빛의 세기나 편광이나 위상을 이용한 광신호처리는 나노 포토닉스 공정기술 개발과 더불어 빠르게 발전하는 분야이다. 광신호처리를 위한 광집적회로는 빛의 생성, 변이, 제어, 검출 등의 전 과정을 하나의 칩 위에서 동작하는 것을 목표로 하며, 완벽한 집적화를 위한 공정 및 빠르고 효율적인 빛의 제어 방법은 미래기술을 위한 도전적인 연구 분야로 주목받고 있다. POSTECH(포항공과대학교, 총장 김무환) 물리학과 신희득 교수 연구팀이 실리콘 칩에서 빛에 의해 생성된 음파를 이용해 광파 신호를 증폭 또는 감쇄할 수 있음을 세계 최초로 구현했다.
빛을 이용한 신호 처리는 전자를 이용한 신호 처리보다 발열이 적고 빛의 빠른 속도를 이용할 수 있다는 장점이 있다. 최근에 나노 포토닉스 구조물에서 빛이 음파에 산란하는 브릴루앙 현상1)을 이용한 광신호처리 기술이 구현됐으나, 지금까지의 연구결과는 단순한 음파의 생성과 빛의 산란을 측정한 것이기에 광신호처리나 센싱 등의 응용분야로의 발전을 위해서는 능동적인 광-음파의 제어를 통한 광신호처리의 가능성을 보여줄 필요가 있다.
이에 연구팀은 실리콘 칩에서 생성된 음파의 간섭을 이용해 능동적인 광신호처리 방법을 제시했다. 우선, 나노 공정작업을 통해 머리카락 두께의 100분의 1보다 얇은 3개의 광도파로2)를 실리콘 칩에 나란히 제작했다. 광력3)을 이용해서 두 광도파로에서 음파를 생성하고 그것이 세 번째 광도파로에 도달하는 시간을 조절함으로써 두 음파를 간섭시켰다. 연구팀은 이를 통해 실리콘 칩 내에서 음파의 보강 간섭과 상쇄 간섭 간에 10,000배 이상의 대비를 갖는 마이크로파 신호가 증폭·감쇄되는 것을 관측했고, 이를 발전시켜 펄스 형태 신호의 세기를 조절할 수 있음을 세계 최초로 구현했다.
신희득 교수는 “나노구조물에서 음파의 간섭현상을 이용한 광신호처리를 최초로 구현했다”라며 “이 연구를 통해 광신호처리 및 센싱 기술에 새로운 방향을 제시하며 광-역학계의 새로운 응용을 기대한다”라며 의미를 밝혔다.
이 연구성과는 세계적인 권위지인 ‘나노 레터(Nano Letters)’에 게재됐다.
<용어 설명>
1) 브릴루앙: 빛을 매질에 쏘면 빛이 음파를 만들고 산란하는 현상이다. 산란된 빛이 발생한 음파 에너지만큼 주파수가 줄어들면서 주파수 흔들림과 잡음이 줄어든다.
2) 광도파로(Waveguide): 빛이 지나는 길. 전기 신호가 도선을 따라 전달되듯이 빛도 광도파로라는 선을 따라 전달된다.
3) 광력(optical forces): 강한 빛이 물질과 상호작용을 거쳐 물질을 미세하게 변형시키는 힘이다.
* 논문명: Active information manipulation via optically driven acoustic-wave interference
(광학 구동 음파 간섭을 통한 능동적 광신호처리)
* 연구자: 신희득(교신저자), 김형빈(1저자)
* DOI: https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.1c02314
