초정밀 기계 가공에 의한 고 Q 값 단결정 미소 광 공진기의 제작

광공진기는 공진현상을 이용하여 빛을 가두기 위한 소자로 알려져 있으며, 영어로는 공동을 의미하는 "cavity"와 공명을 의미하는 resonant에서 "resonator"로 라고 불립니다. 가장 간단한 광공진기에서는 한 쌍의 거울 사이에서 반복적으로 반사하여 빛을 가둘 수 있다. 우리의 연구는 이러한 광공진기를 매우 작게, 그리고 고성능으로 제작하여 레이저, 분광기, 센서 등에 활용하고자 하는 것입니다.
이러한 소자를 고Q값 미세광 공진기라고 하는데, 그 제작에는 반도체 공정, 연마 가공, 레이저 가공 등 다양한 고도의 기술이 필요합니다. 여기서 말하는 Q값은 공진기의 성능 지수를 의미하며, 빛을 오래 가둘 수 있는 것일수록 Q값이 높다고 할 수 있다. 일반적으로 높은 Q값을 갖는 미세광 공진기를 제작하기 위해서는 빛의 파장과 동일한 정도의 정밀도로 유리, 실리콘, 불소 소재 등을 가공해야 한다.

본 연구에서는 시스템디자인공학과 카키누마 연구실과 공동으로 초정밀 가공 기술을 이용하여 Q값 1억 이상의 고Q값 단결정 미세 광공진기 제작에 세계 최초로 성공하였습니다. 기존에는 불소 재료를 비롯한 단결정 미세 광공진기 제작에는 연마 가공이 사용되어 왔다. 그러나 이 방법으로는 높은 Q값을 얻을 수 있는 반면, 마이크로미터 단위의 정밀한 구조 제어가 어렵다는 문제점이 있었다. 미세 구조의 제어는 파장 분산에 깊이 관여하며, 특히 마이크로 주파수 콤이라는 레이저 기술에 응용할 때 특히 중요하게 여겨지고 있다. 지금까지 정밀 기계 가공을 이용하여 미세 광 공진기를 만들려는 시도가 있었지만, 표면 거칠기 문제로 인해 부적합한 것으로 여겨져 왔다. 이에 본 연구에서는 불소 재료의 결정구조를 분석하여 절삭 가공 조건을 최적화함으로써 연마 가공에 버금가는 높은 Q값과 구조 제어성을 확보할 수 있었다.
이 방법을 이용하면 고성능의 마이크로 광공진기 소자를 확실하게 제작할 수 있기 때문에 마이크로 주파수 콤을 비롯한 기초 연구뿐만 아니라 산업적으로도 큰 가치가 있다고 할 수 있습니다.