최근 광학적 손실과 이득 사이의 상호작용을 이용한 신개념 광소자가 제안되었다. 이 광소자는 수 마이크로미터 크기의 빛을 가두는 광 공진기로 이루어져 있으며, 광학적 이득과 손실이 공진기 안의 서로 다른 영역에 분포되도록 제작된다.
광학적 손실은 일반적으로 광소자의 성능을 낮추는 주된 요인이다. 하지만 공진기의 특정영역에 선택적으로 광학적 손실과 이득을 분포시키면 공진기의 성능이 낮아지는 대신 공진기 안 고유모드의 특성이 변화되는 특이점(exceptional point)이 나타난다.
이 특이점 근처의 고유모드 특성을 활용하면 단방향 광투과/광반사, 라만 레이저 억제/향상, 단일모드 마이크로링 레이저 등 기존의 개념으로는 얻을 수 없었던 새로운 광학 소자의 개발이 가능하다.
또한 빛의 파장 정도로 작은 나노 크기의 광결정 공진기 나노레이저는 작은 모드 부피와 높은 품위값을 가지고 있어 나노광소자 제작에 적합하다. 또 광결정 공진기 안 고유모드 간의 구별이 뚜렷하여 개별 고유모드 특성 분석에 용이하다.
이러한 광결정 공진기의 특징은 공진기 안 고유모드의 특이점을 직접적으로 규명하고 특이점을 이용한 신개념 나노광소자를 구현하는데 특히 적합하다. 하지만 파장크기의 작은 광결정 공진기 안에 국소적으로 광학적 이득과 손실을 분포하기 위한 효과적인 방법은 아직 알려져 있지 않다.
한국연구재단(이사장 조무제)은 그래핀의 빛을 흡수하는 성질을 활용해 나노 미터 크기의 작은 레이저인 나노레이저의 컬러를 자유자재로 바꿀 수 있는 기술이 고려대 박홍규 교수 연구팀이 개발했다고 밝혔다.
연구팀은 빛의 속도로 빠른 미래의 컴퓨터인 광학컴퓨터 개발을 위해 힘써오고 있다. 정보, 이미지 등을 빛으로 처리하기 위해서는 현재 전자칩에 집적시킬 만큼 소형의 레이저가 필요하며 이를 활용하기 위한 연구가 끊임없이 이뤄지고 있다. 그러한 가운데 그래핀이 나노미터 크기의 작은 레이저의 색깔을 자유자재로 바꿀 수 있다는 사실이 연구를 통해 밝혀졌다.
참고) 광학컴퓨터 : 광신호로 작용하는 논리소자를 사용해서 신호를 구성하여, 전자가 아닌 빛에 의해 연산을 하는 컴퓨터. 빛으로만 동작하므로 속도가 매우 빠르고 에너지 효율이 높음.
연구팀은 두 나노레이저를 가깝게 위치시키고 한 쪽 레이저에만 그래핀을 덮어서 빛의 손실되는 부분과 빛이 발생하는 부분을 따로 분리하였다. 이를 통해 두 가지 색깔의 빛이 한 가지 색깔의 빛으로 바뀌는 물리적 현상을 실험적으로 최초로 관측하였다.
박홍규 교수는 “이 연구는 그래핀을 이용하여 나노레이저의 특이점을 제어할 수 있음을 최초로 발견한 것이다. 물리 현상의 새로운 발견이다. 레이저 빛의 특성을 효과적으로 바꿀 수 있어 미래 광학컴퓨터 개발 등에 적용될 수 있을 것으로 기대된다.”라고 연구의 의의를 밝혔다.
이번 연구는 한국연구재단 기초연구사업(개인연구)의 지원으로 연구를 수행했으며, 이 연구는 세계적인 학술지 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications) 지난해 12월 21일자에 게재되었다.
