편광 독립적인 중적외선 그래핀 전기흡수 변조기: 칼코게나이드 유리 도파관 기반

요약

두 개의 그래핀 층이 반타원형 구조로 배치되어 횡자기(TM) 모드와 횡전기(TE) 모드가 동일한 흡수 특성을 갖도록 설계된 편광 비감응성 그래핀 기반 중적외선 광 변조기가 제안되었습니다. 이 소자의 핵심 성능 지표는 편광 민감도 손실(PSL)입니다. 본 소자의 도파관은 기본 TE 및 TM 모드만 지원하며, 두 모드 간의 PSL은 0.24 dB 미만입니다. 소멸비(ER)는 16 dB 이상, 삽입 손실은 1 dB 미만을 달성했습니다. 동작 파장 범위는 2~2.4 μm로 400 nm의 광대역을 커버하며, 이론적 계산 기준 3 dB 변조 대역폭은 최대 136 GHz에 달합니다.

서론

근적외선 파장대의 광섬유 통신망이 전체 통신 네트워크의 핵심이 되고 있는 가운데, 중적외선 대역 역시 군사 및 민간 분야에서 전기광학 소자 응용을 위한 중요한 파장대로 주목받고 있습니다. 적외선 대항, 화학 센싱, 적외선 유도, 환경 모니터링, 우주 통신 등이 대표적인 응용 분야입니다. 또한 1.55 μm 통신 창을 확장하기 위해 중적외선 집적 전기광학 소자(광검출기, 변조기 등) 개발도 활발히 진행되고 있습니다.

최근 그래핀, 칼코게나이드, 흑린 등 2차원 기능성 전기광학 소재가 발견되면서 집적 전기광학 기술 발전이 가속화되고 기존 성능 한계를 극복하고 있습니다. 특히 그래핀은 넓은 스펙트럼에서 일정한 흡수율, 상온에서의 초고속 캐리어 이동도, 전기적으로 제어 가능한 전도도, CMOS 공정 호환성 등 매력적인 장점을 지녀 광 변조기 소재로 이상적입니다. 그러나 지금까지 보고된 그래핀 기반 광 변조기의 대부분은 1.31 μm 또는 1.55 μm 파장대에서 동작합니다. 근적외선과 중적외선의 변조 원리는 동일하지만, 변조기의 동작 파장은 주로 도파관의 투명 창에 의존합니다. 따라서 그래핀 기반 중적외선 변조기 구현의 핵심은 그래핀과 다양한 중적외선 도파관 소재의 통합입니다. 2017년 Lin 등은 Ge₂₃Sb₇S₇₀-그래핀 구조 기반 중적외선 전기흡수 광 변조기를 보고하며 이 분야를 개척했습니다.

그래핀은 전기광학 소재로서 이방성 유전체 특성을 가지며, 이는 실험적으로 입증되었습니다. 평면 내 유전율은 조절 가능하지만 수직 방향 유전율은 2.5로 고정되어 있어, 그래핀은 평면 내 전기장과만 강하게 상호작용합니다. 이 때문에 기존 그래핀 기반 변조기들은 강한 편광 의존성을 보이며, 평면 내 전기장 모드만 변조할 수 있었습니다. 일반적으로 도파관이나 광섬유 내 빛의 편광 상태는 무작위적이므로, 그래핀 변조기의 상용화를 위해서는 편광 의존성 문제를 해결해야 합니다.

본 연구에서는 그래핀 기반 중적외선 편광 독립형 전기광학 변조기의 새로운 구조를 제안합니다. 이 구조는 큰 변조 대역폭과 넓은 스펙트럼에서의 편광 비감응성이라는 장점을 가집니다. SOI 구조와 SiO₂ 클래딩에 매립된 Ge₂₃Sb₇S₇₀ 유리 스트립을 도파관 코어로 사용했으며, Ge₂₃Sb₇S₇₀ 도파관 내에 두 그래핀 층을 U자형(반타원형)으로 배치하고 Ge₂₃Sb₇S₇₀ 유리로 절연했습니다. 이러한 U자형 배치 덕분에 TE와 TM 모드 모두 그래핀과 강하게 상호작용할 수 있으며, 적절한 구조 파라미터 선택으로 편광 의존성을 효과적으로 극복할 수 있습니다. 유한요소법(FEM)을 이용해 U자형 소자의 유효 모드 지수(EMI)와 흡수 계수(α)를 분석한 결과, TE(N_te)와 TM(N_tm) 모드의 EMI 실수부가 화학 포텐셜(μ_c) 변화에 따라 동일한 변동 패턴(일정한 차이 유지)을 보이며, 허수부 역시 넓은 스펙트럼에서 파장 의존성 없이 거의 동일한 변동을 나타냈습니다. 'ON'과 'OFF' 상태의 스위칭 포인트를 적절히 선택함으로써, TE와 TM 모드 모두에서 변조 깊이는 16 dB 이상, 동작 파장 스펙트럼은 2~2.4 μm, PSL은 0.24 dB 미만, 이론적 3 dB 변조 대역폭은 136 GHz를 달성했습니다.

