매일일보 = 김수현 기자 | 고려대학교는 공수현 물리학과 교수팀이 초박막 2차원 반도체를 이용하여 길이 및 두께가 각각 10μm, 20nm인 초소형 광변조기를 개발했다고 19일 밝혔다.
광모듈레이터는 전류를 on/off 상태로 제어하는 전자 트랜지스터처럼 빛의 세기를 제어하는 매우 핵심적인 소자다. 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 뛰어나다.
광도파로에 전파되는 빛의 세기를 제어하기 위해서는 광도파로의 굴절률을 제어해야 한다. 하지만 대부분의 광모듈레이터는 물질의 굴절률의 변화가 매우 적어 광도파로의 길이 당 광변조량에 제약이 있었다. 따라서 빛 세기를 제어하기 위해서는 매우 작은 크기의 소자가 필요했다.
이로 인해 광모듈레이터 소형화에는 한계가 있었고, 기존 광모듈레이터는 주로 광통신에 활용됐다. 그러나 최근 △VR·AR 시스템 △양자광집적회로 △AI 광회로 등 다양한 분야에서 소형화된 광모듈레이터의 필요성이 커지고 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.
특히 연구팀은 외부 레이저를 이용하여 광도파로의 굴절률 변화를 관측했고 이를 바탕으로 광모듈레이터 성능을 실험적으로 구현했다. 그 결과 2μm로 매우 짧은 모듈레이션 길이에도 빛의 세기를 효과적으로 제어하는 것이 가능했다.
이번 연구는 광소자들을 초박막 2차원 반도체를 기반으로 구현하는 가능성을 보여줬고, 초소형 광집적회로 발전에 큰 영향을 줄 것으로 전망된다.
공 교수는 “2차원 반도체의 가능성을 보고 시작한 연구였지만 기대보다 훨씬 더 좋은 성능을 보여줘서 놀라웠던 연구였다”며, “2차원 반도체에 존재하는 광학 모드의 높은 비선형성을 활용하여 AI 연산용 포토닉소자 연구로 확장하고자 한다”고 말했다.
