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특집

나노포토닉스 동향

나노광원 연구의 최신 동향

작성자 : 김동휘·박홍규 ㅣ 등록일 : 2024-03-07 ㅣ 조회수 : 834 ㅣ DOI : 10.3938/PhiT.33.004

저자약력

김동휘 연구원은 2023년 연세대학교 물리학과에서 학사 학위를 취득하였으며, 현재 서울대학교 물리천문학부 양자나노광소자 연구실에서 석박사통합과정으로 재학 중이다. (donghwee26@snu.ac.kr)

박홍규 교수는 1998년, 2000년, 2004년 카이스트에서 학사, 석사, 박사 학위를 취득하고, 2005년부터 2007년까지 하버드대학교 화학과에서 박사후연구원으로 근무했다. 2007년 고려대학교 물리학과 교수로 부임하여 극미세나노선광소자 창의연구단장을 역임했다. 현재 서울대학교 물리천문학부 정교수이자 한국과학기술한림원 이학부 정회원으로 활동하고 있다. 2017년 한국물리학회 학술상, 2018년 한성과학상, 2018년 이달의 과학기술인상, 2020년 올해의 기초연구자, 2022년 과학의날 대통령 표창, 2024년 한국광학회 학술대상을 수상하였다. 현재 토폴로지 나노레이저, 나노선 트랜지스터, 플라즈몬 소자, 2차원 물질의 광특성, 나노구조를 이용한 뉴런 프로브 등에 관심을 두고 연구를 진행하고 있다. (hgpark@snu.ac.kr)

Recent Progress in Nanophotonic Light Sources

Donghwee KIM and Hong-Gyu PARK

It is increasingly crucial in the information era to rapidly transmit and process vast quantities of data. However, conventional electronic integrated circuits that operate at rates below 10 GHz encounter significant challenges in effectively managing parallel signals. How can information be transmitted more quickly? Photonic integrated circuits (PICs) are the solution. PICs have the capability of processing multiple signals in parallel on a single optical waveguide by multiplexing wavelength, polarization, and angular momentum. This enables PICs to transmit at speeds exceeding 100 GHz, showing the potential to increase processing speeds while simultaneously reducing power levels.

Nevertheless, one drawback of photonic devices is that they are typically several orders of magnitude larger than electronic devices. Consequently, nanophotonics researchers have been working to make photonic devices smaller without compromising their ability to control light.

Advances in nanoscale light sources can present a viable solution to overcome these obstacles. With the formation of long-lasting, spatially confined resonances in nanocavities, it is possible to precisely manipulate far-field radiation. In this article, we provide an overview of the recent achievements in nanophotonic light sources, including topological nanolasers and single-photon emitters.

들어가며

정보화 사회에서 대량의 정보를 빠르게 전송하고 처리하는 일은 점점 더 중요해지고 있다. 그러나 처리 속도가 10 GHz 미만인 기존 전자 집적 회로는 병렬 신호의 처리에 있어 심각한 문제를 갖는다. 어떻게 하면 더 빠르게 정보를 전송할 수 있을까? 그 해답을 광집적 회로(photonic integrated circuit, PIC)에서 찾을 수 있다. PIC는 100 GHz를 초과하는 비율로 정보를 전송할 수 있고, 파장과 편광, 각운동량의 다중화를 통해 단일 광도파로에서 여러 신호를 병렬로 처리할 수 있다. 처리 비율은 증가시키고 동시에 전력 수준은 감소시켜 정보 처리를 쉽게 할 수 있다는 장점을 갖고 있다.

하지만 이러한 광학 소자의 단점은 일반적으로 전자 소자보다 크기가 몇 배나 더 크다는 것이다. 이에, 나노광원을 개발하는 연구자들은 빛을 제어하는 능력은 잃지 않으면서 광소자를 작게 만드는 것을 목표로 연구를 지속해 오고 있다.

