[연재강좌] 포토닉 결정 기술 최근 동향

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[연재강좌] 포토닉 결정 기술 최근 동향

2006년 3월 1일 (수) 13:08:00 | 지면 발행 ( 2006년 2월호 - 전체 보기 )

이 원고는 일본 《電氣評論》誌에서 번역 전재한 것입니다.포토닉 결정 기술 최근 동향포토닉 결정의 개요포토닉 결정(photonic crystal)은, <그림 1>처럼 2차원, 3차원적인 주기적 굴절률 분포를 지닌 새로운 광나노 구조로 광자(光子)의 에너지에 대해서 밴드 구조가 형성되는 특징을 지닌다. 특히 <그림 1> (b)에 표시된 것처럼 다이아몬드 구조를 지닌 3차원 결정이 구성된 경우에는 구조 투과광의 상태가 완전히 영(零)이 되는 완전 밴드갭이 형성된다.포토닉 결정을 이용할 때는 밴드 구조의 갭(gap), 밴드단(端), 투과 밴드 각각에 주목해서 여러 가지 엔지니어링을 실시하여 아래와 같은 각종 광제어가 가능하다.

밴드갭·결합 엔지니어링빛의 존재가 금지된 밴드갭에 주목하는 것이다. 완전구조에서는 빛이 결정으로부터 차단되지만 결정 중에 인위적인 주기성의 흐트러짐 즉, ‘결함’을 도입하면 각종 광제어가 가능해진다. 예를 들면 선상태의 결함도입으로 결함부분에만 광도파가 허락되는 극미하게 작은 도파로의 형성이 가능해진다. 또 점결함의 도입으로 매우 작은 점의 광 포획이 가능해지고 광나노 공진기가 형성된다. 이들 선·점결함의 조합에 의해 여러 기능을 지닌 지극히 작은 광회로가 형성된다. 게다가 완전 밴드 갭을 지닌 3차원 결정을 이용한 경우에는 밴드갭 그 자체에 의해 발광현상의 근본제어를 행하는 것이 가능해지고 각종 광 디바이스의 네크(neck)가 되는 광의 자연방출 현상을 제어하는 것도 가능해진다.밴드단 엔지니어링빛의 군 속도가 영이 되는 밴드단에 주목하는 것이다. 밴드단에서는 여러 방향으로 전반하는 빛이 각종 플러그 반사를 통해서 상호적으로 서로 결합하여 정재파(定在波) 상태를 형성한다. 이 정재파 상태를 공진기로서 이용하여, 예를 들면 2차원 대면적에 걸쳐 코히린트 발진이 가능한 레이저 등이 실현된다. 또 새로운 여러 비선형 광학 현상의 창출이 가능해지는 것도 기대된다.밴드 엔지니어링광전반이 가능한 투과 밴드에 주목하는 것이다. 밴드 구조에서 얻어진 독특한 분산 관계에 근거한 다양한 광의 제어가 가능해진다. 빛의 전반 속도를 극한적으로 늦추거나 빛의 전반 방향을 자유자재로 변화시키거나 혹은, 마이너스 굴절현상을 가능하게 하는 등에 의해 여러 가지 응용, 친밀한 광소자의 개발이 가능한 것이 기대된다.이상과 같이 여러 엔지니어링을 추가해 최근 제창된 ‘포토닉 헤테로 구조’ 개념의 도입으로 포토닉 결정공학은 더욱 더 폭넓은 분야에서 활용되고 있다. 