빛의 손실 큰 그래핀의 단점 역으로 활용, 미래 광컴퓨터 구현 기대
Direct Observation of Exceptional Points in Coupled Photonic-Crystal Lasers with Asymmetric Optical Gains
미래창조과학부(장관 최양희)는 “그래핀*의 빛을 흡수하는 성질을 활용해 나노 미터 크기의 작은 레이저인 나노레이저**의 컬러를 자유자재로 바꿀 수 있는 기술이 국내 연구진을 통해 개발되었다.”고 밝혔다.
* 그래핀 : 탄소 원자로 만들어진 원자 크기의 벌집 형태 구조를 가진 소재. 열전도성이 뛰어나고 투명하며 신축성도 뛰어나 활용 분야가 매우 다양하나 빛을 흡수하는 성질 때문에 빛을 이용하는 광소자에는 사용되기 힘들다고 알려져 있음.
**나노레이저 : 수십에서 수백 나노미터 크기의 빛을 가두는 장치를 이용한 레이저
연구자들은 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.
*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 교수 연구팀(고려대)은 미래창조과학부․한국연구재단 기초연구사업(개인연구)의 지원으로 연구를 수행했으며, 이 연구는 세계적인 학술지 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications) 12월 21일자에 게재되었다.
논문명과 저자 정보는 다음과 같다.
- 논문명 : Direct Observation of Exceptional Points in Coupled Photonic-Crystal Lasers with Asymmetric Optical Gains
- 저자 정보 : 박홍규 (교신저자, 고려대 교수), 김경호 (제1저자, 고려대 연구교수), 황민수 (공동1저자, 고려대 석박통합과정)
□ 논문의 주요 내용은 다음과 같다.
1. 연구의 필요성
최신 연구에 따르면 광소자*에서 빛을 발생시키는 부분과 빛이 손실되는 부분을 공간적으로 따로 분리하여 위치시키면 이 둘 사이에 상호작용이 발생하여 새로운 광학 특성이 나타나게 된다. 이 때 새로운 현상이 나타나기 시작하는 지점을 특이점(exceptional point)이라 하고, 이 특이점 근처에서는 한 방향으로만 빛을 진행시키거나 레이저의 색깔을 하나로 만드는 것이 가능하다.
*광소자 : 빛을 발생시키고 제어하고 검출하는 소자. 레이저, LED, 광검출기 등이 해당됨.
기존의 특이점 연구는 모두 수십 마이크로미터 크기의 큰 레이저에서 이루어졌기 때문에 특이점의 직접적인 관측이 어려웠다. 레이저의 크기를 줄이면 특이점을 관측하는 것도 쉽고 이를 이용한 새로운 광소자를 제작하는 것도 훨씬 용이하다. 하지만 나노미터 크기의 작은 레이저에서는 빛을 발생시키는 부분과 손실되는 부분을 따로 분리하는 것이 매우 어려웠기 때문에 연구에 한계가 존재했다.
2. 연구 내용
이 연구에서는 나노레이저에서 빛의 손실을 인위적으로 주기 위해 그래핀을 이용하였다. 그래핀은 뛰어난 전기적 특성에도 불구하고 광학적 특성이 나빠 레이저와 같은 광소자에는 사용되기 힘들었다. 그래핀으로 인해 빛의 손실이 발생한다. 이는 광소자의 특성을 나쁘게 하는 요인이 된다.
그래핀의 이러한 광학적 특성을 역으로 이용해 특이점 연구를 진행하였다. 우선 반도체 물질을 이용하여 수백 나노미터 크기의 매우 작은 두 개의 동일한 광결정* 레이저를 제작하였다. 그리고 한 쪽 레이저에만 그래핀을 덮어서 빛의 발생과 손실을 각각의 레이저에서 효과적으로 분리하였다.
*광결정 : 크기가 수백 나노미터정도로 매우 작고 특정 색깔의 빛만을 반사시키는 독특한 특성을 갖는 구조
3. 연구 성과
그래핀을 덮기 전에는 광결정 레이저에서 두 가지 다른 색깔을 갖는 빛이 동시에 관측되었지만 한 쪽 레이저에 그래핀을 덮으면 레이저 빛이 하나로 합쳐지면서 하나의 색깔이 관측된다. 이 때 레이저 색깔은 그래핀을 덮기 전 두 가지 다른 레이저 색깔의 중간 색깔이 된다.
