국내 연구자가 포함된 국제 공동 연구진이 반도체보다 10배 빠른 초소형 광집적회로를 개발했다. 전자 집적회로의 장점인 초소형 크기와 광집적회로의 장점인 빠른 속도를 동시에 구현했다. 이 기술은 광컴퓨터, 초고속 정보처리 소자, 초소형 광통신 등에 쓰일 나노미터 수준의 차세대 광집적회로 개발에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.
11일 미래창조과학부는 서민교 KAIST 물리학과 교수와 마크 브롱거스마 미국 스탠퍼드대 재료공학과 교수, 케빈 후앙 박사가 참여한 공동 연구진이 초소형 광집적회로를 구현했다고 밝혔다.
기존 반도체 기반 전자소자는 수십 나노미터 이하로 소형화할 수 있으나, 전기를 이용한 신호처리 속도에 한계가 있었다. 이에 따라 전자소자보다 10배 빠른 100㎓ 수준의 속도를 구현할 수 있는 광소자가 주목받지만, 전자소자처럼 작게 만들지 못하는 문제가 있었다.
연구진은 이번 연구에서 유전체와 금속 경계면을 따라 존재하는 금속 자유전자의 진동으로 금속 표면에 강하게 집속된 전기장을 형성하는 표면 플라즈몬을 이용했다. 표면 플라즈마 광도파로를 통해 빛의 파장보다 훨씬 작은 공간에 자유롭게 조작할 수 있는 광집적회로(단면 80×150나노미터)를 구현했다.
현재까지 보고된 광집적회로 가운데 가장 작은 크기로, 광소자의 빠른 처리속도와 전자소자 수준의 소형화를 동시에 구현해 주목받고 있다.
표면 플라즈몬을 이용하는 광소자는 파장보다 10배 이상 작은 수십 나노미터 영역에 빛을 가두거나 조작할 수 있어 고집적, 고성능 광전자소자는 물론이고 고효율 발광다이오드, 태양전지, 바이오센서 등에 활용될 것으로 기대된다.
연구팀은 광도파로에 빛을 발생시키는 물질을 직접 결합하고, 표면 플라즈몬 매개 금속을 전류 주입을 위한 전극으로 이용해 크기를 최소화했다.
서 교수는 “개발된 전기 구동 표면 플라즈몬 광집적회로는 광소자 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 본다”고 말했다.
이번 연구는 미래부와 한국연구재단이 추진하는 신진연구자지원사업과 기초연구실육성사업 지원으로 수행됐다. 연구결과는 국제 학술지 ‘네이처 포토닉스(Nature Photonics)’ 온라인판 2월 23일자에 발표됐다.
권건호기자 wingh1@etnews.com
