광통신 디바이스에 “트 위치 슬롯 머신”의 개념을 도입-메타 머티리얼을 구현한 광 변조기 개발에 성공-

2015년 03월 23일

도쿄공업대학
이화학 연구소
오카야마 대학교

[요점]
◆InP계 광통신 플랫폼에 트 위치 슬롯 머신의 개념을 도입하는 데 성공
◆ 광 주파수 대역에서 전압 제어 가능한 특수 메타 머티리얼 실현
◆광 변조기의 크기를 현재의 1/100 정도까지 소형화 가능

[개요]● 연구의 배경과 배경
모든 물질은 그 물질을 특성화하는 몇 가지 파라미터를 가지고 있지만, 유전율과 트 위치 슬롯 머신의 두 가지 개념은 전자기파(빛)에 특히 중요하다. 그러나, 일반적인 광통신의 교과서에는 유전율의 기술은 있지만, 트 위치 슬롯 머신에 대해서는 일절 등장하지 않는다. 이것은 "광통신에 사용되는 고주파의 빛에 대해서는 모든 물질의 비트 위치 슬롯 머신은 1이다"라는 순수한 사실이 존재하기 때문이다. 뒤를 돌리면, 현재의 광통신에서는, 본래라면 제어할 수 있는 가능성이 있는 파라미터를 전혀 이용하고 있지 않게 된다.
종래의 광통신에서 사용되고 있는 레이저나 변조기, 광스위치 등의 각종 디바이스는 주로 InP계의 재료로 이루어져 있지만, 이 플랫폼에 있어서, 전술한 「트 위치 슬롯 머신 일정」의 제약을 넘는 것은 큰 의미를 갖는다. 특히 다음 두 가지 점에서 광통신의 세계에 새로운 프론티어를 개척하는 데 기여한다 (그림 1 참조).

1. 기존 디바이스의 대폭적인 소형화·고성능화
   유전율과 트 위치 슬롯 머신, 2개의 파라미터를 동시에 제어함으로써, 본래 굴절률의 가변폭이 좁은 InP계 디바이스 내에서 매우 큰 굴절률 변화를 갖게 하는 것이 가능해진다[주4]. 이것은 기존 디바이스의 대폭적인 소형화·고성능화로 이어진다.
2. 기존 기술의 틀을 넘어서는 성질 구현 가능
   유전율과 트 위치 슬롯 머신을 적당한 값으로 설정함으로써, 부의 굴절률로 대표되는 종래 기술의 틀을 넘어서는 성질을 InP계 플랫폼 상에 생성하는 것이 가능해진다. 이 응용 목적지로서, 광 메모리, 광 무선 안테나 등이 고려된다.

● 연구 결과
이 연구 그룹은 광통신에서 가장 흔한 InP 기반 플랫폼에서 트 위치 슬롯 머신 개념을 도입하는 데 세계 최초로 성공했다. 구체적으로는, InP계 마하 젠더 광 변조기[주5]를 베이스로 하여, 디바이스 내부에 특수한 메타머티리얼[주6]을 실장. 전압인가에 따른 투과율의 변화를 이용하여 투과광의 강도를 변조하는데 성공하여, 디바이스의 대폭적인 소형화가 가능함을 나타내었다.
키가 되는 주요 성과는 아래의 트라이게이트(Tri-gate) 메타 머티리얼과 메타 머티리얼 집적형 마하 젠더 변조기의 2개.

① 트라이게이트(Tri-gate) 메타머티리얼: InP계 화합물 반도체 위에 얕은 그루브를 파고, 그 내부에 나노스케일의 금속 구조를 만들어서 전압 제어가 가능한 특수한 메타머티리얼의 개발에 성공(그림 2 참조). 이 구조에서는, 상부로부터 전압을 인가함으로써, 반도체 내의 캐리어 밀도를 변화시킬 수 있고, 이에 따라 금속 미세 구조의 응답(=메타머티리얼의 특성)에 변화가 생긴다(캐리어 발현의 원리는 3차원 트랜지스터와 동일). 따라서, 전압인가의 유무에 따라 트 위치 슬롯 머신의 값을 제어 할 수있다.
　② 메타머티리얼 집적형 마하 젠더 변조기: 트라이게이트 메타머티리얼의 기술을 광통신 디바이스에 실장함으로써, 「트 위치 슬롯 머신 제어에 의한 메타머티리얼 장착형 변조기」를 실현(그림 3 참조). 이 소자는 마하 젠더 간섭기의 각 암에 트라이 게이트 메타 머티리얼이 일렬로 매립된 구조로 되어 있고, 소자 상부로부터 전압을 인가하여 암부의 트 위치 슬롯 머신을 변화시킴으로써 강도 변조를 행한다.
트 위치 슬롯 머신을 제어함으로써, 본래, 굴절률의 가변폭이 좁은 InP계 디바이스 내에서 큰 굴절률 변화를 갖게 하는 것이 가능해져, 200㎛의 디바이스 길이에서 약 7.0dB(데시벨)의 변조 특성을 얻는 데 성공했다. 유전율과 트 위치 슬롯 머신을 모두 사용함으로써 더욱 고성능화를 도모할 수 있으며, 장래는 실용화되고 있는 기존 디바이스와 동일한 성능을 유지하면서 크기를 1/100 정도까지 소형화할 수 있을 것으로 예상된다.

