상온에서 전기로 구동하는 가장 작은 나노레이저 개발

[산업일보]
세상에서 가장 작은 크기의 나노레이저가 국내 연구진에 의해 개발됐다. 광결정 구조를 이용한 이 나노레이저는 기존 극미세 레이저보다 10배 이상 크기가 작고 20배 이상 적은 전류로도 구동가능해 초소형 저전력 광집적회로 개발에 한걸음 다가서게 됐다.

KAIST 물리학과 이용희 교수, 고려대 물리학과 박홍규 교수(공동 교신저자)와 정광용 박사(제1저자)가 주도한 이번 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구자지원사업, 기초연구실지원사업의 지원으로 수행됐고, 연구결과는 네이처 자매지 네이처 커뮤니케이션즈지(Nature Communications) 최신호(온라인판 11월 19일자)에 발표됐다.

레이저가 작을수록 집적도가 증가하고 소모전력이 작아지는 반면 나노레이저의 동력인 전류주입은 어려워져 그동안 극미세 나노레이저 개발을 위한 숙제로 남아 있었다.

전극구조를 작은 나노레이저에 맞게 제작하는 것이 어렵고 레이저의 특성이 저하되는 것도 해결해야할 문제였다.

연구팀은 미세기둥을 이용해 작은 나노빔 공진기에 전류를 주입하는 기술을 개발하고 이를 이용해 머리카락 두께 1/100 크기의 극미세 나노레이저를 만드는 데 성공했다.

개발된 나노레이저는 기존 극미세 나노레이저보다 크기가 10배 작고 레이저를 동작시키는데 필요한 전류는 20배 이상 낮아졌다.

향후 광검출기 등과 결합해 광집적회로나 양자비밀정보통신 등의 광원으로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
특히 이 나노레이저는 상온에서 5마이크로암페어(㎂)의 미세전류로 발진가능하다. 이는 학계에 보고된 값 중 가장 작은 값으로 그만큼 적은 전류로 구동이 가능해 저전력 디바이스로의 응용이 기대된다.

이번 연구의 핵심은 반도체 식각방법을 통해 나노빔 아래에 수십~수백 나노미터(1/10억 미터) 너비의 미세기둥을 배열한 데 있다.

나노빔에 전류를 흘려주는 통로역할을 하는 미세기둥의 크기와 위치를 원하는 대로 조절할 수 있게 됨에 따라 전류주입이 효율적으로 이뤄지도록 한 것이다.

이 교수는“ 나노빔은 나노선 구조에 공기구멍의 1차원 주기적 배열로 이루어진 광결정으로 기존 2차원 광결정에 비해 크기를 크게 줄여 레이저의 집적도를 높이고 전력소모를 줄이는 구조”라고 설명했다.