Photonic crystal (광결정)

목차

1. 광결정이란?

2. 광결정의 구조

3. 광결정(Photonic Crystal)의 원리

4. 다양한 응용과 활용
①한국과학기술원 신기술 개발한 도청 땐 광자 깨져 ‘들통’… 초고속 광통신·컴퓨터로도 활용
②전기만 연결하면 작동
③신호 깨져 도청 못해

본문내용

도로 빠른 광컴퓨터가 만들어진다는 의미다.
바로 광결정이 이 일을 실현시킬 것으로 기대된다. 광결정은 두 가지 물질이 주기적으로 배열돼 특정 파장의 빛을 100% 반사하게 할 수 있는 특이한 성질을 가지고 있다. 역으로 생각하면 이 광결정 내부에 공간(cavity)을 만든 뒤, 특정 파장의 빛을 발생시켜 주면 주위를 둘러싼 광결정 벽에 부딪쳐 끊임없이 반사하게 되어 그 빛을 새나가지 않게 가둘 수 있다.
이렇게 작은 공간에 구속된 빛을 증폭하여 외부로 뽑아내면 레이저가 된다. 또한 광결정 내부에 여러 갈래의 길을 내면 빛이 그 통로를 따라 이동하는 광집적회로를 만들 수도 있다. 이런 아이디어를 갖고 지난 9월, KAIST 이용희 교수와 박홍규 박사는 광결정을 기반으로 하는 극미세 레이저를 세계 최초로 구현시켰다. 광결정 레이저는 빛이 생성되는 공간을 매우 작게 만들 수 있기 때문에 매우 적은 에너지만으로도 작동할 수 있는 장점이 있다.
머리카락 굵기의 100분의 1 크기로 빛의 파장보다 작은 광결정 레이저는 전기로 구동되기 때문에 그 동안 적용이 어려웠던 초고속, 고효율의 광통신과 광컴퓨터 등 광전자 기반 기술에 활용이 가능한 차세대 레이저로 각광받고 있다.
③신호 깨져 도청 못해
현재까지 알려진 바로는 광결정 안에 있는 발광물질이 빛을 내도록 하기 위해서는 다른 레이저로 발광물질에 빛을 쏘여야 하는 ‘광 펌핑’ 과정이 필요했다. 그러나 광 펌핑 과정을 거치게 되면 이중 장치가 들어가게 되고 반응도 느려져 실제적으로 산업적 응용이 불가능했다.
전기로 구동되는 광결정 레이저 구현의 핵심기술은 작은 전류가 통하는 길이다. 이 길은 광결정의 특징을 훼손시키지 않고 단지 전류만 흐를 수 있도록 구조의 대칭점에 매우 작게 제작돼 있다. 전기로 구동되는 광결정 레이저는 하나의 광자만을 만들 수 있는 ‘단일 광자원’의 가능성을 열어주고 있다. 단일 광자원은 빛 입자, 즉 빛 알갱이를 하나씩 만들어 통신에 활용할 경우 절대 도청이 불가능하다.
이용희 교수는 “단일 광자원은 양자정보학과 양자통신에 아주 중요하며, 광자를 하나씩 보내는 단일 광자로 통신을 하면 도청을 시도할 때 광자의 상태가 바뀌기 때문에 절대로 도청이 불가능하다”고 말한다. 다시 말해 누군가가 도청을 하려고 하면 하나씩 내보내는 광자의 상태가 깨져 전혀 다른 신호로 바뀌기 때문에 잘못된 정보가 도청되고, 또한 도청 여부도 금방 들통이 난다. 그러나 현재의 광통신은 수많은 광자가 모인 빛다발로 이뤄지기 때문에 신호의 일부만 빼내면 얼마든지 도청이 가능한 반면 지금 신호가 도청되고 있는지의 여부를 판가름하기가 쉽지 않다.
따라서 광결정 레이저는 앞으로 도청이 불가능한 초고속 광통신 구현 등의 산업적 응용에 급물살을 탈 전망이다. 생명체가 오래 전에 만들어 놓은 자연의 발명품인 광구조가 과학자들의 손끝에서 ‘도청 방패막’으로 화려하게 변신할 날도 멀지 않은 것 같다.
Reference
마크 래트너, 대니얼 래트너, 미래를 위한 기술-나노테크놀러지(야스미디어, 2003)
Photonic Crystals : http://physicsweb.org/articles/world/13/8/9
강석기, 빛을 조작하는 자연 나노기술 광결정, 과학동아, blog.naver.com/ssemi81
이건홍, 나노소자 제조를 위한 나노 템플레이트 기술, http://www.cheric.org
Photonic crystals, Physics World, August 2000, http://www.physicsweb.
Photonic Crystals for Controlling the Light - 이기라 · 문준혁 · 양승만

키워드

광결정,   DFB,   hybrid photonic crystal