본고에서는 위의 엔지니어링 중에서 최근 눈에 띄게 발전한 2차원 포토닉 결정 슬래브를 이용한 밴드갭 결함 엔지니어링에 초점을 두고 포토닉 결정 기술의 최근 동향의 한 부분을 소개한다.2차원 포토닉 결정 슬래브2차원 포토닉 결정은 처음에는 주기 구조가 존재하지 않고 방향의 길이를 무한이라고 가정한 순수한 2차원 구조가 연구대상이었는데, 최근에는 <그림 1> (a)에 표시된 것처럼 광파장 정도의 두께를 지닌 슬래브 구조가 연구의 중심이 되어 가고 있다. <그림 1>에서는 포토닉 결정은 3각 격자 구조를 지니고, 슬래브 재질은 예를 들면 Si 등의 고굴절률 매질을, 격자점은 공기 등의 저굴절 매질에서 생긴다고 추측된다. 2차원 포토닉 결정 슬래브에서는 면내 방향은 포토닉 밴드갭 효과로 빛을 가두고, 상하 방향은 굴절률차에 근거한 전반사 이용으로 빛을 가둔 것으로, 비슷한 3차원적인 광제어가 가능해진다. 단, 필연적으로 상하 방향으로 빛이 새는 것을 막기 위해 구조를 최적화하는 것이 중요하다. 최근에는 아래에 표시한 것처럼 2차원 포토닉 결정 슬래브를 바탕으로 다양한 밴드갭 결함 엔지니어링, 초소형 광회로 실현을 향한 연구가 착실히 진행되고 있다.선·점 복합 결함계에 의한 광기능<그림 2> (a)에 표시된 것처럼 2차원 포토닉 결정 슬래브에 선결함을 도입하면 지극히 작은 광도파로로서 작용하게 된다. 한편 점결함을 포토닉 결정에 도입하면 이것은 광나노 공진기, 바꾸어 말하면 광의 드롭으로서 작용하는 것이 가능해진다. 포토닉 결정에 있어서는 점결함과 선결함과의 결합상태가 더없이 자연적으로 형성 가능하기 때문에 점결함은 선결함과의 결합으로 많이 논의되어 왔다. (고Q치 공진기에 관한 논의와 액티브 매질과의 융합에 관해서는 후술한다.) <그림 2> (b)는 그와 같은 복합 결함 상태를 표시하고 있다. 이 그림에서 점결함은 3개의 격자점을 고굴절률 매질로 메운 즉, 도너(donor)형 점결함이 된다. 도너형이라는 말의 기원은 결함 준위가 밴드갭의 상부의 슬래브 모드 즉, 반도체 밴드 구조에 있어서 전도대에서 생기는 것에 기인하는데 실제로는 큰 의미를 지닌 것은 아니다. 그런데 이 점결함의 결함 준위를 fi라고 하면 도파로에서 입사된 여러 파장을 지닌 빛 중에서 fi 주파수의 빛은 점결함에 의해 트랩(trap)된다. 트랩된 빛은 점결함 공진기 안에서 공진하면서 전반사 조건의 파괴에 의해 슬래브 면에 수직방향으로 방사된다. 이처럼 선·점 복합 결함계에 있어서 빛의 거동을 적극적으로 이용하면 면출력형 초소형 분파(합파) 기능 디바이스로 이용하는 것이 가능하다. 또 센싱용 초소형 디바이스로 응용하는 것도 가능하다.선·점 결함복합계에 있어서는 도파로에 입사된 빛 중에서 최대 50%의 빛이 결함에서 트랩되고 자유공간으로 방사가능해지는 것이 모드결합 이론에 의해 도출되었다. 이 최대 효율은 점 결함 공진기에 있어서 빛 가둠의 강도를 표시하는 Q치를, 면내Q치(Qin)과 상하 방향의 Q치(Qv)로 분리해서 생각한 경우, Qin=Qv의 경우에 달성된다. 여기에 Qin은 점결함에서 도파로로 빛이 새는 정도로 결정되고, Qv는 점결함의 상하 방향의 전반사 조건에 의해 결정된다. 이 때 전체의 Q는 1/Q=1/Qin+1/Qv로 표시되고 이 Q에 의한 파장 분해 능력이 결정된다.

