중적외선 측정장비 소형화 실마리···초소형 칩서 광원 구현

[이데일리 강민구 기자] 국제 공동 연구진이 안정적이고 잡음이 적은 레이저 빛을 만들어 내는 광원인 브릴루앙 레이저를 중적외선 영역에서 구현할 가능성을 제시했다.

한국과학기술원(KAIST)은 이한석 물리학과 교수 연구팀이 최덕용 호주국립대 교수, 피터 라키치 예일대 교수, 고광훈 한국원자력연구원 박사, 롱핑 왕 닝보대 교수 연구팀과 중적외선 파장 대역에서 주파수 흔들림이 작은 브릴루앙 레이저를 초소형 반도체 칩 위에 최초로 구현했다고 31일 밝혔다.

KAIST 연구진.(왼쪽부터)이한석 KAIST 물리학과 교수, 고기영 물리학과 박사과정, 석대원 박사 후 과정.(사진=KAIST)

칩 상에서 저잡음 브릴루앙 레이저를 구현하는 기술은 잘 알려져 있었으나, 중적외선 파장 대역에서는 레이저 구현에 필요한 손실이 적은 광소자가 없었다.

특히 가시광선과 근적외선에서 투명해 광소자 제작에 사용되었던 많은 물질이 중적외선 파장에서는 빛을 강하게 흡수해 이용할 수 없었다. 중적외선의 특징인 빛과 분자 사이 강한 상호작용으로 여러 광 손실이 발생해 고성능 광소자를 제작하기도 어려웠다.

연구팀은 중적외선에서 투과도가 높지만 가공하기 까다로운 칼코겐화합물 유리를 성형해 초고품질 광공진기를 제작했다. 또 중적외선 광소자에 고유한 표면 흡착 분자에 의한 광손실을 분석하고 억제하는 기술을 구현해 중적외선 파장 광 손실이 기존 세계기록 대비 30분의 1에 불과한 고성능 광소자 칩을 개발했다.

브릴루앙 레이저의 발진을 위해 필요한 최소 동작 전력은 광 손실의 제곱에 비례해 줄어들기 때문에 해당 광소자를 이용해 기존보다 최소 동작 전력을 1000배 이상 낮춰 중적외선 파장에서 해당 현상을 구현했다.

중적외선 대역에 상용화된 광파라메트릭 레이저나 양자폭포레이저는 주파수 선폭이 1 메가헤르츠(MHz)가량으로 넓어 이를 이용한 분석 정밀도에 한계가 있었는데, 개발된 레이저 소자는 이보다 만분의 일 정도 작은 선폭의 고순도 중적외선광을 생성할 수 있다.

이한석 KAIST 물리학과 교수는 “개발된 레이저 소자를 현재 연구되는 칩 크기 양자폭포레이저나 중적외선 광검출기와 결합하면 화학, 생물학, 재료학에 쓰는 거대한 중적외선 측정 장비들을 소형화해 좀 더 다양한 분야에 활용할 수 있다”고 말했다.

연구 결과는 국제학술지 ‘네이쳐 커뮤니케이션스(Nature Communications)’에 지난 19일자로 게재됐다.