그래핀의 덮은 면적을 조절하면 이러한 특성을 자유롭게 조절할 수 있다. 그래핀이 레이저 면적의 1/3만 덮으면, 두 가지 레이저 색깔의 경우 혹은 한 가지 레이저 색깔의 경우를 선택하여 구현할 수 있다. 레이저의 이미지를 확인하여 두 경우를 확실하게 구분하였다. 특히 이 두 경우가 전환되는 지점이 바로 레이저의 특이점이다. 이 실험을 통해 최초로 직접적으로 관측되었다.
그래핀의 광학적 흡수 특성은 외부에서 전압을 가하면 제어할 수 있다. 이 실험에서는 외부에서 전압을 가하여 그래핀의 광학적 흡수 특성을 변화시켰고, 이를 통해 특이점을 전기적으로 제어할 수 있음을 최초로 확인하였다.
*이온겔 : 높은 전기용량을 지닌 고분자 고체 전해질
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.
연 구 결 과 개 요
1. 연구배경
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.
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.
2. 연구내용
연구팀은 광결정 공진기에 부분적으로 그래핀을 덮어 광학적 이득과 손실이 공진기 안에서 공간 분포를 갖도록 하였다. 그래핀이 공진기를 덮는 넓이를 효과적으로 제어하여 공진기 내 고유모드의 특이점을 직접적으로 관찰할 수 있었다. 나아가 그래핀의 광 흡수 특성을 전기적으로 조절하여 특이점이 효과적으로 제어될 수 있음을 보였다.
우선 빛의 파장 정도로 작은 광결정 공진기 안에서 광학적 이득과 손실을 구현하기 위해 반도체 물질을 이용한 두 개의 동일 크기 광결정 공진기를 제작하였다. 두 공진기 간의 상호작용을 극대화하기 위해 두 공진기를 매우 가깝게 위치하였다. 제작된 두 공진기 중 한 공진기에만 그래핀을 덮어 한 공진기는 광학적 손실이 발생하게 하고 다른 공진기에는 광학적 이득이 발생할 수 있도록 하였다.
제작된 광결정 공진기를 광펌핑*하여 공진기 안 고유모드의 레이저 특성을 분석하였다. 광펌핑을 통해 그래핀을 덮지 않은 부분에서는 광학적 이득이 발생하지만, 그래핀을 덮은 부분은 그래핀에 의한 광학적 손실이 지속적으로 발생한다. 그래핀에 의한 국소적 광 이득/ 손실 분포의 구현 여부를 확인하기 위해, 그래핀을 적용하기 전/후에 각각 레이저 특성을 스펙트럼과 모드이미지 분석을 통해 관찰하였다. 그래핀 적용 전 광결정 공진기는 결합/비결합의 두 가지 고유모드 레이저 특성을 보인 반면 그래핀 적용 후에는 단일 고유모드 레이저 특성을 보였다.
*광펌핑 : 외부 빛을 이용하여 물질에 에너지를 주는 방식. 반도체 물질을 광펌핑하여 레이저를 만들 수 있음
광펌핑 위치를 이동시키며 고유모드의 레이저 특성을 관찰하였다. 그래핀이 부분적으로 덮은 광결정 공진기의 경우 그래핀이 공진기를 덮은 넓이에 따라 레이저 특성이 다르게 나타났다. 그래핀이 한 광결정 공진기를 2/3를 덮은 경우 항상 단일 고유모드 레이저 특성이 나타나는 반면 그래핀이 한 광결정 공진기를 1/3만 덮은 경우 광펌핑 위치에 따라 결합/비결합 고유모드와 단일 고유모드 레이저 특성이 모두 나타났다. 특히 그래핀이 한 공진기를 1/3만 덮은 경우, 결합/비결함 고유모드에서 단일 고유모드 레이저로 상태가 변화되는 특이점을 직접적으로 관찰할 수 있었다. 이는 광결정 공진기를 덮는 그래핀의 넓이를 제어함으로써 공진기 내의 국소적 광 손실이 효과적으로 제어될 수 있음을 보여준다.