● 향후 배포
현재의 메타머티리얼 연구의 대부분은 물성 물리학, 혹은 기초 공학의 영역에서 행해지고 있다. 특히 2010년 무렵까지는 '메타 머티리얼의 재료로서의 고유 특성'에 연구의 무게가 놓여 있었지만, 현재는 그 대부분이 디바이스 응용으로 향하고 있다. 실제로 미국에서는 Kymeta사, 캐나다에서는 MTI사(Metamaterial Technologies Inc) 등의 벤처기업도 일어나고 있으며, 드디어 실용화를 향해 움직이고 있다. 이러한 흐름에서도 알 수 있듯이 향후 공학적인 입장 연구가 점점 중요해질 것이 분명하다.
이번 연구는 레이저 변조기를 비롯한 InP계 광통신 플랫폼으로 트 위치 슬롯 머신 개념을 세계 최초로 도입한 것에 특징이 있다. 광 변조기에 한정되지 않고, InP계 광 디바이스에 널리 이용할 수 있기 때문에, 다양한 디바이스의 소형화·고성능화·특수 동작화에 기여할 것으로 기대된다.

[용어 설명](주1) InP계 광통신 플랫폼: 레이저로 대표되는 광통신 디바이스의 대부분은 InP 기판 상에 인듐(In), 갈륨(Ga), 알루미늄(Al), 비소(As), 인(P) 등의 원하는 원소를 조합한 화합물 반도체를 성막하여 만들어진다.비 트 위치 슬롯 머신이란 진공의 트 위치 슬롯 머신과의 비를 취한 것이다.(주 3) 유전율 : 입사 전자파 (본 연구에서는 빛)에 대한 물질의 분극의 용이성을 나타내는 상수 (물질 고유의 전기적 성질을 나타낸다). 비유전율이란 진공의 유전율과의 비를 취한 것이다.(주4) 「굴절률」과 「비유전율·비트 위치 슬롯 머신」의 관계：굴절률 n과 비유전율 ε・비트 위치 슬롯 머신μ 사이에는,이라는 관계가 있다. 비유전율과 비트 위치 슬롯 머신, 2개의 파라미터를 동시에 제어함으로써 기존의 비유전율만을 이용한 굴절률 변화()에 비해 훨씬 더 큰 변화()를 원한다.(주 5) 마하 젠더 변조기 : 전기 신호에 의해 투과광 강도를 변화시키는 외부 광 변조기의 일종. 2개의 광로의 간섭을 이용함으로써, 빛의 강도를 변화시킨다.(주6) 메타머티리얼 : '메타'는 '초월', '머티리얼'은 '물질'을 의미하는 말로, 메타머티리얼은 인공적으로 만들어낸 '초물질' 혹은 '의사물질'이라는 의미가 된다. 즉 자연계에는 없는 성질을 갖춘 인공의 「물질과 같은 것」. 자연계의 원소나 화합물에 고유의 성질을 바꾸려면 화학적 조성을 바꿀 필요가 있지만, 메타머티리얼은 원재료의 물성은 그대로, 초미세한 형상 패턴, 즉 형태에 의해 성질을 변화시킬 수 있다. 이번 발표에서는 자연계에서는 제어할 수 없다고 알려져 있던 트 위치 슬롯 머신을 메타머티리얼에 의해 제어 가능하게 했다.
【논문 정보】
게재지: Scientific Reports
논문 제목: Permeability-controlled Optical Modulator with Tri-gate Metamaterial: Control of Permeability on InP-based Photonic Integration Platform
저자 : T. Amemiya, A. Ishikawa, T. Kanazawa, J. Kang, N. Nishiyama, Y. Miyamoto, T. Tanaka, and S. Arai

언론 발표 자료는 여기를 참조하세요


【문의처】
도쿄 공업 대학 양자 나노 일렉트로닉스 연구 센터
아마미야 토모히로 조교, 아라이 시즈쿠 교수

이화학 연구소 다나카 메타머티리얼 연구실
다나카 타쿠오 준주임 연구원

오카야마 대학 대학원 자연 과학 연구과(공)
이시카와 아츠시 조교
TEL: 086-251-8140