연구 방법

Ge₂₃Sb₇S₇₀ 유리의 투명 창은 2~10 μm 범위로 중적외선 포토닉스에 적합한 소재입니다. Lin 등의 선행 연구에서 Ge₂₃Sb₇S₇₀-그래핀 중적외선 변조기의 실현 가능성이 입증된 바 있습니다. 본 연구에서도 이 유리를 도파관 소재로 채택했습니다. 제안된 변조기의 기하학적 구조는 그림 1에 나타나 있으며, 열 나노임프린트 공정으로 제작되었습니다. 공정 단계는 그림 1에 개략적으로 도시되어 있으며, PDMS 복합 스탬프 및 Ge₂₃Sb₇S₇₀ 유리 용액 제조에 대한 자세한 내용은 참고문헌 [18]을 참조하시기 바랍니다. 기하학적 크기와 소재에 대한 세부 사항은 그림 2b에 제시되어 있습니다.

Si 기판 위에 두께 0.8 μm의 SiO₂ 층을 성장시키고, 포토리소그래피로 폭 0.96 μm, 높이 0.8 μm의 홈을 형성했습니다. Ge₂₃Sb₇S₇₀ 용액을 채우고 열 나노임프린트로 패터닝하여 U자형 홈을 만들었습니다. 평탄한 영역에 10 nm 두께의 육방정계 질화붕소(hBN) 층을 깔고, 첫 번째 그래핀 층, 50 nm 두께(스핀코팅)의 Ge₂₃Sb₇S₇₀ 절연체, 두 번째 그래핀 층을 순차적으로 U자형 홈에 배치했습니다. 마지막으로 U자형 홈을 Ge₂₃Sb₇S₇₀ 용액으로 채우고 hBN 클래딩을 전사한 후 전극을 추가했습니다. 전극 구조는 Au-Pd-그래핀으로, 그래핀과 Pd 사이의 접촉 저항이 100 Ω/μm 미만이기 때문입니다. 전극과 도파관 사이의 그래핀 시트 폭은 0.8 μm입니다. 그림 2c, d는 TE 모드(평면 내)와 TM 모드(수직면)의 전기장 분포를 보여줍니다.

그래핀에 전압을 인가하면 그래핀의 화학 포텐셜 μ_c가 동적으로 조절됩니다. 본 모델에서 그래핀은 이방성 소재로 취급됩니다. 그래핀의 수직 유전율 ε_⊥은 μ_c에 따라 변하지 않고 2.5로 일정한 반면, 평면 내 유전율 ε_‖은 조절 가능합니다.

직선형으로 배치된 두 평면 그래핀 층이 매립된 Ge₂₃Sb₇S₇₀ 스트립 도파관을 제작했습니다(그림 3 삽입도). 그림 3은 파장 2.2 μm에서 TE와 TM 모드의 EMI 실수부와 허수부를 보여줍니다. TE 모드의 EMI는 실수부와 허수부 모두에서 뚜렷한 변화를 보인 반면, TM 모드는 두 부분 모두에서 유의미한 변동이 없었습니다. 주된 이유는 TM 모드의 편광이 그래핀 평면에 수직이고 ε_‖이 화학 포텐셜에서 조절 불가능하기 때문입니다. 본 연구에서는 그래핀 층을 U자형으로 구부려 TE와 TM 모드에 동일한 영향을 주도록 했습니다.

결과 및 논의

그래핀 기반 편광 독립형 전기광학 변조기가 보고된 바 있으나[15-21], 이들 소자의 편광 독립성은 파장과 밀접한 관련이 있습니다[22]. 본 모델에서는 U자형 구조를 사용해 도파관의 편광 민감도가 파장과 약한 상관관계를 가지도록 했습니다. EMI의 허수부는 전기흡수로 알려져 있습니다. 그림 3에서 볼 수 있듯, EMI 허수부는 낮은 화학 포텐셜(μ_c ≈ 0.1 eV)에서 피크에 도달하므로 이 지점을 'OFF' 상태 포인트로 선택할 수 있습니다. 동시에 TE와 TM 모드 간 EMI 허수부 차이는 'OFF' 상태에서 가장 큽니다. 흡수 차이를 낮추기 위해서는 'OFF' 상태에서의 흡수 차이를 최소화하면 됩니다. 파장 2.2 μm, Ra = 0.35 μm(타원의 단반경, 수평축) 조건에서 μ_c를 0.1~0.8 eV로 변화시키며 Rb(타원의 장반경, 수직축)를 변화시켰을 때 TE와 TM 모드의 EMI에 미치는 영향을 분석했습니다(그림 4a). Rb가 0.35에서 0.55 μm로 증가함에 따라 TE와 TM 모드 간 차이가 급격히 감소함을 확인했습니다. 이는 Rb ≈ 0.55 μm 부근에서 더 낮은 PSL 달성이 가능함을 시사합니다. Rb를 0.55 μm 부근에서 세밀하게 변화시키며 분석한 결과, TE와 TM 모드 간 흡수 차이는 Rb 증가에 따라 먼저 감소하다가 다시 증가하는 경향을 보였으며, Rb = 0.565 μm에서 최솟값을 얻었습니다.

