고려대와 건국대, 6G 겨냥해 ‘집적형 실리콘 나노레이저’ 개발

[이데일리 김현아 기자] 고려대학교(총장 김동원)와 건국대학교(총장 원종필) 공동 연구팀이 세계 최초로 낮은 전력으로도 안정적이고 효율적으로 동작하는 집적형 연속파 실리콘 나노레이저를 개발했다.

이 연구 결과는 저명한 국제 학술지 ‘Science Advances’에 19일 게재됐다. (논문명: Minimal-gain-printed silicon nanolaser)

(왼쪽부터) 김명기 교수(교신저자, 고려대), 노유신 교수(교신저자, 건국대), 박병준 제1저자, 고려대), 김민우 (제1저자, 건국대)

연구 배경

6G 시대를 앞두고 데이터 사용량이 급증하면서 정보처리 분야에서도 에너지 효율이 중요해지고 있다. 이에 따라 전자 대신 빛을 활용하는 실리콘 기반의 광 집적회로 기술이 주목받고 있다.

하지만, 실리콘은 스스로 빛을 발하지 못해 Ⅲ-Ⅴ 반도체와 결합하는 방식이 시도되었지만 불안정하고 비효율적이라는 한계가 있었다. 특히, 나노미터 크기의 연속파 발진을 구현하기 위해서는 과도한 흡수율, 산란 손실 등 다양한 문제를 해결해야 했다.

연구논문 이미지. On-demand minimal-gain printing‘ 기법을 통해 상온 연속파 실리콘 나노레이저를 제작하는 공정. 미리 제작된 실리콘 광결정 나노공진기 위에 InGaAsP 나노 이득물질을 정밀하게 이식하는 과정을 보여줌.

연구논문 이미지. 제작된 실리콘 나노레이저 장치의 전자주사현미경 이미지와 나노레이저의 발광 특성. 펌핑 파워에 따른 레이저 동작과 상온(RT) 연속파(CW) 펌핑 조건에서의 레이저 발진 스펙트럼 결과.

고려대 KU-KIST 융합대학원 김명기 교수와 건국대 물리학과 노유신 교수는 새로운 ‘On-Demand Minimal-Gain Printing’ 기법을 개발하여 이 문제를 해결했다.

이 기법은 나노 공진기에 Ⅲ-Ⅴ 반도체를 정밀하게 이식하여, 최소한의 발광 이득 물질만 사용하면서도 레이저 증폭이 효과적으로 이뤄지도록 설계되었습니다. 이를 통해 낮은 발진 임계값과 높은 안전성을 확보했다.

연구팀은 이 기법을 통해 상온에서 50μW 이하의 전력으로 동작하는 집적형 연속파 실리콘 나노레이저를 구현했다. 이 기술은 실리콘 웨이퍼에 쉽게 통합될 수 있어 실리콘 포토닉스와 광 집적 회로 분야의 상용화를 크게 앞당길 것으로 기대된다.

김명기 교수는 “이 기술은 차세대 광통신과 고성능 광 집적회로에 효과적으로 활용될 수 있으며, 레이저뿐만 아니라 다양한 집적 소자에도 적용될 수 있다”고 말했다.

노유신 교수는 “본 연구는 실리콘 광 집적회로 기술의 중요한 분기점을 제시하며, 상업적 활용 가능성을 높일 것”이라고 기대했다.

이번 연구는 한국연구재단의 중견연구자지원사업 지원을 받아 수행됐다.