[표지로 읽는 과학] 차세대 광자반도체 토대 소형 레이저

사이언스 제공

국제 학술지 '사이언스'는 이번 주 표지로 미니어처 수준의 작은 광자 반도체에서 강력한 모드 잠금 레이저(mode-locked laser)가 발사되는 모습의 일러스트를 실었다. 

알리레자 마란디 미국 캘리포니아공과대학(칼텍) 전기공학·응용물리학과 교수가 이끈 연구팀은 거대한 크기였던 기존 모드 잠금 레이저(MLL)의 크기를 미니어처 칩에 들어갈 정도로 작은 크기로 개발하는 데 성공, 연구 결과를 학술지 '사이언스'에 9일(현지시간) 발표했다. 

MLL은 강력한 극초단파 빛을 발생시키는 레이저다. 극초단파 빛을 통해 이전에는 들여다볼 수 없었던 펨토초(1000조분의 1초), 아토초(100경분의 1초) 단위의 세밀한 자연현상을 들여다볼 수 있게 됐다. 

이처럼 짧은 레이저 펄스를 활용하면 광학 현미경으로는 관찰할 수 없는 미세한 구조를 파악할 수 있다. 암덩어리의 내부 조직이나 식물 잎속에서 광합성이 일어나는 과정 등을 이미지화할 수 있게 된다. MLL이 현대 가속기 연구와 기술의 근간이라고도 불리는 이유다. 

하지만 MLL은 지금까지 부피가 큰 형태로만 개발되어 매우 작은 공간에서 적은 빛을 다루는 칩 규모 나노광학에 적용하는 데 한계가 있었다. 

연구팀은 리튬 니오베이트 기반 '소형 모드 잠금 레이저'를 개발했다.  연구팀이 개발한 MLL은 나노미터(nm·10억분의 1m) 단위에서 작동하며, 기존 나노광학 플랫폼에서 활용돼 온 MLL에 비해 훨씬 높은 펄스 에너지(2.6pJ)와 피크 파워(0.5W)를 측정했다고 밝혔다. 

해당 연구를 표지에 실은 '사이언스'는 기존 MLL을 칩 크기 수준으로 크기를 줄인 이번 기술의 개발로 기존 반도체의 수준을 뛰어넘은 광자 기반 반도체 개발에 박차를 가하게 될 것이라고 평했다. 

전기 대신 빛을 이용하는 광자 반도체(포토닉 칩)은 전력 소모는 줄이고 기존보다 수십 배 빠른 속도로 데이터를 전송할 수 있어 차세대 기술로 꼽힌다. 특히 인공지능(AI), 고성능 센서 등과 결합해 빠른 정보 송·수신을 가능케할 것으로 전망된다. 

[박건희 기자 wissen@donga.com]