능동 변조 집적 광 소자의 구현을 위한 그래핀 플라즈모닉스

Abstract

육방 격자 구조 형태로 결합되어 있는 탄소 원자들의 단일 격자 층으로 이루어진 그래핀은 이차원 (2D) 구조 특성, 선형적 분산 특성 (linear dispersion with the massless Dirac point)에 따른 매우 높은 전기 전도성 등의 많은 장점을 가지고 있기 때문에 극한 파장 한계 이하 영역의 플라즈모닉스를 위한 차세대 구성 물질로 각광을 받고 있다. 특히, 그래핀 자체의 저차원 구조 특성은 광학 소자의 집적도를 향상시킬 수 있고, 도핑 레벨 조절에 따른 전기 전도도의 변화 특성은 그래핀의 광학적 특성에 대한 변조 가능성과 직결됙기 때문에 광 흡수체, 광 변조기, 메타 물질 등과 같은 다양한 그래핀 기반의 능동 변조 플라즈모닉 소자에서 화학적 도핑이나 직류 전기장 바이어스의 인가를 통해 그래핀의 전기 전도도를 조절함으로써 빛의 흐름을 제어하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 본 연구에서는 그래핀 플라즈몬의 탁월한 특성들을 활용하여 능동 변조 집적 광 소자를 구현하고 빛의 흐름을 보다 효율적으로 제어하기 위한 방안을 제시하는 데에 초점을 두고 있으며, 그래핀 플라즈몬 모드에 대한 제어 및 변조 효율 증대를 위해 light-graphene 상호작용 및 모드 국소화 특성을 향상시킬 수 있는 그래핀 플라즈모닉 시스템들을 제안하고자 한다. 배경 이론에서는 그래핀의 광학적 전기 전도도에 대한 이론적 해석 모델인 magneto-optical 전기 전도도 모델에 대한 고찰을 바탕으로 그래핀의 광학적 흡수 전이 특성과 복소 표면 전기 전도도 사이의 관계를 규명하고, 주파수 응답 특성 및 도핑 레벨에 따른 변조 특성을 확인하였다. 또한, 이러한 magneto-optical 전기 전도도를 갖는 그래핀 단층 박막의 표면에서 발생하는 그래핀 플라즈몬 모드들에 대한 기초 이론과 수치 해석 전산 모사에서 그래핀 단층 박막을 다루는 대표적인 방식을 설명하였다. 먼저, 이러한 이론적 배경을 바탕으로 그래핀 기반의 저차원 metal-gap-dielectric (MGD) 도파로 시스템을 제안하였다. 저차원 MGD 도파로 시스템은 두 일차원 경계 조건에 의하여, gap 그래핀 층에 강하게 국소화되어 전파하는 저차원 하이브리드 그래핀 갭 플라즈몬 (H-GGP) 모드를 발생시키며 이러한 H-GGP 모드의 독특한 전기장 분포 패턴에 기인하여 매우 향상된 light-graphene 겹침 수치를 갖는다. 또한 이와 같이 증가한 light-graphene 겹침 수치의 영향으로, H-GGP 모드는 그래핀의 도핑 레벨 변조에 대하여 mode profile은 안정적으로 유지하면서 전파 상수의 변조 민감도 향상과 선형 변조가 가능한 특성을 보인다. 한편, 그래핀 플라즈몬의 lateral 방향 모드 국소화를 위한 유전체 부하 그래핀 플라즈몬 (DLGSP) 도파로 구조를 제안하였는데, 이는 그래핀을 재단하거나 표면 전기 전도도를 공간적으로 변조할 필요가 없기 때문에 나노 공정 기술을 이용한 제작이 용이하고 다양한 구조로 응용이 가능한 장점을 갖는다. 또한 DLGSP 모드는 높은 유효 모드 굴절률 특성을 보이고 그래핀의 표면 전기 전도도 변화에 대해 매우 민감한 변조 특성을 갖기 때문에 이러한 특성들을 기반으로 설계한 결합 DLGSP 도파로 시스템에서는 주기가 매우 짧은 블로흐 진동 현상의 구현이 가능하며 그래핀의 도핑 레벨 변조를 통해 블로흐 진동의 전파 특성 (주기 및 진동)을 파장 한계 영역에서 효율적으로 제어할 수 있다. 또한, 그래핀의 저차원 구조 특성에 의한 광 흡수 효율 감소 문제를 극복하고 광 흡수 특성을 극대화하기 위해 그래핀-유전체 다층 박막 구조 기반의 광대역 완전 광 흡수체를 제안하였다. 제안한 톱날 형태의 광 흡수 구조체는 쌍곡 메타물질 도파로의 느린 빛 모드를 활용함으로써 그래핀에 의한 완전 광 흡수 특성이 넓은 주파수 대역에서 유지할 뿐만 아니라 그래핀의 도핑 레벨 조절을 통해 완전 광 흡수 대역의 능동 변조가 가능한 장점을 갖는다. 이러한 연구 결과들은 그래핀 자체의 저차원 구조 특성으로 인해 광학 모드와 그래핀의 상호 작용이 감소하는 근본적인 문제점을 보완하고 그래핀 플라즈몬 모드에 대한 제어 및 변조, 광 흡수 효율을 극대화하는 기술에 활용할 수 있기 때문에 능동 변조 집적 광 소자의 개발 및 성능 향상을 위한 다양한 응용 가능성과 자유도를 제시할 수 있다.