김명기 교수 연구팀, 세계 최초 실리콘 기반 집적형 상온 연속파 나노레이저 구현

 국제 저명학술지 사이언스 어드밴시스 (Science Advances)에 논문 게재


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

 

고려대학교 KU-KIST 융합대학원과 건국대학교 물리학과 공동 연구팀은 세계 최초로 실리콘 기반 집적형 상온 연속파 나노레이저를 구현하는 데 성공했다. 이번 성과는 차세대 실리콘 
광 집적 회로(Photonic Integrated Circuits, PICs) 개발에서 중요한 기술적 한계를 극복한 것으로, 상온에서 연속파 동작이 가능한 실리콘 나노레이저를 초정밀하게 집적하여 구현한 
것이다. 이 기술은 차세대 광통신 시스템의 핵심 요소로 주목받고 있으며, 연구 결과는 2024년 9월 19일 세계적인 학술지 Science Advances에 게재되었다.
 

※ 논문명: Minimal-gain printed silicon nanolaser
 

※ 주저자: 김명기 교수(교신저자, 고려대), 노유신 교수(교신저자, 건국대), 박병준(제1저자, 고려대), 김민우(제1저자, 건국대)
 

전자 및 광 집적회로의 핵심 재료로 사용되고 있는 실리콘은 자체적으로 빛을 방출하지 못하기 때문에, 실리콘 기반 광 집적회로에서 광원을 개발하는 데 오랜 기간 기술적 어려움을 
겪어왔다. 이를 해결하기 위해, 빛을 생성하는 III-V 반도체와 실리콘을 결합하는 방식이 시도되었고 일부 성공을 거두었으나, 열적 불안정성과 비효율적인 광 집속 문제로 인해 나노 크기에
서 연속파 발진을 구현하는 것은 여전히 큰 과제로 남아 있었다. 특히, 나노미터 크기의 레이저는 작은 부피로 인해 과도한 흡수 및 산란 손실이 발생하기 쉬워 발진이 억제되거나 레이저 
임계값이 급격히 상승하는 문제가 자주 발생했다.

이번 연구에서는 이러한 기술적 난제를 해결하기 위해, 최소한의 III-V 반도체 물질을 실리콘 나노 공진기에 정밀하게 이식하는 신개념 'on-demand minimal-gain printing' 기법을 도입했다. 
이 기법은 기존의 완성된 레이저를 실리콘 집적회로에 이식하는 방식이 아닌, 레이저 발진에 필요한 발광 이득 물질만을 최소한으로 이식한 후, 레이저 증폭은 실리콘 회로 내부에서 이루어
지도록 설계한 것이다. 이를 통해 고비용의 III-V 물질 사용을 최소화하면서도 기존 나노레이저에 비해 훨씬 높은 열적 안정성과 낮은 발진 임계값을 달성할 수 있었다. 그 결과, 상온에
서 50µW 이하의 낮은 전력으로 동작하는 집적형 연속파 실리콘 나노레이저를 구현하는 데 성공했다. 이 기술은 복잡한 제조 공정 없이도 실리콘 웨이퍼에 쉽게 통합될 수 있어, 실리콘 포토닉스 
및 광집적회로 분야의 상용화를 크게 앞당길 것으로 기대된다.

건국대학교 물리학과 노유신 교수는 “이번 연구는 실리콘 광 집적회로 기술의 완성에 있어 중요한 돌파구를 마련했으며, 실리콘 광 집적회로의 상업적 구현 가능성을 크게 높이는 계기가 
될 것”이라고 강조했다. 고려대학교 KU-KIST 융합대학원의 김명기 교수는 “이번 기술은 차세대 광통신 및 고성능 광 집적회로의 핵심 요소로, 레이저뿐만 아니라 다양한 종류의 집적 소자에
도 광범위하게 적용될 수 있다”고 덧붙였습니다.
 

이번 연구는 한국연구재단 중견연구자지원사업의 지원을 받아 수행되었다.
 

[그림 설명] 실리콘 광 집적 회로에 나노미터 크기의 발광물질을 정밀히 이식하는 'on-demand minimal-gain printing' 기법의 모식도


 [그림 설명] '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.


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