KAIST, 양자 입자 이용한 신개념 레이저 개발
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KAIST, 양자 입자 이용한 신개념 레이저 개발
  • thomas yi
  • 승인 2021.06.11 10:54
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정육각형 마이크로 막대 공진기 구조에서 생성된 상온 폴라리톤 기반의 시공간 대칭 시스템 개념도(그림 제공:KAIST)© 뉴스1

 KAIST 물리학과 조용훈 교수 연구팀이 머리카락 굵기보다 100배 얇은 정육각형 모양의 반도체 막대 구조에서 양자 입자를 생성해, 에너지 손실이 커질수록 발광 성능이 좋아지는 신개념 레이저를 개발했다.

이는 고효율의 레이저 소자부터 양자 광소자에 이르기까지 광범위하게 활용할 수 있을 것으로 기대된다.

11일 KAIST에 따르면 기존에는 빛을 이용한 시공간 대칭성을 갖는 광학 시스템을 구현하기 위해서 공간적으로 분리된 두개 이상의 광학적 단위구조를 오차 없이 동일하게 제작해야 했다.

또, 이러한 단위구조들에 대해 손실과 이득을 각각 개별적으로 조절해야 하는 까다로운 조건의 광학적 시스템을 이용해야만 했다.

연구팀은 빛과는 달리 상호작용이 높은 폴라리톤을 이용해 단 한개의 정육각형 마이크로 공진기 안에 존재하는 서로 다른 모드 사이의 상호작용을 직접적으로 제어할 수 있는 독자적인 방법을 고안했다.

육각 대칭성을 갖는 단일 공진기 내부에는 에너지가 동일하면서 정삼각형 및 역삼각형 형태의 경로를 갖는 두 개의 빛의 모드가 상호작용 없이 존재하게 된다.

연구팀은 빛 대신 폴라리톤을 이용하면 엑시톤을 매개로 해 두개의 모드 사이에 직접적인 상호작용이 가능할 것이라는 점에 주목했다.

연구팀은 이중 역삼각형 모드에 대해서만 손실 크기를 연속적으로 조절할 수 있도록 나비넥타이 모양으로 홈이 파여진 기판과 결합했다.

이를 통해 손실이 증가할수록 작동에 필요한 에너지가 도리어 더 작아진다는 특이한 결과를 상온에서 관측하고 그 원인을 체계적으로 규명했다.

이는 일반적으로 손실이 클수록 작동에 필요한 에너지가 증가한다는 일반적인 직관과는 상반되는 결과다.

기존에 빛을 이용한 시공간 대칭성 시스템의 복잡성과 한계를 극복하고 단 하나의 반도체 마이크로 공진기를 이용해 시공간 대칭성 레이저를 최초로 구현했다는 데 의미가 크다.

이 플랫폼을 이용해서 레이저 발진 에너지를 낮추거나, 비선형 광소자 및 민감한 광센서 같은 고전적인 광소자뿐만 아니라 빛의 방향성을 제어할 수 있는 비가역적인 소자, 그리고 초유체 기반의 집적회로 양자 광소자에 응용될 수 있다.

연구를 주도한 조용훈 교수는 “지속적인 연구를 통해 상온에서 작동할 수 있으면서도 손실을 이용한 다양한 양자 광소자로 활용되길 기대한다”라고 말했다.

한편, 이번 연구결과는 포토닉스 분야의 세계적 학술지인 ‘네이처 포토닉스’ 10일자 온라인판에 게재됐다.


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