나노기술 및 정책 정보

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오사카(大阪)대학 대학원 공학연구과, 대만대학 등의 국제 공동 연구그룹이 단결정 실리콘(Si)으로 구성된 나노 광공진기에서 비선형 광학정수가 자연 값보다 10만 배 큰 비선형 광학 산란이 일어나는 것을 발견함. 연구진은 연속 레이저 광을 정육면체형 실리콘 나노 공진기에 조사(照射)하고 산란광 스펙트럼을 조사한 결과, 전력이 105W/cm2인 광 빔이 닿으면 산란광 강도가 포화되는 비선형 광학 산란이 일어나는 것을 발견함. 이는 기존에 알려져 있던 벌크 실리콘에서 비선형 광학 산란이 발생하게 된다고 여겨지는 전력의 10만분의 1이라는 극히 낮은 전력임. 또한 이 포화 현상은 공진기의 크기에 따라 변화됨을 확인함. 빛의 파장과 같은 정도의 크기의 나노 구조에 빛을 쬐면 미(Mie) 공진에 의해 특정 파장의 빛이 공명적으로 산란되며, 이 때 빛의 일부는 공진기 내에 강하게 갇히기 때문에, 내부에 수백 ℃에 이르는 급격한 온도 상승이 발생할 수 있음. 그 결과, 열 광학 효과에 따라 굴절률이 변화하여 산란 강도가 직선에서 크게 어긋나게 됨. 한편, 광 공진기의 부피가 0.001μm3으로 작기 때문에 축적된 열량은 적고, 레이저를 OFF로 하면 즉시 기판에 방열됨. 이에 따라 파장 592nm의 빛을 제어광으로 ON/OFF함으로써 543nm의 신호광 산란 강도가 변조되는 광·광 스위칭을 실현함. 본 연구 성과는 실리콘 포토닉스 소자에 있어 전광 스위치 소자 및 초 고해상도 이미징 등에 응용될 것으로 기대됨.

본 연구 성과는 ‘Nature Communications’ (“Giant photothermal nonlinearity in a single silicon nanostructure”) 지에 게재됨.