<그림 3>은 실제 제작된 도너형 점결함 및 선결함 복합 결함으로 완성된 디바이스의 전자현미경 사진 및 그 투과, 분파 및 합파 스펙트럼을 표시하고 있다. 디바이스는 Si/SiO2/Si 즉, SOI 기본판을 이용해 제작되었다. 포토닉 결정은 최상층의 Si에 형성되고, 그 하부의 SiO2층은 제거되어 있다. 같은 그림의 투과 스펙트럼에서 전체로 보여지는 프린지는 도파로의 양 끝 면에서의 파브리·페로 공진에 의한 것으로 끝 면의 무반사 코팅으로 제거 가능하다. 중요한 점은 1.58㎛부근에 보이는 미세한 투과 스펙트럼의 패임으로, 이것은 점결함을 사이에 둔 빛의 상하 방향으로의 방사(드롭) 현상에 기인한다. 이 그림에는 아울러 점결함에 자유 공간으로부터 빛을 도입한 경우의 광합파 스펙트럼을 표시하고 있으며 매우 작은 점결함을 사이에 두고 빛의 출입이 효과적인 것이 명확하게 보였다. 분파 스펙트럼에서 분해 능력은 0.4㎚로 매우 좋으며 Q치로 환산하면 3,800이라는 커다란 수치가 얻어진다. 또 이론과 비교에 따르면 ~50%의 높은 광분파 효율이 얻어진다는 것이 표시되어 있다.위에 서술한 것처럼 2차원 포토닉 결정 슬래브를 이용하여 기본적인 선·점 및 이들의 복합결함의 거동이 밝혀지고 고기능 광회로 실현을 향한 기초가 확립되어 왔다고 말할 수 있다.헤테로 구조의 도입과 그 효과위에 서술한 것처럼 기본적인 밴드갭·결함 엔지니어링의 진전과 함께 더욱 자유도가 있는 광제어에 알맞은 새로운 개념도 등장하고 있다. 그 중 하나가 포토닉 결정의 헤테로 구조이다. 반도체 일렉트로닉스에서 헤테로 구조는 레더 다이오드와 트랜지스터 등의 광·전자 디바이스의 기초기술로 되어 있으며 그 중요성에 대해서는 말할 필요도 없지만, 포토닉 결정에 있어서도 헤테로 구조가 전자계와는 다른 관점에서 중요한 역할을 수행해 나가고 있다. 아래에서는 2차원 포토닉 결정 슬래브에 있어서 면내 헤테로 구조를 예로 그 목표를 설명한다.<그림 4> 면내 헤테로 구조의 한 예를 나타낸다. 이것은 <그림 3>에 표시한 기본구조에 격자정수를 조금씩 변화시켜 7개의 직선 상태로 나열한 것이다. <그림 4>에는 실제로 제작된 시료 각부의 전자현미경 사진도 아울러 표시되어 있다. 같은 그림의 모식도 부분에는 격자정수차가 강조되어 그려져 있는데, 제작된 시료에는 서로 이웃한 영역의 격자 정수차가 1.25㎚로 지극히 작기 때문에 전자현미경 사진에서 알 수 있듯이 그 차이는 구별할 수 없다. 이 면내 헤테로 구조에 의해 기대되는 효과 중 하나는 <그림 3>에 표시된 Q=3,800 및 광방사 효율(~50%)라는 좋은 수치를 유지한 채로 다파장 동작이 가능해지는 것이다. 앞에서 서술한 것처럼 Q치는 점결함의 면내 Qin 및 수직방향의 Qv에 의해 결정되고, 방사효율은 Qin=Qv일 때 최대가 된다. 만약 점결함만의 크기를 변화시키고, 동작파장을 변화시키면 결함 크기의 변화로 결함부의 유효굴절률이 변화하고, Qv가 변화한다. 한편 Qin은 특별히 변화하지 않으므로 Q치 밸런스가 무너지고 방사효율이 파장과 함께 변화하게 된다. 또 전체의 Q치도 변화하고 파장분해 능력도 변화하게 된다. <그림 4>와 같이 헤테로 구조를 이용한 결정전체의 구조를 거의 비례적으로 변화시키면 동작파장은 격자정수의 변화와 함께 변하는데, 구조자체가 비례적으로 변화함에 따라 무차원량인 Q치 및 방사효율은 전체 영역에서 일정하게 유지되게 된다. 