고밀도 PIC을 만드는 데에 있어 가장 중요한 구성 요소 중 하나는 나노 크기의 광학 재료와 광공진기를 결합하여 만드는 나노레이저이다. 1980년대 수직 공동 표면 방출 레이저(VCSEL)가 처음 시연된 이후로 수십 년 동안 고성능 반도체 나노레이저는 반도체 기판의 성장 및 제조 공정의 기술적 혁신과 함께 집중적인 발전을 이뤄내 왔다. 그러나 반도체 레이저의 크기는 여전히 수 마이크로미터로 제한되었는데, 이는 나노스케일로의 크기 감소가 큰 광손실을 야기시키기 때문이다. 또한, 기존 나노레이저에서 각운동량과 간섭성, 위상에 대한 연구는 한계가 있었다.

나노광원 물리학의 발전은 이러한 장애물을 넘는 좋은 발판이 될 수 있다. 나노크기의 공진기에서 오래 지속되며 공간적으로 제한되는 공명을 형성해 원거리 전파를 정밀하게 조작할 수 있다. 이번 특집에서는 나노광원 관련 최신 성과인 토폴로지 레이저 및 단일광자원 연구의 혁신점과 가능성을 소개하고자 한다.

토폴로지 레이저

1. 모서리 레이저

Fig. 1. Top: SEM image of a fabricated laser structure. The red region indicates the nontrivial domain. Bottom: Measured images of four corner-state lasing modes.[1]Fig. 1. Top: SEM image of a fabricated laser structure. The red region indicates the nontrivial domain. Bottom: Measured images of four corner-state lasing modes.1)

응집물질물리학에서 유래한 위상론적 상태에 대한 이론이 최근 광학 분야에서 빛을 마음대로 조절할 수 있는 새로운 방법으로 제시되고 있다. 특히 덩어리(bulk) 상태로는 전기가 흐르지 않지만 표면 상태에서는 전기가 흐르는 기존의 위상 절연체처럼 빛에 대해서도 ‘광학적 위상 절연체’라는 독특한 나노구조가 존재하여 대칭성으로 보호되는 가장자리 상태(edge state)가 나타난다. 이때, 구조적 결함이 있더라도 빛의 손실이 발생하지 않는다. 광학적 위상 절연체의 개념을 이용해 빛을 효율적으로 전달하는 광도파로 혹은 작은 공간 안에 빛을 가둘 수 있는 광공진기 연구가 활발히 진행되고 있다.

하지만, 가장자리 상태 공진 모드를 여기시키는 구조는 크기가 상대적으로 크다는 단점이 있다. 레이저와 같은 광원의 상용화를 위해서는 상온에서의 안정적인 동작뿐 아니라 소형화 또한 중요한데, 레이저의 크기를 줄이고 작은 공간 안에 레이저 빛을 강하게 속박시키기 위해서는 가장자리 상태가 아닌 다른 형태의 위상 상태가 필요하다. 최근, 이러한 문제를 해결하기 위해 고차원 위상 절연체에서 발생하는 모서리 상태(corner state)를 이용한 새로운 레이저가 개발되었다.1) 모서리 상태는 구조의 모서리(corner)에만 빛을 가둘 수 있어, 매우 작은 크기의 레이저 소자를 제작하는 것이 가능하다.

연구에서 제안한 사각 격자 나노 구조의 경우, 4개의 모서리에서 각각 모서리 상태가 나타날 수 있다. 이 상태들이 가까워지면 서로 결합하여 4개의 새로운 위상 상태로 변하는데, 이는 이제껏 광학적으로 관측된 적 없는 새로운 상태이다. 실험적으로 모서리 상태를 관찰하기 위해, InGaAsP 반도체 기판에 2차원 광결정 나노구조를 제작했다. 광펌핑을 통해 4개의 레이저 모드를 발진시키고 초분광 영상법으로 분석한 결과, 이들 레이저 모드가 이론적으로 예측한 모서리 상태임을 증명할 수 있었다. 특히, 대각선 양쪽 모서리에서 레이저 빛이 동시에 모이는 모서리 상태는 이제껏 실험적으로 볼 수 없었던 새로운 위상 상태로서, 최초로 관측한 결과이다(그림 1).

