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Research

소모전력 100배 낮은 칼코겐 음파 레이저 개발

  • 조회. 169
  • 등록일. 2021.01.11
  • 작성자. 대외협력팀

- 로봇공학전공 한상윤 교수, KAIST 이한석, 이용희 교수팀과 Nature Communications에 논문 발표 
- 초고감도 자율주행용 라이다/자이로스코프를 1cm² 면적의 반도체 칩에 구현 가능
- 양자 광원 및 양자 메모리 분야에도 응용 가능 기대

 

한상윤 교수

 

 로봇공학전공 한상윤 교수는 KAIST 이한석, 이용희 교수, 경북대 최무한 교수, 호주국립대 최덕용 교수 연구팀과 함께 소모전력이 기존보다 100배 낮은 칼코겐 브릴루앙 레이저(음파 레이저)를 반도체 칩에 초소형으로 구현하는 데 성공했다고 밝혔다. 브릴루앙 레이저는 차세대 초정밀 광센서 구성에 필요한 핵심 소자이다. 

 공동연구팀 관계자는 소형화 및 저전력 구동은 상용화를 위해 필수적인 요소라고 언급하며, 개발된 레이저 광원을 바탕으로 자율주행에 필요한 거리, 회전관성 센서의 감도를 획기적으로 개선하는 등 차세대 광센서 개발에 활용할 수 있을 것으로 기대했다.

 연구팀은 기존에 주로 사용되어온 물질보다 브릴루앙 산란 현상이 수백 배 잘 일어나는 칼코겐화합물 유리를 기반으로 브릴루앙 레이저를 개발함으로써 성능을 극대화하였다. 칼코겐화합물 유리는 화학적 불안정성으로 인해 칩 상에서 성형이 어렵다는 근원적 한계가 있었으나, 공정단계에서 자발적으로 광소자가 구성되는 새로운 제작 기법을 개발하여 한계를 극복할 수 있었다.

 본 연구를 주도한 교신저자 이한석 교수는 "칼코겐화합물 유리는 다양한 분자의 흡수선이 존재하는 중적외선 대역에도 적용 가능하여, 분자분광에 기반한 환경감시 및 헬스케어 분야까지 그 응용범위를 넓힐 수 있을 것“으로 내다봤다. 또 다른 교신저자인 최덕용 교수는 “연구과정에서 개발된 공정기법은 다양한 물질의 이종결합 (hybrid integration)을 가능하게 하여 미래 양자 인터넷의 핵심소자인 고효율 양자 광원 및 양자 메모리 분야에도 응용될 수 있다.”고 평했다.

 KAIST 물리학과 김대곤 박사과정 학생과 DGIST 로봇공학전공 한상윤 교수가 공동 제1 저자로 참여한 공동연구팀의 이번 논문은 국제학술지 `네이쳐 커뮤니케이션스(Nature Communications)' 11월 23일자 게재됐다. (논문명: Universal light-guiding geometry for on-chip resonators having extremely high Q-factor)

 한편 이번 연구는 2018년 삼성미래기술육성사업에 선정되어 지속적인 지원을 받아 수행됐다.


  연구결과개요  

Universal light-guiding geometry for on-chip resonators 
having extremely high Q-factor

Dae-Gon Kim†, Sangyoon Han†, Joonhyuk Hwang, In Hwan Do, Dongin Jeong, Ji-Hun Lim, Yong-Hoon Lee, Muhan Choi, Yong-Hee Lee, Duk-Yong Choi* 
& Hansuek Lee* 
†These authors contributed equally
*Corresponding authors
(Nature Communications, IF = 12.12, on-line published on 23rd November 2020) 

브릴루앙 레이저(Brillouin laser)는 빛과 음파의 상호 작용을 통해 레이저 빛을 생성 증폭하는 원리로 작동하며, 출력 레이저 빛은 입력된 펌프 빛에 비해 주파수의 흔들림이 작고 매우 낮은 잡음을 갖는다. 연구팀은 기존에 주로 사용되어온 물질보다 브릴루앙 산란 현상이 수백 배 잘 일어나는 칼코겐화합물 유리를 기반으로 브릴루앙 레이저를 개발함으로써 성능을 극대화하였다. 칼코겐화합물 유리는 화학적 불안정성으로 인해 칩 상에서 성형이 어렵다는 근원적 한계가 있었으나, 공정단계에서 자발적으로 광소자가 구성되는 새로운 제작 기법을 개발하여 한계를 극복할 수 있었다. 해당 방법으로 제작한 칼코제나이드 화합물 브릴루앙 레이저는 이전 기록보다 100배 낮은 임계전력으로 구동이 가능하였다. DOI : 10.1038/s41467-020-19799-2


  연구결과문답  


Q. 이번 성과 무엇이 다른가?
- 기존 기록 (칼코겐 브릴루앙 레이저) 대비 100배 낮은 구동 전력
- 반면 제작 방법은 매우 간소해 짐
- 해당 제작법을 반도체 파운드리에 이전하여 칩의 대량 생산 가능
- 고성능 반도체 광원의 가격을 획기적으로 낮출 수 있을 것으로 기대

Q. 어디에  쓸 수 있나?
- 고성능/초소형 반도체 라이다
- 자율주행용 광 자이로스코프 (상대성 이론 기반의 Sagnac 효과 이용)
- 양자 광학 시스템

Q. 실용화까지 필요한 시간과 과제는?
- 현재 상태로 실용화 가능 함
- 단, 위에 언급한 어플리케이션들과 결합하려면 3년~5년 정도의 시간이 걸림

Q. 연구를 시작한 계기는?
- 광학 시스템의 심장이라고 할 수 있는 레이저를 고성능이면서 저렴하게 반도체 칩에 집적할 방법을 찾기 위해

Q. 어떤 의미가 있는가?
- 광학 기반 센서의 초소형화 및 초저전력 구동 가능
- 기존에 반도체 칩에서는 사용 불가능 했던 다양한 광학 물질들의 이종 결합을 가능하게 함

Q. 꼭 이루고 싶은 목표는?
- 구동 전력을 더 낮춰서 단일광자와 음파(phonon)의 상호작용을 반도체 칩 상에서 관찰 하는 것


  그림 설명  

[그림 1] 구현된 저전력 초소형 브릴루앙 레이저 사진, 구동원리 및 응용분야 소개

관련사진 1

 

DGIST Scholar Researcher Page Banner(Kor)_2

 

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