즉, 파장분해능력 및 광방사효율을 항상 일정하게 유지하면서 다파장 동작이 가능해진다. <그림 5>에는 그 실험 결과가 표시되어 있다. 입사파장의 변화와 함께 각영역에 존재하는 점결함부터 순서대로 빛이 드롭되어 가는 모습을 볼 수 있다. <그림 6>에는 분파 스펙트럼이 표시되어 있다. (단, λ7만은 끝 면에서의 광산란 영향 때문에 스펙트럼은 표시되지 않는다. 또 이 그림에는 투과 스펙트럼과 분파 스펙트럼과의 관련도 표시되어 있다.) <그림 6>에서 분파파장간격은 통계대로 5정도로 거의 일정하고 Q치도 모든 파장 영역에서 3,800으로 유지됨을 알 수 있다. 게다가 λ1~λ4에 대해서는 광방사 효율이 거의 일정함을 알 수 있다. 상세한 측정으로 이들의 파장역에서는 40% 정도의 높은 드롭효율이 얻어진다는 것이 표시되어 있다. 한편 λ5, λ6에 관해서는 Q치는 λ1~λ4와 같음에도 불구하고 그 광방사 효율이 이론 최대치 50%를 훨씬 상회하는 수치가 얻어졌음을 알 수 있다. 그 이유는 <그림 6>에 투과 스펙트럼과 분파 스펙트럼의 관계에 그 힌트가 숨겨져 있다. <그림 6>에서 알 수 있듯이 λ5, λ6은 투과 스펙트럼의 투과 영역에 존재하지 않는 즉 컷오프 영역이다. <그림 7> (a)에는 그 메카니즘이 모식적으로 표시되어 있다. <그림 7>에서는 간단히 하기 위해 다른 격자정수를 지닌 2개의 포토닉 결정 PCm 및 PCn에서 생긴 헤테로 구조가 표시되어 있다. PCm에 입사된 빛에 주목해 보면, 그 빛의 일부는 점결함에 트랩되지 않고 그대로 투과(T)한다. 또 다른 일부는 점결함에 트랩되는데 위쪽으로 방사되지 않고 입사 측에 반사(R)된다. 나머지가 점결함으로부터 위쪽으로 방사, 즉 드롭(D)된다. 이미 앞에 기술한 것처럼, 모드 결합이론에 의해 최대 50%의 방사효율 D가 얻어지고 T=R=25%가 되는 것이 이론적으로 도출된다. 이 때 이 그림에 표시된 것처럼 헤테로 계면이 존재하고, 입사광이 PCn에 투입하지 않는 즉, 컷오프 조건이 되는 경우 투과광 T는 계면에서 반사된다. 이 반사된 T와 R이 역위상으로 서로 간섭하면 T와 R이 서로 부정하여 결과적으로 D가 100%의 수치를 얻게 된다. <그림 7> (b)에는 계면반사를 고려한 경우의 계산결과가 표시되어 있다. 횡축은 헤테로 계면에서 반사된 T와 결함의 반사 R과의 위상차θ가 표시되어있는데, 넓은 위상조건에서 높은 D가얻어지는 것을 볼 수 있다. 주의 깊게 θ를 선택하면 100%의 광방사 효율을 얻을 수 있다. <그림 6>의 λ5, λ6의 결과는 그 효과를 명확하게 표시한다고 할 수 있다.

위에 서술한 것처럼 헤테로 구조를 이용하여 디바이스의 설계 자유도가 대폭 향상함과 동시에 헤테로 계면에서의 반사를 이용하여 광조작 효율의 향상을 이끌어 내는 등 여러 효과가 기대된다. 뒤에 서술하는 것처럼 헤테로 계면에서의 반사는 고Q치 공진기의 실현에도 중요한 역할을 한다. 게다가 헤테로 구조의 변형으로 차핑 구조 등도 연구되고 넓은 의미에서의 이들 헤테로 구조를 광전반 제어를 위해 이용하는 연구 등도 가능하다. 앞으로 헤테로 구조는 포토닉 결정 디바이스 실현을 위한 중요 기술로서 계속 발전되어 나갈 것이 기대된다.고Q나노 공진기와 그 응용<그림 3> <그림 4>에 표시된 디바이스는 빛이 점결함 공진기에서 상하 방향으로 방사된 것을 적극적으로 이용한 것이다. 