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□ 고려대학교(총장 김동원)와 건국대학교 (총장 원종필) 공동 연구팀이 세계 최초로 낮은 전력으로도 안정적, 효율적으로 동작하는 집적형 연속파 실리콘 나노레이저를 구현해 화제가 됐다.
□ 본 연구는 저명한 국제 학술지 ‘Science Advances’에 지난 19일 게재됐다.
*논문명: Minimal-gain-printed silicon nanolaser
*논문 URL: https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adl1548
□ 오늘날 데이터 사용량이 급증하면서 정보처리 분야에서도 에너지 효율이 중요해졌다. 이에 작은 면적에서 많은 데이터를 처리하는 기술이 등장했고, 전자를 이용하는 대신 빛을 활용하는 실리콘 기반 광 집적회로가 개발됐다.
□ 다만, 전기 및 광 집적회로(IC)의 주요 소재로 사용되는 실리콘은 자체적으로 빛을 발하지 못한다. 이를 해결하고자 빛을 생성하는 Ⅲ-Ⅴ 반도체와 실리콘을 결합하는 방식이 시도됐지만, 불안정하고 비효율적이며 광 집속 문제가 발생한다. 특히, 나노미터 크기의 연속파 발진을 구현하려면 작은 부피로 인한 과도한 흡수율, 산란 손실, 레이저 임계값의 급격한 상승 등이 해결할 과제로 남아있다.
□ 고려대 KU-KIST 융합대학원 김명기 교수와 건국대 물리학과 노유신 교수의 공동 연구진은 나노 공진기에 Ⅲ-Ⅴ 반도체를 정밀하게 이식하는 신개념 ‘On-Demand Minimal-Gain Printing’ 기법을 개발해 문제를 해결했다.
□ 연구진은 레이저 발진에 필요한 발광 이득 물질을 최소한으로 이식한 후, 실리콘 회로 내부에서 레이저 증폭이 효과적으로 이루어지도록 설계했다. 이를 통해 Ⅲ-Ⅴ 반도체 물질 사용을 최소화하면서도 기존 나노레이저에 비해 훨씬 높은 안전성과 낮은 발진 임계값을 달성했다.
□ 또한 이 기법을 활용해 상온에서 50μW 이하의 낮은 전력으로도 동작하는 집적형 연속파 실리콘 나노레이저를 구현했다. 이 기술은 복잡한 제조 공정 없이도 실리콘 웨이퍼에 쉽게 통합되어 실리콘 포토닉스, 실리콘 광 집적 회로 분야의 상용화를 크게 앞당길 것으로 기대를 받고 있다.
□ 연구를 주도한 고려대 KU-KIST 융합대학원 김명기 교수는 “이 기술은 차세대 광통신과 고성능 광 집적회로에 효과적으로 활용될 수 있으며, 레이저뿐 아니라 다양한 종류의 집적 소자에도 광범위하게 사용될 수 있다”고 말했으며, 함께 연구를 진행한 건국대 물리학과 노유신 교수는 “본 연구는 실리콘 광 집적회로 기술에 중요한 분기점을 제시했으며, 실리콘 광 집적 회로의 상업적 활용 가능성을 크게 높일 것”이라고 기대감을 밝혔다.
□ 본 연구는 한국연구재단의 중견연구자지원사업 지원을 받아 수행됐다.
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[고려대] 고려대-건국대, 6G 초연결 시대를 이끌 실리콘 광 집적회로의 새로운 기술 개발.hwp