▲ 제작된 레이저 구조 / 제작된 사각격자(붉은색 표시) 레이저 구조의 전자현미경 사진. 사각격자의 네 모서리 부분에서 모서리 상태가 나타나며 이들 상태가 서로 가까워지면 결합하여 새로운 상태가 나타난다. 제공 : 고려대학교 박홍규 교수  © 특허뉴스

응집물질 물리학에서 유래한 위상학적 상태(topological state)에 대한 이론이 최근 광학분야에서 빛을 마음대로 조절할 수 있는 새로운 방법으로 제시되고 있다.

특히 벌크상태로는 전기가 흐르지 않지만 표면상태에서는 전기가 흐르는 기존의 위상절연체처럼 빛에 대해서도 내부에서는 빛이 모이지 않지만 표면에서는 한 방향으로 진행하는 빛이 모이는 구조인 ‘광학적 위상 절연체’라는 독특한 나노구조가 존재하여 대칭성으로 보호되는 가장 자리 상태(edge state)가 나타난다. 이 때 구조적 결함이 있더라도 빛의 손실이 전혀 발생하지 않는다. 이러한 개념을 이용하여 손실 없이 빛을 전파시키는 새로운 광도파로 혹은 작은 공간 안에 빛을 가둘 수 있는 광공진기 연구가 활발하다.

나노레이저의 상용화를 위해서는 상온에서의 안정적 동작 뿐 아니라 레이저 소자의 소형화가 꼭 필요하다. 하지만 소자가 작아지면서 생기는 구조적 결함으로 인한 레이저 성능 저하가 문제였다.

기존 가장자리 상태 공진모드는 구조의 특성상 레이저 소자의 크기가 매우 커지는 단점이 있다. 레이저의 크기를 줄이고 작은 공간 안에 레이저 빛을 강하게 속박시키기 위해서는 가장자리 상태가 아닌 다른 형태의 위상 상태가 필요하다.

한국연구재단은 고려대학교 박홍규 교수 연구팀이 새로운 위상학적 상태를 구현, 구조가 흐트러지거나 흠집이 생겨도 작은 공간에 빛을 안정적으로 집속할 수 있는 나노레이저를 개발했다고 밝혔다.

반지와 도넛이 같은 물체라면? 구멍이 하나라는 공통점을 지닌 이 두 물체는 연속적인 변형을 통해 구멍의 개수를 바꿀 수 없어 위상학적 상태로는 차이가 없다. 박홍규 교수 연구팀이 이를 이용해 소모전력을 크게 낮춘 더 작은 나노레이저를 선보였다.

연속적인 변형으로는 특성을 변화시킬 수 없는 보존적인 상태인 위상학적 상태를 광학장치에 접목, 소자를 더 작게, 도파로를 더 빈틈없게 만들려는 연구가 활발하다. 마찬가지로 더 안정적이고 더 작은 레이저를 만들려는 시도도 이어지고 있었다.

하지만 기존 가장자리 상태를 이용하는 레이저는 가장자리 선들이 연결되어 닫힌 고리를 만들어야만 작동할 수 있어 레이저의 크기가 커진다. 마치 긴 줄의 양쪽 끝을 연결하여 큰 고리를 만드는 것과 같은 상황이다.

참고로, 가장자리 상태는 위상학적 상태 중 하나로 가장자리에만 전자 혹은 빛이 존재한다.

▲ 4개의 모서리 상태 / 이론적으로 예측한 4개의 모서리 위상 상태(위 모식도)와 실험적으로 측정한 모서리 상태 레이저의 모양. 이론과 실험이 잘 일치함을 알 수 있다. 제공 : 고려대학교 박홍규 교수  © 특허뉴스

이에 연구팀은 동작조건이 까다롭고 소형화에도 한계가 있는 가장자리(edge) 상태 대신 모서리(corner) 상태의 한 점에만 빛이 모이는 새로운 위상상태를 이용했다.

평면의 사각격자(plane square lattice) 구조를 고안, 네 모서리에 빛이 모이는 모서리 상태를 구현하자 이웃한 모서리 상태가 서로 결합하면서 네 개의 새로운 위상상태를 나타낸 것이다.

이렇게 만들어진 레이저는 기존 가장자리 상태를 이용한 레이저 보다 크기는 5배 이상 작고 소모전력은 80배 이상 낮아졌다.

뿐만 아니라 기존 위상레이저가 빛의 손실이 커 영하 270도의 저온에서 동작하는데 반해 상온에서도 동작할 수 있다는 것도 장점이다. 작은 크기에도 불구하고 빛을 집속하는데 영향을 미치지 않기 때문이다.

실제 이를 재현하기 위해 화합물 반도체 기판에 광결정 나노패턴을 제작, 4개의 레이저 모드를 발진하는 것을 확인했다. 이론적으로 예측한 4개의 모서리 상태를 실제 검증했다.

특히, 대각선 양쪽 모서리에서 레이저 빛이 동시에 모이는 위상 상태는 이번 연구를 통해 새롭게 관측되었다.

모서리 상태 위상을 이용, 더 안정적이고 우수한 광원으로 쓰일 수 있는 나노레이저 개념을 제시, 광소자 상용화를 앞당길 실마리가 될 것으로 기대된다.

이번 연구의 성과는 국제학술지‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’에 11월 13일 게재되었다.