이 연구는 모서리 상태의 공진 모드를 서로 결합시켜 기존에 존재하지 않던 새로운 위상 상태를 구현하고 이를 이용하여 신개념의 레이저를 개발하였다는 데에 그 의미가 크다. 특히, 4개의 모서리 상태 레이저는 각각 독특한 레이저 모양을 가지면서, 구조적 결함이 있더라도 레이저 특성이 안정적으로 유지된다는 특징을 갖는다. 이러한 위상론적 특성의 결과로써, 모서리 상태 레이저는 가장자리 상태 레이저에 비해 그 크기는 5배 이상 작고, 레이저의 문턱값은 최대 80배 이상 더 작아졌다.

2. BIC 레이저

레이저 공진기에서 외부로 새어 나가는 빛의 손실을 최소화하고 높은 품위값을 유도하기 위한 노력이 계속되었다. 최근에는 bound states in the continuum (BIC)라는 새로운 물리 현상을 이용해 공진기의 에너지 손실을 제어하는 방법이 주목받고 있다. BIC란 연속 스펙트럼 공간과 상호작용하지 않는 에너지 상태를 말하는데, 에너지의 품위값이 무한대로 발산하는 특징을 갖는다.

Fig. 2. Formation of ‘super-BIC’ laser. Two BICs are merged at a lattice constant of ~574 nm.[2]Fig. 2. Formation of ‘super-BIC’ laser. Two BICs are merged at a lattice constant of ~574 nm.2)

BIC는 이론상 품위값이 무한대임에도 불구하고 실제 소자로 구현할 때 나타나는 구조의 유한한 크기 때문에 실제로는 품위값이 감소한다는 단점이 있다. 따라서 작은 레이저 공진기에서도 높은 품위값을 갖는 BIC 모드를 연구하고, 이를 이용한 새로운 레이저 소자를 개발할 필요가 있다.

이를 해결하는 방법으로, 여러 BIC를 결합하여 새로운 BIC 모드를 형성하는 ‘슈퍼 BIC’가 제안되었다. 이를 이용한 새로운 나노레이저는 작은 공진기 크기에도 불구하고 매우 낮은 레이저 문턱값을 보인다.2)

이론적으로 위상 공간에서의 위상 전하를 분석함으로써 슈퍼 BIC의 독특한 특성을 확인할 수 있다. 슈퍼 BIC는 구조적 결함이 발생해도 빛의 손실이 발생하지 않으며, 공진기의 크기가 작아져도 높은 품위값을 유지할 수 있다.

본 연구팀은 InGaAsP 반도체 기판에 사각 격자의 나노 구조를 제작했다. 격자 상수를 1 nm 간격으로 아주 세밀하게 제어하면서 슈퍼 BIC 조건을 발견하고, 체계적인 광학실험을 통해 레이저의 독특한 광특성을 측정했다. 슈퍼 BIC 레이저에서는 원거리장의 수직성이 크게 증가했고, 문턱값은 1.47 kW/cm²으로 매우 줄었으며, 실험 품위값은 약 7300 이상의 큰 값으로 측정되었다.

기존 BIC 레이저들은 품위값을 높이기 위해 레이저 구조의 크기를 매우 크게 만들어야 했지만, 본 연구에서 구현한 슈퍼 BIC 레이저는 기존 BIC 레이저들보다 품위값은 크면서 구조의 크기는 훨씬 작다는 차별점을 갖는다. 특히, 기존 나노레이저에 비해 슈퍼 BIC 레이저의 문턱값은 천만 배까지도 낮아짐을 확인했다.

