초소형 전기 구동 광집적회로 구현

서민교 교수

아주경제 이한선 기자 = 국내연구진이 참여한 국제 공동연구팀이 초소형 전기 구동 광집적회로를 개발했다.

미래창조과학부는 서민교 KAIST 물리학과 교수(교신저자)와 미국 스탠퍼드대 재료공학과 마크 브롱거스마 교수(교신저자), 케빈 후앙 박사(공동 제1저자)가 주도한 국제 공동연구진이 전기로 구동되는 가장 작은 크기의 광집적회로를 개발했다고 11일 밝혔다.

연구는 향후 광컴퓨터, 초고속 정보처리 소자, 초소형 광통신 등에 쓰일 나노미터 수준의 광집적회로 구현으로 이어질 수 있을 것으로 기대된다.

이번 연구는 미래부와 한국연구재단이 추진하는 신진연구자지원사업과 기초연구실육성사업의 지원으로 수행돼 네이처 포토닉스지 온라인판 지난달 23일자에 발표됐다.

기존 반도체 기반 전자소자는 수십 나노미터 이하로 소형화할 수 있으나 신호처리 속도에는 한계가 있어 많은 연구자들이 전자소자보다 10배 빠른 처리속도가 가능한 광소자가 이를 대체할 것으로 기대해왔다.

기존 유전체 기반의 광소자는 파장보다 작은 영역에 빛을 가둘 수 없어 전자소자처럼 작게 만들 수 없는 것이 한계였다.

연구팀은 표면 플라즈몬 광도파로를 기반으로 광신호를 빛의 파장보다 훨씬 작은 공간에서 자유롭게 조작할 수 있는 광집적회로(단면 80x150㎚2)를 구현하는데 성공했다.

이는 현재까지 보고된 광집적회로들 가운데 가장 작은 것으로 광소자의 빠른 처리속도와 전자소자 수준의 소형화를 동시에 구현할 수 있어 주목받고 있다.

표면 플라즈몬은 유전체와 금속 경계면을 따라 존재하는 금속 자유전자의 진동으로 금속 표면에 강하게 집속된 전기장을 형성하고 광도파로는 광섬유와 같이 빛을 특정 공간 내에 가둬 전달하는 소자를 말한다.

표면 플라즈몬을 이용하는 광소자는 파장보다 10배 이상 작은 수십 나노미터 영역에 빛을 가두거나 조작할 수 있어 고집적, 고성능 광전자소자는 물론 고효율 발광다이오드, 태양전지, 바이오센서 등의 구현에 많은 주목을 받아 왔다.

이때 관건은 전극 구조를 수십 나노미터 크기 표면 플라즈몬 발생기에 맞게 만들어 전기로 플라즈몬을 발생시키는 것이었다.

연구팀은 광도파로에 빛을 발생시키는 물질을 직접 결합시키고 표면 플라즈몬을 매개하는 금속 구조를 전류 주입을 위한 전극으로 동시에 이용하는 방식으로 크기를 최소화시켰다.

서 교수는 “개발된 전기 구동 표면 플라즈몬 광집적회로는 광소자의 집적도를 크게 높인 것이 성과”라며 “향후 초고속, 초고집적 표면 플라즈몬 변조기와 검출기 개발 등을 통해 광컴퓨터 개발에 한 걸음 더 나아갈 수 있을 것으로 예상한다”고 밝혔다.