▲POSTECH 물리학과 신희득 교수.

▲예일대 피터 라키치(Peter Rakich) 교수.

POSTECH 물리학과 신희득 교수, 예일대 피터 라키치(Peter Rakich) 교수 연구팀이 네이처 포토닉스(Nature Photonics)지를 통해 발표한 이 연구성과는 물질이 지닌 한계를 나노구조 설계로 극복함으로 생겨난 광증폭이라는 점에서 관심을 받고 있다.

게다가 실리콘 기반의 새로운 광소자나 실리콘 레이저 소자를 개발할 수 있는 기반 기술로 주목을 모으고 있다.

이에 연구팀은 최근에 보도된 실리콘 광도파로(waveguide)*1에서 관측된 브릴루앙 효과*2에 주목했다.

광도파로는 빛의 전반사 성질을 이용하여 머리카락보다 훨씬 얇은 투명한 구조물 내에서 빛을 한 쪽 방향으로 전파, 빛이 흐르는 길 혹은 터널을 의미하고,브릴리앙 효과는 펌프 빛이 결맞음이 있는 소리진동과의 상호작용을 통해 산란되는 현상을 의미한다. 이때 소리진동의 주파수는 가청 주파수보다 훨씬 높은 GHz영역대이고 산란된 빛과 펌프 빛의 주파수차이는 소리진동의 주파수와 같다. 일반적인 브릴루앙 산한 효과는 펌프 빛과 산란된 빛이 서로 반대방향으로 진행하지만 이 연구에서는 같은 방향으로 진행한다.

이는 빛이 결맞음이 있는 소리진동에 의해 산란하는 현상으로 광통신분야에서 광섬유 노이즈의 주된 원인으로 알려져 있는 현상이지만, 이 연구에서는 강한 브릴루앙 효과를 유도하기위해 새로운 형태의 실리콘 광도파로의 구조를 만들어 소리진동과 빛의 상호작용을 강화시켰다.

일반적인 형태의 실리콘 광도파로에서 빛의 손실은 적지만 소리진동은 기판을 통해 사라져 손실이 크다. 이를 막기 위해 연구팀은 실리콘으로 광도파로, 즉 빛이 흐르는 길을 만들되, 이 길이 기판 위에 떠 있을 수 있도록 했다. 그 결과 진동에너지 손실이 획기적으로 줄어들며 빛과 소리가 강력하게 결합해 강한 광 증폭에 성공할 수 있었다. 

이 연구는 특히 빛과 소리진동이라는 서로 다른 형태의 에너지를 결합해 기존에 볼 수 없었던 현상을 일으켰다는 점에서 학계의 큰 관심을 모았다.

또, 이 빛과 소리의 상호작용을 조절함에 따라 지금이라도 당장 응용이 가능한 새로운 소형 레이저나 광증폭기를 실리콘 기판 위에 만들어 새로운 광신호 처리기술로 발전시킬 수 있을 것으로 기대된다.

연구의 공동 제1저자인 신희득 교수는 "물질 자체의 성질이 아니라 나노 구조 설계를 통해 실리콘에서 빛을 증폭시킨 연구"라며 "불가능을 가능하게 만든 이 실험은 빛과 소리진동의 결합이란 발상으로 광신호처리 연구의 새로운 패러다임을 열 것"이라고 전망했다.  

한편 실리콘은 반도체의 재료로 가장 많이 사용되어 왔다.

지금까지 실리콘은 가격이 저렴하면서도 높은 순도로 제작할 수 있어 전자공학계에서 활발하게 활용된 물질이었다.

하지만 전자공학 분야와는 달리 빛을 이용하는 광학분야에서 실리콘은 다양한 광학적 장점에도 불구하고 자체 발광(發光)하는 성질을 가지고 있지 않아 실리콘 기반의 광증폭기 또는 레이저로 개발하기는 쉽지 않았다. 이 연구는 미국방위고등연구계획국(DARPA)과 POSTECH 연구비 지원 사업의 지원을 통해 수행됐다.