3. 디스클리네이션 레이저

Fig. 3. Formation of a photonic ‘disclination’ cavity. The vortex lasing mode is achieved in the core.[3]Fig. 3. Formation of a photonic ‘disclination’ cavity. The vortex lasing mode is achieved in the core.3)

최근 빛의 각운동량을 조절하려는 노력이 활발히 이루어지고 있다. 예를 들어, 궤도 각운동량이 다른 빛들을 이용해 통신하는 경우 동시에 송출되는 데이터의 양을 늘릴 수 있으므로 대용량 광통신에 유리하기 때문이다. 궤도 각운동량을 갖는 레이저 광원을 만들기 위해 나선형 구조나 비대칭의 다양한 광공진기들이 시도되었다. 하지만 이들은 보통 수십 마이크로미터 이상으로, 구조의 크기가 크고 레이저 장치의 성능이 떨어진다는 단점이 있다.

문턱값이 낮은 초소형 레이저가 궤도 각운동량의 특성까지 갖도록 디자인하는 것은 이제껏 성공한 사례가 없었다. 하지만, 이러한 레이저 장치는 광학의 다양한 분야에서 응용되기 위해 꼭 개발되어야 할 필요가 있다.

디스클리네이션(disclination)은 결정 속의 원자 배열에 일어나는 교란을 말하며 회전어긋나기라고도 한다. 광학에서 동일한 원리를 적용해 ‘디스클리네이션 광공진기’를 만들고, 시계방향 혹은 반시계 방향으로 레이저 빛의 편광이 돌아가는 소용돌이 나노레이저가 구현될 수 있다.3) 사각형 격자 구조에 피자 조각을 넣거나 빼듯이 하여 만든 디스클리네이션 광공진기는 좁은 공간 안에 빛을 가둘 수 있을 뿐 아니라 궤도 각운동량 또한 갖게 된다(그림 3).

Fig. 4. Top: SEM images of fabricated disclination cavities. Bottom: Measured images of vortex and anti-vortex lasing modes.[3]Fig. 4. Top: SEM images of fabricated disclination cavities. Bottom: Measured images of vortex and anti-vortex lasing modes.3)

본 연구에서는 응집물질물리학과 광학에서 사용하는 계산식이 유사하다는 점에 착안해, 결정체에서 원자의 위치에 공기 구멍을 대체하여 넣음으로써 디스클리네이션 광공진기를 형성했다. 광학 계산을 통해 디자인된 광공진기에서 0, 1, 2 등 다양한 궤도 각운동량이 나타남을 확인했다. 또한, 빛의 파장 정도의 매우 작은 크기에서 높은 품위값으로 빛이 속박됨을 알 수 있었다.

실험적인 확인을 위해 InGaAsP 반도체 기판에 디스클리네이션 광공진기를 제작했다(그림 4). 상온 광펌핑을 통해 레이저 빛을 관측했고, 특히 빛의 편광, 스토크스 파라미터, 자체 간섭무늬 측정 등을 통해 1과 -1의 궤도 각운동량을 갖는 소용돌이 레이저 빛을 확인했다.

소용돌이 나노레이저는 시계방향 및 반시계 방향의 회전하는 편광 특성을 보이면서, 문턱값은 1.1 kW/cm²으로, 기존 각운동량 레이저에 비해 24배 줄어든 값을 보였다. 이는 광공진기의 크기가 3.75배 더 작아졌기 때문이다.

소용돌이 나노레이저를 활용하면 광통신 및 양자정보 통신에서 더욱 많은 정보를 전달하는 것이 가능하다. 또한, 소용돌이 나노레이저의 디자인 방식은 이제껏 없었던 것으로, 앞으로 다양한 광소자에 이 디자인 방식을 적용할 수 있을 것으로 기대한다.

단일광자원

1. 2차원 물질 단일광자원

양자역학에 기반을 둔 양자 암호학은 고전 암호 기술의 도청 문제를 극복할 수 있는 중요한 해결책으로 주목받고 있다. 단일광자원(single-photon emitter)은 광자가 뭉쳐서 나오는 고전적인 광원과는 달리 한 번에 한 개의 광자만 방출하는 양자 소자로서, 이러한 양자 암호 기술과 양자 정보 처리 기술에 있어서 핵심이 되는 기본 소자이다. 특히, 단일광자원을 이용한 양자 키 분배, 양자 중계기 등 양자 광소자 개발은 현재 중요한 응용 분야로 급부상하고 있다.

