고려대-건국대, 6G 초연결 시대를 이끌 실리콘 광 집적 회로의 새로운 기술 개발

세계 최초 집적형 연속파 실리콘 나노레이저 구현

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

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.

[첨부 1] 

[그림 1] 설명

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

[그림 2] 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 3] 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.