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연구 

초박막 2차원 반도체 기반 초소형 광모듈레이터 개발
  • 글쓴이 : 커뮤니케이션팀
  • 조회 : 2029
  • 일 자 : 2024-03-19


초박막 2차원 반도체 기반 초소형 광모듈레이터 개발
초소형 광 집적회로를 구현할 가능성 확인
공수현 교수 연구팀 국제 학술지 ‘Nature Communication’ 게재

 

 

(왼쪽에서) 이성원 박사(제1저자, 고려대), 이종석 석사(제1저자, 고려대), 공수현 교수(교신저자, 고려대 물리학과)

▲ (왼쪽에서) 이성원 박사(제1저자), 이종석 석사(제1저자), 공수현 교수(교신저자, 물리학과)

 

 

물리학과 공수현 교수팀은 초박막 2차원 반도체를 이용하여 길이 및 두께가 각각 10μm, 20nm인 초소형 광변조기를 개발했다.


이번 연구는 국제학술지인 ‘Nature Communications(네이처 커뮤니케이션, IF=17.694)’에 3월 14일 온라인 게재됐다.

* 논문명: Ultra-compact exciton polariton modulator based on van der Waals semiconductors
* URL: ttps://www.nature.com/articles/s41467-024-46701-1

광모듈레이터는 전류를 on/off 상태로 제어하는 전자 트랜지스터처럼 빛의 세기를 제어하는 매우 핵심적인 소자이다. 광모듈레이터로 데이터를 처리하면 데이터를 빛의 속도만큼 빠르게 전송할 수 있으며 대역폭이 매우 넓어 많은 데이터를 빠르게 처리할 수 있다. 또한, 전자소자와 달리 열을 거의 발생시키지 않아 에너지 효율도 매우 뛰어나다.

광도파로에 전파되는 빛의 세기를 제어하기 위해서는 광도파로의 굴절률을 제어하면 된다. 하지만 대부분의 광모듈레이터는 물질의 굴절률의 변화가 매우 미미하여 광도파로의 길이당 광변조량에 제약이 있었다. 따라서 빛 세기를 제어하기 위해서는 수백 마이크로미터에서 수 밀리미터 소자의 크기가 필요했다.

이런 이유로 광모듈레이터의 소형화는 본질적인 한계가 있어서 기존의 광모듈레이터는 주로 광통신에 활용되어 왔다. 하지만 최근에는 VR/AR 시스템, 양자광집적회로, AI 광회로 등 다양한 응용 분야에서 그 필요성이 부각되고 있어 광모듈레이터의 소형화가 요구되고 있다.

이번 연구에서는 반데르발스 물질인 2차원 반도체를 활용하여 광모듈레이터의 크기를 50배 이상 줄이는 데에 성공했다. 2차원 반도체는 매우 높은 굴절률을 가지고 있어 두께가 10nm 정도인 광도파로를 구현할 수 있다. 2차원 반도체의 굴절률이 높은 이유는 반도체의 밴드갭 근처에서 빛과의 공진 현상이 강하게 일어나기 때문이다. 따라서 2차원 반도체의 밴드갭을 제어하면 굴절률을 매우 효과적으로 바꿀 수 있게 된다.

공수현 물리학과 교수 연구팀은 외부 레이저를 이용하여 광도파로의 굴절률 변화를 관측하였으며 이를 바탕으로 광모듈레이터 성능을 실험적으로 구현했다. 외부 레이저로 인한 2차원 반도체의 굴절률이 변화가 매우 크기 때문에 2μm로 매우 짧은 모듈레이션 길이에도 빛의 세기를 효과적으로 제어할 수 있었다.

이번 연구 결과는 광모듈레이터 뿐만 아니라 광집적회로를 이루는 광소자들을 초박막 2차원 반도체를 기반으로 구현하는 가능성을 보여주었으며, 더 나아가서 초소형 광집적회로 구현이 가능해져 광집적회로를 활용하는 기술 분야의 발전에 큰 영향을 줄 것으로 보인다.

공수현 물리학과 교수는 “2차원 반도체의 가능성을 보고 시작한 연구였지만 기대보다 훨씬 더 좋은 성능을 보여줘서 놀라웠던 연구이며, 이런 2차원 반도체에 존재하는 광학 모드의 높은 비선형성을 활용하여 AI 연산용 포토닉소자 연구로 확장하고자 한다.”라고 밝혔다.

이번 연구 성과는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구자지원사업, 차세대지능형반도체기술개발사업과 삼성미래기술육성사업의 지원으로 수행됐다.

 

 

<그림 1>

[그림 설명] 2차원 반도체를 기반으로 하는 초소형 광모듈레이터 개발

[그림 설명] 2차원 반도체를 기반으로 하는 초소형 광모듈레이터 개발

본 연구에서는2차원 반도체에서 형성되는 엑시톤의 에너지를 변조 유도 레이저를 이용하여 제어할 수 있음을 이용하여, 한 쪽 광도파로의 굴절률을 변조 유도 레이저의 출력으로 제어하여 광변조를 유도하는데 성공했다. 이 방식은 굉장히 짧은 길이에서도 큰 변조를 일으키는 것으로 확인되었으며, 그에 따라 상용화 측면에서 연구되고 있는 유전체 기반의 변조기보다 작은2차원 반도체를 기반의 초소형 광모듈레이터를 개발할 수 있었다.

 

 

<그림 2>

[그림 설명] 변조 유도 레이저 출력에 따른2차원 반도체의 굴절률 제어

[그림 설명] 변조 유도 레이저 출력에 따른2차원 반도체의 굴절률 제어

변조 유도 레이저의 출력에 따라 엑시톤 에너지가 제어될 수 있음을 확인한 실험 결과이다.변조 유도 레이저의 출력이 증가함에 따라 엑시톤의 에너지가 감소하는 것을 확인할 수 있다. 내부의 그래프는 엑시톤 에너지가 감소함에 따라 굴절률의 실수와 허수 부분이 각각 어떤 변화를 보이는지를 보여준다.

 

<그림 3>

[그림 설명] 변조 유도 레이저의 출력으로 제어하는 변조 정도

[그림 설명] 변조 유도 레이저의 출력으로 제어하는 변조 정도

변조 유도 레이저의 출력에 따라 광모듈레이터에서 유도되는 변조를 제어할 수 있음을 확인한 실험 결과이다.(a) 변조 유도 레이저의 출력에 따른 각 파장에서 유도되는 변조 정도를 보여준다. (b) 변조 유도 레이저의 출력에 따른 변조를 유도한 길이당 최대 변조 정도를 보여준다. (c) 초박막2차원 반도체 기반의 광모듈레이터가 변조 유도 레이저가 구동됨에 따라 안정적으로 동작함을 보여준다.