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4차 산업혁명의 도래로 데이터 사용량이 급증하면서 정보처리 분야에선 에너지 효율이 중요해졌다. 이에 작은 면적에서 대량의 데이터를 처리하는 기술이 등장했으며, 전자를 이용하는 대신 빛을 활용하는 실리콘 기반 광 집적회로가 개발됐다.
문제는 광 집적회로의 주요 소재로 사용되는 실리콘은 자체적으로 빛을 내지 못한다는 점이다. 이를 해결하고자 빛을 생성하는 Ⅲ-Ⅴ 반도체와 실리콘을 결합하는 방식이 시도됐지만, 불안정 탓에 성공하지 못했다. 특히 나노미터 크기의 연속파 발진을 구현하려면 작은 부피로 인한 과도한 흡수율, 산란 손실, 레이저 임계점 등의 문제를 해결해야 한다.
연구진은 나노 공진기에 Ⅲ-Ⅴ 반도체를 정밀하게 이식하는 신기술(On-Demand Minimal-Gain Printing)로 이런 문제를 해결했다. 레이저 발진에 필요한 발광 이득 물질을 이식한 뒤 실리콘 회로 내부에서 레이저 증폭이 효과적으로 이뤄지도록 설계한 것. 이를 통해 Ⅲ-Ⅴ 반도체 물질 사용을 최소화하면서도 기존 나노레이저에 비해 훨씬 높은 안전성과 낮은 발진 임계값을 달성했다.
연구진이 개발한 집적형 나노레이저는 복잡한 제조 공정 없이도 실리콘 웨이퍼에 쉽게 통합된다는 점도 이번 연구에서 확인됐다. 김명기 고려대 교수는 “이 기술은 차세대 광통신과 고성능 광 집적회로에 효과적으로 활용될 수 있으며, 레이저뿐 아니라 다양한 종류의 집적 소자에도 광범위하게 사용될 수 있다”고 말했다. 노유신 건국대 교수 “이번 연구 결과는 실리콘 광 집적 회로의 상업적 활용 가능성을 크게 높일 수 있을 것”이라고 했다.