그래핀의 광학적 흡수 특성은 외부에서 그래핀에 전압을 걸어 제어할 수 있다. 본 실험에서는 이온겔(Ion gel)을 통한 전압 인가 방법을 활용하여 그래핀의 광학적 흡수 특성을 변화시켰다. 그래핀의 광 흡수 특성을 전기적으로 제어함으로써 광결정 공진기 내 고유모드의 특이점이 조절될 수 있음을 실험적으로 확인하였다.
3. 기대효과
그래핀을 이용한 나노레이저의 특이점 제어 연구를 통해 광 공진기 내에서 국소적 광 이득/손실 제어가 가능함을 실험적으로 확인하였다. 특히 파장 크기의 작은 광결정 공진기에서도 국소적 광 손실 제어가 가능함을 보였으며, 이는 공간 분포에 따른 광 이득/손실 제어를 요구하는 여러 광 공진기 실험 및 연구에서 폭넓게 활용될 수 있다.
그래핀을 이용한 나노레이저의 특이점 제어를 이용하여 효과적인 레이저 제어 및 광 스위치 구현이 가능할 것으로 기대되며 이를 통한 광 집적회로 설계와 같은 응용기술연구에도 기여할 수 있을 것으로 기대된다.
★ 연구 이야기 ★
□ 연구를 시작한 계기나 배경은?
이 연구는 그래핀과 광결정 공진기의 상호작용을 생산적으로 활용할 방법이 없을까 하는 질문에서부터 시작되었다. 그래핀과 맞닿은 광결정 공진기는 그래핀의 광 흡수 특성 때문에 성능이 매우 나빠진다. 하지만 이는 역으로 그래핀을 통해 광결정 공진기의 특정 영역에만 강한 광 손실을 줄 수 있다는 것을 의미한다. 이에 착안하여 그래핀을 이용한 광결정 나노레이저 특이점 제어 기술을 개발할 수 있을 것이라 생각했다.
□ 연구 전개 과정에 대한 소개
연구팀은 반도체 물질을 이용한 광 공진기 설계 및 개발에 풍부한 경험이 있다. 특히 본 연구팀이 2012년 Nature Communications 誌에 발표한 그래핀을 전극으로 활용한 마이크로디스크 레이저 연구는 이 연구의 좋은 밑거름이 되었다. 이와 더불어 최근 제안된 국소적 광 이득/손실 분포를 갖는 마이크로미터 크기의 광 공진기 연구들은 본 연구의 기폭제가 되었다. 그래핀은 파장 정도로 작은 광결정 공진기에 국소적 광 이득/손실을 구현할 최적의 물질이었고, 본 연구팀의 경험을 기반으로 광결정 나노레이저의 특이점 제어가 가능한 그래핀-광결정 나노광소자를 개발할 수 있었다.
□ 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소가 있었다면 무엇인지? 어떻게 극복(해결)하였는지?
이 연구는 광결정 공진기의 일부분을 그래핀으로 덮어 광결정 공진기에 국소적인 광 이득/손실을 구현한다. 광결정 나노레이저의 특이점 제어를 위해 광 이득과 손실이 공진기 내에서 공간적으로 적절하게 분배되어야만 했었고, 이는 그래핀의 광결정 공진기를 덮는 넓이로 결정되었다. 이 때문에, 공진기를 덮는 그래핀의 적정 넓이를 찾는 것이 실험의 성패를 좌우하는 핵심 사항이었다. 또 그래핀은 원자 수준의 얇은 박막이기 때문에 가공하는 과정에서 쉽게 찢어지는 단점이 있었다. 이러한 민감한 조건에서 계속적인 실험을 통해 공진기를 덮는 그래핀의 적정 넓이를 찾았고 안정적인 그래핀-광결정 나노레이저 제작 조건을 찾을 수 있었다.
□ 이번 성과, 무엇이 다른가?
