고려대학교 물리학과 공수현 교수팀이 초박막 2차원 반도체를 이용하여 길이 및 두께가 각각 10 μm, 20 nm인 초소형 광변조기를 개발하는데 성공했다.
광모듈레이터는 전류를 on/off 상태로 제어하는 전자 트랜지스터처럼 빛의 세기를 제어하는 매우 핵심적인 장치이다. 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 빛을 세기를 제어하기 위해서는 광도파로의 굴절율을 제어하여 가능하다. 하지만 대부분의 광모듈레이터는 물질의 굴절율의 변화가 매우 미미하여 광도파로의 길이당 광변조량에 제약이 있었다. 따라서 빛 세기를 제어하기 위해서는 수백 마이크로미터에서 수 밀리미터의 소자의 크기가 필요했다.
이런 이유로 광모듈레이터의 소형화는 본질적인 한계가 있어서 기존의 광모듈레티어는 주로 광통신에 활용되어 왔었다. 하지만 최근에는 VR/AR 시스템, 양자광집적회로, AI 광회로 등 다양한 응용 분야에서 그 필요성이 부각되고 있어 광모듈레이터의 소형화가 요구되고 있다.
이번 연구에서는 2차원 반도체를 활용하여 광모듈레이터의 크기를 50 배 이상 줄이는 데에 성공하였다. 2차원 반도체는 매우 높은 굴절율을 가지고 있어 두께가 10 nm 정도인 광도파로를 구현할 수 있다. 2차원 반도체의 굴절률이 높은 이유는 반도체의 밴드갭 근처에서 빛과의 공진 현상이 강하게 일어나기 때문이다. 따라서 2차원 반도체의 밴드갭을 제어하면 굴절율을 매우 효과적으로 바꿀 수 있게 된다.
공수현 교수팀은 외부 레이저를 이용하여 광도파로의 굴절율 변화를 관측하였으며 이를 바탕으로 광모듈레이터 성능을 실험적으로 구현하였다. 외부 레이저로 인한 2차원 반도체의 굴절율이 변화가 매우 크기 때문에 2 um 로 매우 짧은 모듈레이션 길이에도 빛의 세기를 효과적으로 제어할 수 있었다.
이번 연구 결과는 광변조기뿐만 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.
이번 연구성과는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구자지원사업, 차세대지능형반도체기술개발사업과 삼성미래기술육성사업의 지원으로 수행됐으며, 공교수의 지도를 받아 이성원 박사(공동 1저자) 및 이종석 석사(공동 1저자)가 수행하였고, 국제학술지인 네이처 커뮤니케이션(Nature Communications, IF=17.694)에 3월 14일자 온라인 게재됐다.