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[한 토막 과학상식]잡음 적은 레이저 '브릴루앙 레이저'란 무엇인가

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[한 토막 과학상식]잡음 적은 레이저 '브릴루앙 레이저'란 무엇인가

2020.12.24 07:28
KAIST 제공
이한석 KAIST 물리학과 교수와 이용희 KAIST 물리학과 교수, 최무한 경북대 전자공학부 교수, 최덕용 호주국립대 교수 등 공동 연구팀은 빛의 잡음을 줄이는 '브릴루앙 산란' 현상을 이용하면서도 작고 저전력으로 구동할 수 있는 레이저를 개발했다. KAIST 제공

광센서는 물체에 빛을 쏘아 반사돼 돌아온 빛을 검출해 전기적인 신호로 바꿔주는 소자로 자율주행, 헬스케어 등 차세대 산업의 중심 소자로 꼽힌다. 광센서는 작고 전력을 적게 쓰며 잡음도 적게 만드는 것이 핵심이다.

 

이를 위해 '브릴루앙 산란' 현상을 이용한 브릴루앙 레이저 광센서가 개발되고 있다. 브릴루앙 산란은 빛을 매질에 쏘면 빛이 음파를 만들고 산란하는 현상이다. 산란된 빛이 발생한 음파 에너지만큼 주파수가 줄어들면서 주파수 흔들림과 잡음이 줄어든다.

 

브릴루앙 레이저는 브릴루앙 산란이 동일한 빛을 계속 만드는 '유도 방출'이 가능한 점을 이용한다. 레이저는 유도 방출된 같은 빛을 중첩해 강력한 빛을 내는 원리다. 브릴루앙 산란에서 나온 빛은 입력한 빛보다 잡음이 매우 적은 만큼 저잡음 레이저를 만드는 데 유리하다. 여기에 브릴루앙 산란이 잘 일어나는 물질을 찾아 레이저에 적용하면 초소형 및 저전력 레이저를 만드는 것도 가능하다.

 

이한석 KAIST 물리학과 교수와 이용희 KAIST 물리학과 교수, 최무한 경북대 전자공학부 교수, 최덕용 호주국립대 교수 연구팀은 23일 브릴루앙 산란 현상이 수백배 잘 일어나는 칼코겐화합물 유리를 이용한 브릴루앙 레이저를 개발하고 기존보다 100배 적은 에너지로 레이저를 작동하게 하는데 성공했다고 밝혔다.

 

칼코겐화합물 유리는 화학적으로 불안정해 깎는 방식으로 원하는 모양을 만들기 어려워 잘 쓰이지 못했다. 연구팀은 역으로 바닥구조를 만든 후 위에 칼코겐화합물 유리를 증착하는 방식을 적용했다. 연구팀은 "겨울철 지붕 위 쌓인 눈 형태가 지붕 형태에 의해 정해지는 것에 비유할 수 있다"고 설명했다.

 

연구팀은 이 제작 기법을 활용해 브릴루앙 레이저를 반도체 칩 상에 소형 광소자 형태로 만드는 데 성공했다. 기존 칼코겐화합물 유리 기반 브릴루앙 레이저보다 100분의 1 수준의 에너지만으로도 구동이 가능했다.

 

연구팀은 "소형화 및 저전력 구동은 레이저 상용화를 위한 필수적인 요소ˮ라며 "공동연구팀의 브릴루앙 레이저 광원 개발은 자율주행에 필요한 거리뿐만 아니라 회전관성 센서의 감도를 획기적으로 개선하는 등 차세대 광센서 개발에 널리 활용될 것으로 기대가 크다ˮ고 말했다. 이번 연구는 지난달 23일 국제학술지 '네이처 커뮤니케이션스'에 실렸다.

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