KAIST, 전기및전자공학부 김상식 교수팀, 나노 스케일에서 새로운 광 결합 메커니즘 발견

- 빛을 반도체 칩 안에 가두고 제어하는 광반도체 소자의 집적도 100배 이상 향상

- 집적 광학 회로 기반으로 하는 양자 기술 및 라이다 등에 적용할 수 있을 것으로 기대

빛이 개발된 메타물질 기반 광반도체의 도파로 배열에서 혼선없이 전판되는 것을 묘사한 일러스트 (1)

KAIST 전기및전자공학부 김상식 교수

빛을 나노 스케일의 광학회로에 가두고 제어하여 이를 활용하는 분야를 직접나노광학(integrated nanophotonics)이라고 한다. 쉽게 말해 초고속 인터넷에서 활용되는 광섬유 시스템을 작게 만들어 칩으로 제작한다고 생각하면 된다. 기존의 컴퓨터나 핸드폰과 같은 전자제품들은 전자(electron)의 흐름을 제어하는 반도체칩을 기반으로 이루어지는데, 집적나노광학은 전자(electron) 대신 광자(photon)를 활용한다고 보면 된다. 따라서 광반도체라고 일컫기도 하고, 전통적으로 실리콘 플랫폼에서 많은 연구가 이루어져서 실리콘 포토닉스라고도 불리는데, 최근에는 다양한 플랫폼에서 연구가 되어 그 의미가 좀 더 넓어졌다고 보면 된다.

라이다(LiDAR) 및 양자 센서·컴퓨터와 같은 복잡한 광학 시스템을 하나의 작은 칩으로 만들어 줄 수 있어 세계적으로 많은 연구와 투자가 이루어지고 있는 차세대 반도체 기술이 집적 광학 반도체(이하 광반도체) 기술이다. 기존의 반도체 기술에서 5나노, 2나노 등의 단위로 얼마나 작게 만드느냐가 관건이었는데, 광반도체 소자에서 집적도를 높이는 것은 성능, 가격, 에너지 효율 등을 결정짓는 핵심적인 기술이라 말할 수 있다.

KAIST 전기및전자공학부 김상식 교수 연구팀이 광반도체 소자의 집적도를 100배 이상 높일 수 있는 새로운 광 결합 메커니즘을 발견했다고 19일 밝혔다.

하나의 칩당 구성할 수 있는 소자 수의 정도를 집적도(集積度)라고 하는데, 집적도가 높을수록 많은 연산을 할 수 있고 공정 단가 또한 낮춰준다. 하지만 광반도체 소자의 집적도를 높이기는 매우 어려운데, 이는 빛의 파동성으로 인해 근접한 소자 사이에서 광자 간에 혼선(crosstalk)이 발생하기 때문이다.

기존 연구에서는 특정 편광에서만 빛의 혼선을 줄여줄 수 있었는데, 연구팀은 이번 연구에서 새로운 광 결합(coupling) 메커니즘의 발견으로써 기존에는 불가능이라 여겨졌던 편광 조건에서도 집적도를 높이는 방법을 개발했다.

김상식 교수가 교신저자로 주도하고 미국 텍사스 공과대학 재직 당시 지도하던 학생들과 함께한 이번 연구는 국제학술지‘라이트: 사이언스 앤 어플리케이션(Light: Science & Applications)’ [IF=20.257]에 6월 2일 字 게재됐다. (논문명: Anisotropic leaky-like perturbation with subwavelength gratings enables zero crosstalk).

김상식 교수는 “이번 연구가 흥미로운 점은 기존에는 오히려 빛의 혼선을 크게 해줄 거라고 여겨졌던 누설파(leaky wave, 빛이 옆으로 잘 퍼지는 특성을 가짐)를 통해 역설적으로 혼선을 없애준 점이다”라며 “이번 연구에서 밝혀진 누설파를 이용한 광 결합 방법을 응용한다면 더욱 작고 노이즈가 적은 다양한 광반도체 소자를 개발할 수 있을 것이다”라고 말했다.

김상식 교수는 광반도체의 집적도에 있어서 전문성과 연구 업적을 인정받는 연구자다. 선행 연구를 통해 반도체 구조물을 파장보다 작은 크기로 패턴화해 빛이 옆으로 퍼지는 정도를 제어할 수 있는 무손실 메타물질(all-dielectric metamaterial)을 개발했고, 실험을 통해 이를 입증해 광반도체 집적도에 있어서 세계적인 기록을 보유하고 있다. 이러한 연구는 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications) 9, 1893 (2018)’와 ‘옵티카(Optica) 7, 881-887 (2020)’에 보고됐다. 김 교수는 이러한 성과를 인정받아 미국 국립과학재단(National Science Foundation, NSF)에서 NSF 커리어 어워드(NSF Career Award)와 재미한인과학기술자협회에서 젊은과학기술자상을 수상한 바 있다.