Ra = 0.35 μm, Rb = 0.565 μm, 파장 = 2.2 μm 조건에서 화학 포텐셜에 따른 TE와 TM 모드의 EMI 변화를 분석했습니다(그림 5). EMI 실수부는 TE와 TM 모드에서 동일한 변동 경향을 보이며 일정한 차이를 유지했습니다. 전기흡수 원리 기반 변조기이므로 EMI 허수부만 고려하면 됩니다. 모든 μ_c 값에서 TE와 TM 모드의 α(허수부에 비례)는 거의 동일했습니다. 이는 편광 독립형 전기흡수 변조기 설계에 필수적인 특성입니다. α의 최고값과 최저값은 각각 μ_c = 0.1 eV('OFF' 상태)와 0.8 eV('ON' 상태)에서 얻어집니다.

파장에 따른 α 변화는 그림 6a, b에 나타냈습니다. 'OFF' 상태(강한 흡수)에서 두 모드의 α는 파장 변화에 따라 거의 동일하게 변동하며, 그 차이도 상대적으로 작게 유지됩니다. 'ON' 상태에서는 TE와 TM 모드 간 α 차이가 10^–4 수준입니다. 두 모드 간 차이를 더 정확히 측정하기 위해 PSL을 PSL = ER(TE) - ER(TM)로 정의했습니다(ER은 소멸비). 200 μm 길이 도파관 조건에서 파장에 따른 두 모드의 변조 깊이를 측정했습니다(그림 7). 2~2.4 μm의 넓은 스펙트럼 범위에서 두 모드 모두 16 dB 이상의 변조 깊이를 보이며, PSL은 0.24 dB 미만입니다.

광 변조기에서 3 dB 변조 대역폭 f_3dB는 중요한 파라미터입니다. 그래핀은 상온에서 초고속 캐리어 이동도를 가지므로, 그래핀 기반 변조기의 동작 속도는 기존 반도체 변조기처럼 소수 캐리어 수명에 의해 제한되지 않습니다. 그래핀 변조기의 f_3dB는 주로 RC 지연에 의해 결정되며, f_3dB = 1/(2πRC)로 표현됩니다. R은 그래핀 시트 저항 Rs와 금속-그래핀 접촉 저항 Rc를 포함한 총 저항이며, C는 주로 두 그래핀 플레이크로 형성된 커패시턴스입니다. 이 커패시터는 이상적인 평행판 모델은 아니지만, f_3dB를 예비 추정하기 위해 평행판 모델을 사용했습니다. 계산에 Rc = 100 Ω/μm, Rs = 200 Ω/μm, 두 그래핀 플레이크의 중첩 폭 약 1.53 μm를 사용했으며, 추정된 f_3dB는 최대 136 GHz입니다. 향후 Rs와 Rc가 더 낮아질 경우 더 높은 f_3dB 달성이 가능합니다.

위 시뮬레이션은 Ra = 0.35 μm, Rb = 0.565 μm의 반타원형 구조를 기준으로 했으나, 실제 제작 시 정확한 반경 크기를 보장하기 어렵습니다. 따라서 제작 공차도 조사했습니다(그림 8). Ra가 0.345~0.355 μm 범위에서 변동하거나(그림 8a), Rb가 0.56~0.57 μm 범위에서 변동할 때(그림 8b), 두 모드 간 PSL은 여전히 0.6 dB 미만으로 유지됩니다. 즉, 본 소자는 큰 제작 공차를 가집니다.

결론

본 연구에서는 광대역 편광 독립형 그래핀 기반 중적외선 전기흡수 광 변조기 개념을 제안했습니다. U자형 이중층 그래핀을 칼코게나이드 유리 도파관에 배치한 구조에서, 다양한 그래핀 화학 포텐셜, 파장, 단반경 길이에 따른 TE와 TM 모드의 그래핀 유도 EMI 변화를 조사했습니다. 그 결과, 중적외선 2~2.4 μm 대역에서 TE와 TM 모드가 거의 동일한 흡수 계수 변동을 보여 편광 독립형 변조 요구사항을 충족함을 확인했습니다. 200 μm 길이 변조기 기준으로 변조 깊이는 16 dB 이상, 두 모드 간 변조 깊이 차이는 0.24 dB, 이론적 변조 대역폭은 136 GHz에 달합니다. 이 중적외선 편광 독립형 그래핀 기반 전기광학 변조기가 중적외선 대역 그래핀 변조기 연구를 더욱 촉진할 것으로 기대됩니다.

데이터 및 소재 가용성

본 연구에서 생성되거나 분석된 모든 데이터는 이 게재된 논문에 포함되어 있습니다.

약어

ER:

소멸비 (Extinction Ratio)

TM:

횡자기 (Transverse Magnetic)

TE:

횡전기 (Transverse Electric)

PSL:

편광 민감도 손실 (Polarization-Sensitivity Loss)

FEM:

유한요소법 (Finite Element Method)

EMI:

유효 모드 지수 (Effective Mode Index)

hBN:

육방정계 질화붕소 (Hexagonal Boron Nitride)