호주국립대·예일대 등 공동연구
세계 첫 초소형 칩 상 구현 성공

KAIST 연구팀 이한석(왼쪽부터) 교수, 고기영 박사과정생, 석대원 박사후과정생 [KAIST 제공]

브릴루앙 레이저(Brillouin laser)는 물질 내 빛과 음파의 상호작용을 통해 매우 안정적이고 잡음이 적은 레이저 빛을 만들어 내는 광원이다. 그동안 이 기술은 가시광선이나 근적외선 영역에서만 구현되었으며, 중적외선 영역에서는 기술 부족으로 구현이 어려웠다.

국제 공동 연구진이 초소형 저잡음 브릴루앙 레이저를 해당 파장 영역에서 세계 최초 개발, 더욱 정밀한 분자물리·화학 연구 및 다양한 차세대 응용 기술의 기반을 마련했다.

KAIST는 이한석 물리학과 교수 연구팀이 최덕용 호주국립대 교수, 피터 라키치 미국 예일대 교수, 고광훈 한국원자력연구원 박사, 왕롱핑 중국 닝보대 교수 연구팀과 국제공동연구를 통해 중적외선 파장 대역에서 주파수 흔들림이 매우 작은 브릴루앙 레이저를 초소형 반도체 칩 위에 최초로 구현하는 데 성공했다고 31일 밝혔다.

칩상에서 저잡음 브릴루앙 레이저를 구현하는 기술은 이미 잘 알려져 있었으나, 중적외선 파장 대역에서는 레이저 구현에 필수적인 낮은 광 손실의 고성능 광소자가 없다는 점이 문제였다.

연구팀은 중적외선에서 높은 투과도를 보이지만 가공이 까다로운 칼코겐화합물 유리를 독창적인 기법으로 성형해 초고품질 광공진기를 제작하는데 성공했다. 또 중적외선 광소자에 고유한 표면 흡착 분자에 의한 광손실을 정량분석하고 억제하는 기술을 최초로 구현해 중적외선 파장 광 손실이 기존 세계기록 대비 30분의 1에 불과한 고성능 광소자 칩을 개발할 수 있었다.

브릴루앙 레이저의 발진을 위해 필요한 최소 동작 전력은 광 손실의 제곱에 비례해 줄어든다. 때문에 해당 광소자를 이용해 기존보다 최소 동작 전력을 1000배 이상 낮춰 최초로 중적외선 파장에서 해당 현상을 구현할 수 있었다고 연구팀은 설명했다.

연구팀은 중적외선 파장 대역의 소형 저잡음 레이저 개발이 분자 과학의 응용범위를 넓히고 정밀도를 개선하기 위한 필수적 요소라고 언급했다. 이를 분자의 특성을 더욱 세밀하게 분석하거나 빛을 이용해 화학 반응을 정밀하게 제어하는 등에 활용할 수 있을 것으로 기대했다.

이한석 교수는 “이 레이저 소자를 현재 활발하게 연구되고 있는 칩 크기 양자폭포레이저·중적외선 광검출기와 결합한다면 화학·생물학·재료학에 사용되는 거대한 중적외선 측정 장비들을 획기적으로 소형화해 더 다양한 분야에 활용할 수 있을 것”이라고 말했다.

이번 연구 결과는 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션스’에 3월 19일자로 게재됐다. 구본혁 기자

Copyright © 헤럴드경제. 무단전재 및 재배포 금지.