초소형 브릴루앙 레이저 개발.. 자율주행의 눈 될까

100배 이상 낮은 펌프 에너지로 동작

브릴루앙 레이저를 반도체 칩 상 구현

자율주행용 거리·회전 감지 센서 등

초정밀 센서의 측정 정확도 개선

[아시아경제 황준호 기자] 저전력에 저잡음 등의 특성을 갖춘 초소형 브릴루앙 레이저가 개발됐다. 향후 자율주행 자동차 등에 활용할 차세대 초정밀 광센서 개발에 기여할 기술이 될 것으로 예상된다.

한국과학기술원은 이한석, 이용희 물리학과 교수와 최무한 경북대 교수, 최덕용 호주국립대 교수의 공동 연구팀의 이 같은 내용의 연구 결과가 최근 국제 학술지인 네이처 커뮤니케이션스에 실렸다고 22일 밝혔다.

공동연구팀은 기존에 주로 사용돼 온 물질보다 브릴루앙 산란 현상이 수백 배 잘 일어나는 칼코겐화합물 유리를 기반으로 브릴루앙 레이저를 개발했다.

칼코겐화합물 유리는 화학적 불안정성으로 인해 칩 상에서 식각을 통한 성형이 어렵다는 근본적인 약점이 있다. 하지만 연구팀은 증착 과정에서 자발적으로 광소자가 구성되는 새로운 제작 기법을 개발해 이런 문제를 해결했다. 현재 반도체 공정 기술로 가공하기 쉬운 산화규소를 이용해 바닥구조를 적절히 형성하면 그 위에 칼코겐화합물 유리를 증착하는 것만으로도 우수한 성능의 광소자가 자발적으로 형성되는 방식이다. 이 제작 기법은 겨울철 지붕 위에 쌓인 눈의 형태가 지붕의 형태에 의해 정해지므로 눈을 직접 만지지 않고서도 지붕의 형태만을 조절해 원하는 눈의 형태를 얻는 것에 비유할 수 있다.

연구팀은 자체 개발한 이 제작 기법을 활용해서 칼코겐화합물 유리 기반 고성능 브릴루앙 레이저를 반도체 칩 상에 초소형 광소자의 형태로 구현하는 데 성공했다. 또 기존 기록보다 100배 이상 낮은 펌프 에너지로도 레이저 구동이 가능함을 밝혔다.

공동연구팀 관계자는 "소형화 및 저전력 구동은 상용화를 위한 필수적인 요소"라며 "공동연구팀의 브릴루앙 레이저 광원 개발은 자율주행에 필요한 거리뿐만 아니라 회전관성 센서의 감도를 획기적으로 개선하는 등 차세대 광센서 개발에 널리 활용될 것으로 기대가 크다"고 말했다. 그는 또 "연구 과정에서 개발한 신공정 기법은 지금껏 활용할 수 없었던 다양한 물질을 미세 광학소자 분야에 도입해 가능케 했다는 점에서 매우 의미가 클 뿐 아니라 향후 널리 활용될 가능성이 큰 원천기술"이라고 의미를 부여했다.

이번 연구를 주도한 교신저자 이한석 교수는 "칼코겐화합물 유리는 다양한 분자의 흡수선이 존재하는 중적외선 대역에도 적용 가능해 분자 분광에 기반한 환경감시 분야나 헬스케어 분야까지 그 응용범위를 넓힐 수 있을 것"이라고 내다봤다. 또 다른 교신저자인 최덕용 교수는 "연구 과정에서 개발된 공정기법은 다양한 물질의 이종 결합을 가능하게 해 미래 양자 인터넷의 핵심 소자인 고효율 양자 광원 및 양자 메모리 분야에도 응용될 수 있다"고 강조했다.

과학용어 브릴루앙 레이저(Brillouin laser): 브릴루앙 산란에 기반해 레이저 빛을 생성 증폭하며, 따라서 레이저의 매질이 브릴루앙 산란을 쉽게 일으킬수록 더 작은 에너지로도 작동할 수 있다. 출력 레이저 빛은 입력된 펌프 빛보다 주파수의 흔들림이 작고 매우 낮은 잡음을 갖는다.

브릴루앙 산란(Brillouin scattering): 빛이 매질과 상호작용을 통해 음파(acoustic phonon)를 생성하고 산란되는 현상. 산란된 빛은 음파의 에너지에 대응되는 주파수 감소를 겪으며, 유도 방출(stimulated emission) 즉 동일한 특성의 빛을 복제하는 것이 가능해 레이저 구성에 이용될 수 있다.

황준호 기자 rephwang@asiae.co.kr
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