한편 이번 연구는 한국연구재단 우수신진연구 사업 및 미국 NSF의 지원을 받아 수행됐다.

□ 연구개요

하나의 칩당 구성할 수 있는 소자의 수를 집적도(集積度)라고 하는데 집적도가 높을수록 많은 연산을 할 수 있고, 공정상의 단가도 낮춰주고, 또 필요한 전력 소모량을 줄여주는 등 여러모로 중요하다. 반도체 칩과 관련된 뉴스를 보면 5나노, 2나노 공정 하면서 얼마나 작게 만드느냐가 이슈인데, 같은 맥락에서 이해하면 된다. 반도체칩과 마찬가지로 광학칩 또한 집적도를 높이는 것은 성능, 가격, 에너지 효율 등에 있어서 매우 중요하다. 하지만 광학칩의 직접도를 높이기는 매우 어려운데 이는 빛의 파동성으로 인해 근접한 소자 사이에서 광자 간에 혼선이 발생하기 때문이다. 이러한 광학 소자의 직접도를 높이는 연구는 많은 연구자들이 오랫동안 연구해온 주제이다.

통상 누설파라고 하면 파동이 진행함에 따라 에너지가 횡단으로 새어 나가는 파동을 말한다. 집적나노광학에서 누설파는 멀리 떨어져 있는 도파로 간의 신호 교환 등에 활용된다. 누설파의 이러한 특성은 광학칩의 도파로 사이의 혼선을 키워주게 되고, 따라서 누설파는 집적도를 크게 낮추는 파동으로 여겨져 왔다. 이에 본 연구에서는 서브파장 격자 구조를 통해 누설파에서의 광학 혼선을 없애 주었다. 서브파장 격자구조는 그 구조적 특성을 제어하여 이방성을 가지는 메타물질을 형성하는데, 이러한 이방성을 이용한 새로운 커플링 방법을 고안한 것이다.

2. 기대효과

누설파를 활용한 새로운 커플링 매커니즘의 발견은 비단 광학칩 뿐만 아니라 다른 파장 영역으로 확장될 수 있어 그 활용도가 기대된다.

광학칩의 집적도를 한단계 더 높여주어, 광학칩을 활용한 다양한 기술의 전반적인 성능 및 가격을 높여줄 수 있다.

□ 용어설명

-광학 혼선 (Optical crosstalk)

광학 신호가 각 채널간에 혼선을 일으키는 정도를 나타낸다. 도파로의 길이가 가까워질수록 채널간의 신호가 서로 간섭하게 되어 원하는 신호를 전달하지 못하게 된다. 이를 피하기 위해 광학칩에서는 도파로 간의 간격을 일정 거리 이상 떨어트려 줘야 하는데, 이러한 도파로 간의 필요 분리 거리가 광학칩의 집적도에 한계를 가져오게 된다.

□ 서브파장 격자 (subwavelength grating, SWG)

○ 구조의 주기 길이가 파장보다 작은 격자 구조.

○ 격자 주기가 파장보다 작을 경우, 이 격자는 더 이상 빛을 회절시키는 격자의 역할을 하지 않게 되고 이방성을 가지는 유효 매질로 표현된다.

- 무손실 메타물질 (all-dielectric metamaterial)

○ 메타물질은 기존 자연계에 존재하지 않은 물질로서, 구조물을 나노스케일에서 제어 함에 따라 물성을 조율할 수 있는 물질을 일컫는다.

○ 초창기의 메타물질 연구는 광손실이 많은 금속과 같은 물질을 많이 활용했는데, 이는 기존 메타물질의 많은 한계로 작용했다. 이에 반하여 무손실 메타물질은 광손실이 없는 물질의 구조적 특성에 변화를 주어 광학 출력의 관점에서 많은 이점을 가져온다.

○ 서브파장 격자는 커다란 이방성을 가져오고 이를 제어할 수 있는 무손실 메타물질로 볼 수 있다.

- 누설파 (Leaky wave)

○ 누설파는 파동이 진행함에 따라 에너지가 측면으로 새어나가는 파동을 말한다.

○ 통상 누설파는 광학 혼선을 더 크게 하여 집적도에 적합하지 않다.

KAIST 홍보실 제공