하지만 기존 단일광자원은 단일광자의 발생 위치 및 편광 방향이 무작위이기 때문에 방출 효율이 매우 낮다는 문제점이 있다. 또한, 대부분 외부 빛 에너지를 주입하는 광펌핑 과정을 통해 동작한다. 이러한 단점은 단일광자원을 이용하는 양자 광소자의 상용화에 어려움을 초래한다.

문제점들을 해결하기 위해 2차원 전이금속 디칼코게나이드(transition metal dichalcogenide, TMD) 물질의 자연적/인공적 결함에서 양자 구속 효과를 이용한 저온/상온 단일광자원의 연구가 활발하게 이루어지고 있다. 이는 높은 광추출 효율 및 강한 광발광 특성 등 단일광자원으로서 많은 장점을 갖는다.

Fig. 5. Single-photon emitter array with controlled positions and polarization of emitters.[4]Fig. 5. Single-photon emitter array with controlled positions and polarization of emitters.4)

보다 최근에는, 원하는 위치에서 단일광자의 편광 방향을 조절하기 위한 새로운 방법이 개발되었다. 텅스텐 셀레나이드 (WSe2) 2차원 반도체 물질에 나노갭을 갖는 나노구조체를 이용해 국소적으로 변형을 가하여 인위적인 트래핑 포텐셜을 형성했다.4) 나노갭의 너비를 바꾸면서 국소 스트레인의 모양을 제어했고, 결과적으로 방출되는 단일광자의 위치와 편광 방향을 모두 조절하는 데 성공했다(그림 5).

실제로 광자를 하나씩 방출하는지 실험적으로 확인하기 위해 광자 상관관계 측정을 진행했다. 그 결과, 단일광자원의 생성 효율은 83%, 순수도는 0.01 이하였고, 광반복률은 15 MHz 이상의 높은 값으로 측정되었다. 또한, 나노갭의 크기가 90 nm보다 작으면 수평 방향으로, 나노갭의 크기가 90 nm보다 크면 수직 방향으로 편광 방향이 형성됨을 확인했다. 이와 더불어, 위치와 편광 방향이 제어된 단일광자원을 광결정 나노공진기와 결합시켜 단일광자원의 발생 효율을 2배 증가시킬 수 있었다.

2. 전기구동 단일광자원

2차원 물질에 국소 변형을 가하여 원하는 위치에 단일광자원을 생성하는 연구는 기존의 양자점 기반 단일광자원의 여러 문제점을 해결할 수 있다. 그러나, 2차원 TMD 물질을 이용하는 경우에도 전기로 동작하는 확정적 단일광자원의 구현은 여전히 어려움으로 남아있다.

Fig. 6. Electrically driven single-photon emitters fabricated by nano-indentation in a heterostructure of 2D TMD materials. Second-order correlation measurements show single-photon features.[5]Fig. 6. Electrically driven single-photon emitters fabricated by nano-indentation in a heterostructure of 2D TMD materials. Second-order correlation measurements show single-photon features.5)

다양한 전기적 특성을 갖는 2차원 물질을 결합하여 원자층 사이의 반데르발스 힘을 이용한 인공적 이종 결합 구조를 구현할 수 있고, 복잡하고 기능적인 양자계를 형성함으로써 이러한 문제를 해결할 수 있다. 도체의 특성을 갖는 그래핀, 부도체의 특성을 갖는 질화 붕소(h-BN), 반도체의 특성을 갖는 TMD 등의 다양한 2차원 물질을 결합하여 전기구동으로 빛을 방출시킬 수 있다. 더 나아가, 이 소자를 변형 가능한 고분자 위에 전사시킨 후 뾰족한 팁을 이용해 국소 영역에 변형을 가하여 인공원자를 원하는 위치에 생성하면, 전기구동 단일광자원을 형성할 수 있다.5) 전기적으로 에너지를 받은 캐리어들이 변형에 의해 생성된 인공원자 영역에 양자 구속 효과에 의해 모이고, 단일광자를 방출하게 되는 것이다(그림 6).