한편 점결함의 Q치를 충분히 높이는 것이 가능하면 점결함에 빛이 트랩되어도 면외로의 방사비율을 매우 작게 할 수 있으므로 면내 광회로를 구성하는 것도 가능해진다. Q치가 높고, 모드 체적 V가 지극히 적은 고Q치 나노 공진기는 면내 광회로에서의 전개 외, 폭넓은 응용에 있어서 매우 중요한 역할이 기대된다. 예를 들면 단일 광자광원용 공진기, 물질과의 강결합 장소의 창출, 양자정보처리의 장, 광메모리에의 전개, 초고감도 센싱 등등이 열거 된다. 이들은 지극히 작은 영역에 빛을 강하게 가두어 빛과 물질과의 상호작용이 극한적으로 강해지는 것, 강한 빛 가둠 효과에 의해 빛의 체재시간이 충분히 길어지는 것 등의 효과에 기초한 것이다. 이하에서는 고Q치 나노 공진기의 최근 진전에 대해 설명한다.<그림 3>에 표시된 도너형 점결함의 Q치는 ~3,800인데. 아주 최근 <그림 8>에 표시된 것처럼 도너형 점결함의 양끝 격자점(공기혈)을 약간 외부로 이동하는 것만으로 Q가 1자릿수 이상 증대하는 현상이 나타난다. 이 현상의 발견에 앞서 우선 <그림 3>의 도너형 결함의 어느 부분에서 빛의 누설이 생겨서 Q치의 증대를 방해하는지가 검토되었다. 그 결과 점결함의 장축 방향의 끝부분에서의 급격한 반사에 의해 공진기 내의 빛이 상하방향으로 방사되는 것이 큰 원인임이 판명됐다. 이 누수를 방지하기 위해서는 선부에서의 급격한 전계 변화를 막고 온화한 분포(가장 이상적으로는 가우스 분포)를 부여하는 것이 중요하다는 것이 지적되었다. 그런데 <그림 8>에 표시된 격자점 시프트의 역할을 다시 보면, 끝부분의 격자점을 시프트 시키는 것은 끝부분에서의 블랙 반사 조건을 부드럽게 하는 것에 상당한다. 결국, 격자점 간격은 불균등해지기 때문에 끝부분에서의 블랙 반사조건이 약하고, 빛은 더욱 공진기 외부로 스며 나오게 되고 결과로 부드러운 빛 가둠이 얻어진다. 상세한 전자계 해석에 의하면 적절한 격자점 시프트에 의해 가우스 형에 가까운 전계 분포에 가깝게 표시된다. 이상을 근거로 <그림 9>에 표시된 것처럼 여러 가지 격자점 시프트를 지닌 공진기가 제작되고 그 Q치가 측정됐다. 결과적으로 격자점을 0.15a(=60㎚)정도 이동했을 때에 가장 높은 Q, 즉 45,000이 얻어지는 것이 표시되어 있다. 모드 체적에서 규격화하면 그 수치는 세계 최대의 빛 가둠 효과를 주는 것이 된다.

그 후 공진기의 제1근접의 격자점 뿐 아니라 제2, 제3 근접 격자점의 시프트도 행해져 10만이라는 Q치가 달성되었다. 더욱 최근에는 앞에서 서술한 면내 헤테로 구조의 헤테로 계면에서의 모드갭 효과에 기초한 반사를 이용하여 더욱 가우스형에 가까운 이상적인 빛 가둠이 실현되는 것이 밝혀지고, 양측으로부터 헤테로 계면에서 빛을 가두는 포토닉 더블 헤테로 구조<그림 10>가, 더욱 높은 Q치를 얻기 위해서는 지극히 유효한 것이 출현되었고, <그림 11>에 표시된 것처럼 Q치로서 60만을 넘는 수치가 보고 되기에 이르렀다. 이상의 결과는 2차원의 슬래브라는 지극히 단순한 구조이면서도 가우스 형 빛 가둠이라는 지침에 따라 격자점 튜닝법 , 더욱 최근 발견된 포토닉 더블 헤테로 구조의 개념에 의한 이제는 누설 없는 공진기의 실현도 꿈이 아니라고 말할 수 있는 것이다. 물론 앞으로 구조상, 나노미터 오더의 흔들림도 억제한 프로세스 기술의 진전이 중요하다는 것은 말할 필요도 없다.