작은 공간에 빛을 강하게 집속, 최소전력으로 구동할 수 있는 극미세 나노레이저가 소개됐다. 고려대 박홍규 교수 연구팀은 키브샤 교수와 공동연구로 새로운 공진(共振) 현상을 발견하고, 이를 이용해 기존보다 천만 배 낮은 에너지로 발진시킬 수 있는 초저전력 나노레이저를 설계했다고 밝혔다.

최근 광학 분야에서 가장 큰 이슈는 외부로 새어나가는 빛의 손실을 완벽히 제어할 수 있는 새로운 방법을 찾는 것이다. 특히 주변 공간과 상호 작용하지 않는 에너지 상태인 'BIC'의 위상 상태를 도입하여 독특한 나노구조에서 에너지 손실이 0이 되도록 만드는 연구가 활발히 이루어지고 있는데, 기존의 BIC는 이론상 무한대 크기의 구조에서 무한대의 품위값이 나타나지만, 실제로 유한한 크기의 레이저 소자를 만들게 되면 BIC의 특성이 잘 보이지 않는다는 문제가 있었다.

박 교수팀이 개발한 이 레이저는 이러한 문제점을 해결하고 에너지 손실이나 발열 문제에서 자유로운 초소형 광원으로서 나노 레이저를 이용한 광소자 상용화를 앞당길 단초가 될 것으로 기대된다.

레이저가 소형화되면 부품인 공진기도 작아지는데, 작은 공진기에 빛을 얼마나 잘 집속시키는 지가 레이저의 성능을 좌우한다. 빛을 원하는 때 강하게 증폭시킬 수 있도록 주변 공간과 상호 작용하지 않는 에너지 상태(BIC)의 전하를 이용해 빛을 가두는 방법이 고려되고 있다.

하지만 공진기가 작아지면 빛을 효과적으로 가둘 수 없기에 이 에너지 상태를 이용한 물리현상이 소용이 없었다. 이에 연구팀은 동작조건이 까다롭고 소형화에 한계가 있는 기존 방법 대신 여러 BIC를 동시에 결합한‘슈퍼 BIC’를 고안했다.

주변과 상호작용하지 않는 전하 둘을 병합하여 한 점에 모은 것이다. 빛이 빠져나갈 가능성 자체를 차단하되 병합을 통해 작은 크기에서도 빛이 새어나가는 것을 막을 수 있도록 했다. 연구진은 기판에 사각격자 구조를 만들고 격자구멍 간격을 1nm 수준으로 미세하게 조정하면서‘슈퍼 BIC’레이저를 실험적으로 구현하는 데 성공했다.

간격이 574nm일 때 서로 다른 BIC가 병합되며 ‘슈퍼 BIC’레이저가 형성되는 것을 확인했다. 레이저 소자 디자인의 새로운 패러다임으로서 BIC 병합이라는 방법을 제안한 것이다. 이렇게 만들어진 레이저는 발진에 필요한 에너지인 문턱값이 기존 나노레이저에 비해 천만 배까지 낮아졌다. 소모전력을 크게 낮출 수 있게 되는 셈이다. 구조가 작아지거나 결함이 생기더라도 병합에는 영향이 없어 유연한 빛 구속방법으로 활용될 수 있을 것으로 내다보고 있다.

연구팀은 격자 간격을 보다 유연하고 정밀하게 조절할 수 있는 신축성 있는 소자를 이용한 후속연구를 지속할 계획이다. 초소형 나노레이저의 효율저하 문제를 극복할 실마리가 될 이번 성과는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견 연구사업의 지원으로 수행되었으며 국제학술지‘네이처 커뮤니 케이션즈(Nature Communications)’에 2021년 7월 5일 게재 되었다.