크기가 크고 성능이 낮다는 한계가 있었고, 또한 작은 에너지에도 동작하는 초소형 레이저 장치는 성능은 뛰어나지만 각운동량을 가질 수 없어, 이전에 보고된 연구와는 완전히 다른 접근이 필요한 상황이었다.

이를 박홍규 교수 연구팀은 응집물리학과 광학에서 전자와 빛을 기술하는 계산식이 유사하다는 점에 착안하여, 레이저 장치에 필요한 광공진기*를 독창적인 방법으로 설계하여 문제해결의 실마리를 찾았다.
* 광공진기 : 레이저 빛을 구현하기 위해 필요한 빛을 가두는 장치

연구팀은 직접 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

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.

이번 연구로  광통신 및 양자정보 통신에서 더욱 많은 정보를 전달하는 것이 가능할 것이며, 앞으로 다양한 광소자에 이 디자인 방식을 적용할 수 있을 것으로 기대된다. 또한 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.

Min-Soo Hwang, Ha-Reem Kim, Jungkil Kim, Bohm-Jung Yang, Yuri Kivshar & Hong-Gyu Park
(Nature Photonics, https://www.nature.com/articles/s41566-023-01338-2)

https://www.yna.co.kr/view/AKR20231127044600017?input=1195m
https://www.dongascience.com/news.php?idx=62630