이와 같은 원리로 개발된 전기구동 단일광자원은 원자 두께로 얇은 2차원 물질을 이용해 단일광자의 생성 위치가 제어되었다는 점에서 상용 양자통신에 적용될 수 있다. 또한, 기존의 반도체 양자점에 비해 크기가 매우 작고 광원이 기판 표면에 존재하므로 외부 나노구조와의 결합이 용이하다. 최근 많은 연구가 진행되고 있는 다양한 나노 광공진기와 단일광자원을 결합함으로써 단일광자원의 특성을 더욱 개선할 수 있을 것으로 기대된다.

기존 2차원 물질에 국소 변형을 가해 인공원자를 만드는 방식이 2차원 물질의 단층에서만 연구되어왔던 반면, 본 연구에서는 여러 층의 이종 결합 구조에 국소 변형을 가해 나타나는 여러 역학적, 전기적, 광학적 특성들을 발견했다는 데에 의의가 있다. 이를 바탕으로 여러 2차원 물질의 이종 결합 구조에서 구현할 수 있는 트랜지스터, 광검출기, 압전 소자, 메모리 등 다양한 나노소자 연구에 큰 도움을 줄 것으로 기대한다.

맺음말

본 특집호에서는 나노광원 관련 최신 결과로, 토폴로지 레이저 및 단일광자원 연구에 대해 살펴보았다. 다양한 공진기 디자인과 그에 따른 물리학을 적용함으로써 PIC에 쓰일 유망한 나노포토닉스 장치 개발을 촉진할 수 있을 것이다.

나노광원은 높은 집적도와 낮은 전력 소모, 높은 변조율로 인해 양자광학과 광통신 등 다양한 연구 분야에서 활발히 연구되고 있다. 하지만, 여전히 나노광원을 더 실용적으로 구현하기 위해서는 continuous-wave 작동과 상온에서의 전기 구동이 필요하다. 작은 나노공진기 구조에서 열 방출을 개선하고 전류 경로를 구현하는 것은 매우 어려운 일이다. 현재도 우수한 열 전도성을 갖는 투과 매질에 전기 펌핑을 하는 경우 발생하는 품위값 저하를 막기 위해 많은 연구들이 진행되고 있다.

이러한 한계에도 불구하고 최근 몇 년간 BIC 및 토폴로지를 기반으로 한 나노레이저와 단일광자원 연구의 발전은 눈부시다. 가까운 미래에 궁극적인 정보 전달 매체로서의 PIC의 모습을 기대할 수 있다. 나노 구조를 이용한 이러한 연구를 바탕으로, 신호 처리, 광컴퓨팅 및 양자컴퓨팅, 바이오센싱 등 다양한 분야에서 새로운 기회가 열릴 것으로 기대한다.

각주
1)Ha-Reem Kim et al., “Multipolar lasing modes from topological corner states,” Nat. Commun. 11, 5758 (2020).
2)Min-Soo Hwang et al., “Ultralow-threshold laser using super-bound states in the continuum,” Nat. Commun. 12, 4135 (2021).
3)Min-Soo Hwang et al., “Vortex nanolaser based on a photonic disclination cavity,” Nat. Photonics 18, 286 (2024). https://doi.org/10.1038/s41566-023-01338-2.
4)Jae-Pil So et al., “Polarization Control of Deterministic Single-Photon Emitters in Monolayer WSe2,” Nano Lett. 21, 1546 (2021).
5)Jae-Pil So et al., “Electrically driven strain-induced deterministic single-photon emitters in a van der Waals heterostructure,” Science Adv. 7, 43 (2021).
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