기존의 마이크로미터 크기의 광 공진기를 이용한 고유모드의 특이점 제어 연구는 복잡한 광 공진기 제작 과정이 요구되었고 국소적 광 이득 및 손실 분포를 구현하는 과정에서 복잡한 기계적인 장치들을 필요로 하는 어려움이 있었다. 이에 반해 그래핀을 이용한 본 연구는 제작 과정이 상대적으로 단순하고 국소적인 광 이득 및 손실 분포를 구현함에 있어 불필요한 기계적인 장치가 필요하지 않아, 특이점 제어가 가능한 나노레이저의 안정적인 제작과 구동이 가능하게 되었다. 더 나아가 그래핀의 광 흡수 특성을 전기적으로 제어하여 나노레이저의 특이점 특성을 조절할 수 있는 것은 본 연구만의 독특한 결과이다.
□ 꼭 이루고 싶은 목표와, 향후 연구계획은?
이 연구결과를 이용하여 광 집적회로 구현에 필수인 효과적인 레이저 제어 및 광 스위치 구현에 대한 추가적인 연구를 수행하고자 한다.
□ 기타 특별한 에피소드가 있었다면?
Natue Communications 지에 투고한 논문이 총 두 명의 리뷰어에게 보내졌다. 두 명 모두 minor한 수정을 요구하여 매우 매끄럽게 심사가 진행되었다. Nature Communications 와 같은 high-impact 저널에서는 상당히 까다로운 심사가 일반적인데, 논문의 성과를 인정받아 빠르게 출판이 확정되었다.
용 어 설 명
1. 네이쳐 커뮤니케이션스(Nature Communications)誌
○ 네이처 커뮤니케이션즈 (Nature Communications)는 과학, 기술 분야 최상위 학술지인 Nature지의 자매지 중 하나로 2010년도부터 온라인 출판되었다. 학술지표 평가기관인 Thomson JCR 기준 전 세계 복합 자연과학 분야 (Multidisciplinary sciences) 학술지 중 3위에 해당하는 영향지수 (impact factor 11.329)를 가지고 있다.
2. 광결정
○ 광결정(photonic crystals)은 굴절률이 다른 두 물질이 주기적으로 반복되는 구조이다. 구조의 크기가 빛의 파장정도로 매우 작고 특정 파장의 빛만을 반사시키는 독특한 특성을 갖는다. 이러한 특징을 이용하여 문턱값이 낮은 레이저나 고효율의 LED와 같은 발광 소자에 응용되는 연구가 활발히 진행되고 있다.
3. 광소자
○ 빛을 발생시키고 제어하고 검출하는 소자. 레이저, LED, 광검출기 등이 해당된다.
4. 그래핀
○ 탄소 원자 1개의 두께로 이루어진 얇은 막 구조로, 탄소 원자들이 모여 2차원 평면을 이루고 있는 물질이다. 두께는 0.2 nm 정도로 얇으면서도 물리적, 화학적 안정도가 높고, 전기적, 기계적 특성이 우수한 물질이다.
5. 광학컴퓨터
○ 전자신호 대신 광신호로 연산처리를 수행하는 미래의 컴퓨터이다. 레이저, 광도파로, 광검출기, 광스위치 등의 다양한 광소자가 결합되어 만들어질 수 있다.
그 림 설 명
(그림1) 그래핀을 이용한 광결정 나노레이저의 특이점 측정
그래핀을 이용한 광결정 나노레이저의 국소적인 빛의 발생 및 손실에 대한 개념도 (왼쪽). 두 동일한 광결정 나노레이저에서 측정한 광특성(중간)과 한 쪽 레이저에만 그래핀을 덮은 후에 측정한 광특성(오른쪽). 그래핀을 덮기 전(중간)에는 두 개의 피크가 보이는데 이는 두 가지 색깔의 레이저 빛이 동시에 관측됨을 의미한다. 반면 그래핀을 덮고 난 후(오른쪽)에는 한 가지 색깔만이 관측된다.
(그림2) 빛의 특성이 바뀌는 특이점
두 동일한 나노레이저의 개념도 (왼쪽). 두 가지 색깔이 하나로 바뀌거나 한 가지 색깔이 두 가지 색깔로 바뀌는 레이저의 특이점을 보여주는 계산 결과(오른쪽). 빨간색 화살표가 특이점을 나타낸다.