비선형 기능, 액티브 기능 도입위에 서술한 것처럼 2차원 포토닉 결정 슬래브 구조를 무대로 여러 연구가 진행 되고 있는데 위는 모두 포토닉 결정을 형성하는 매질의 굴절률은 일정하게, 또 매질을 모두 투명하게 해서 논의가 진행되어 왔다. 그러면서도 더욱 고도의 기능이 구해지게 되면 포토닉 결정의 동적 제어가 중요해지게 된다. 최근에는 이 같은 연구의 전개가 활발하게 진행되고 있다. 예를 들면 <그림 3>에는 공명(분파) 파장이 고정되어 있는데, 점결함 부분의 굴절률을 동적으로 변화시키면, 공명파장을 튜닝하는 것이 가능해진다. 굴절률의 변화는 열적인 효과와 캐리어 플라즈마 효과 등에서 이끌어 내는 것이 가능하다. <그림 12>는 그 같은 튜닝 결과의 한 예를 표시하고 있다. 점결함 부분에 제어광을 도입하고 결합부분의 굴절률을 열적으로 변화시켜 5㎚정도의 튜닝이 달성된다. 디바이스 사이즈가 매우 소형이므로 열적 효과가 있어도 마이크로 초 정도의 동작 속도가 얻어진다. 이보다 더욱 고속의 비선형 효과 등도 최근에 들어 논의되고 있다. 또 점결함이 높은 Q치와 작은 모드 체적의 이점을 살려 저입력 강도로 동작하는 쌍안정 스위치 실현 등도 보고 되기에 이르렀다. 한편 2차원 포토닉 결정 슬래브에의 액티브 매질의 도입에 의한 지극히 작은 액티브 디바이스로의 전개도 진행되고 있다. 2차원 포토닉 결정 점결함 레이저는 1999년에 최초로 보고 되었다. 그 후 공진기 구조의 여러 개량과 함께 그 성능이 향상되어 2004년에는 단일 점결함 디바이스로의 전류주입동작도 보고 되기에 이르렀다. 아울러 선결함 레이저의 연구도 진행되어 2002년에 최초로 선결함 레이저 발진이 보고 됨과 동시에 도파로 폭의 근소한 변화로 대폭적인 파장 튜닝이 가능해짐이 나타났다. 또 2004년이 되자 슬래브에의 횡형 전류 주입방식의 제안이 행해졌다. 점·선결함 복합형 레이저에 대해서도 여러 가지 보고가 되고 있다. 가장 최근에는 <그림 8>에 표시한 고Q치 나노 공진기에 양자 도트 도입이 시도되고 있다. 또 2차원 포토닉 결정 슬래브에 의한 자연방출광제어의 실현 등, 2차원 액티브 포토닉 결정의 연구가 눈에 띄게 진전되고 있으며, 앞으로 단일 광자광원과 광양자 정보 디바이스 등의 연구개발이 더욱 진전될 것으로 기대된다.정리와 전망이상 2차원 포토닉 결정 슬래브에 있어서 밴드갭 결함 엔지니어링에 대해서 서술했다. 이상을 통해 포토닉 결정에 있어서 당초 기대된 지극히 작은 영역에서의 광 조작·제어를 위한 요소기술이 요 몇 년 동안 착실히 진전되어 왔음을 살펴보았다. 앞으로 10년 동안 나노 가공기술의 대폭적인 진전과 함께 더욱 신뢰성 높은 고정밀도 디바이스 전개가 진전되기를 기대한다. 2차원 포토닉 결정 슬래브에서는 Si계에서의 진전이 눈에 띄고 앞으로 전자회로와의 융합도 진전될 것으로 기대된다. 전자회로에 의한 제어에 의해 빛의 변환과 튜닝 기능, 광 딜레이 기능 등을 지닌 광·전자융합회로로 전개될 것으로 전망한다. 주요 부는 모두 광화되어져 제어부로, 일렉트로닉스가 함께 존재하는 광·전자칩으로 전개될 것으로 기대된다. 그 크기, 소비전력은 현 상태와 비교해 2자릿수~3자릿수 정도 작아질 것이다. 또 액티브 기능을 부가한 초소형 파장다중광원, Q치의 높이를 이용한 초고감도 센서와 광메모리 기능, 단일 포톤 광원 등의 차세대 통신 광원 등으로의 전개 등등 수많은 응용분야로의 발전도 기대된다.