전기기계식으로 제어하는 온칩 광빔 스플리터와 양자점 단일광자원

초록

본 논문은 전기적 정전압을 이용해 GaAs 나노빔 파동가이드 디렉셔널 커플러(DC)의 수직 간격을 변조함으로써, 내장된 InGaAs 양자점(QD) 단일광자원의 빔 스플리터 비율을 실시간으로 조절하는 방법을 제시한다. 35 µm 길이의 캔틸레버를 전압으로 구부려 400 nm 이상의 수직 변위를 얻었으며, 이를 통해 초기 80:20 분할 비율을 100:0까지 전환하였다. 실험은 4.2 K 저온에서 수행되었고, QD의 단일광자 특성(g^(2)(0)≈0)도 확인하였다.

상세 분석

이 연구는 III‑V 반도체 기반 양자광 회로에서 핵심적인 빔 스플리터를 전기‑기계적으로 가변하게 만든 최초의 실험적 시연이다. 디렉셔널 커플러는 두 개의 나노빔 파동가이드가 7 µm 길이의 결합 구역에서 근접해 있어, 파동가이드 간의 evanescent coupling에 의해 입력광이 두 출력 포트(through와 drop)로 분배된다. 전통적인 설계에서는 고정된 인‑플레인(s_in) 및 아웃‑플레인(s_out) 간격에 의해 분할 비율이 결정되지만, 본 장치는 캔틸레버에 부착된 하나의 파동가이드를 전압 구동 정전력으로 아래쪽으로 당겨 s_out을 연속적으로 증가시킨다.

시뮬레이션은 MIT Photonic‑Bands(eigenmode solver)와 3‑D FDTD를 이용해 파장 880–980 nm 구간에서 s_out이 0→400 nm까지 변할 때 커플링 효율이 98 % 이상 유지되면서 SR이 과결합(>50:50)에서 완전 탈결합(≈0:100)으로 전이함을 예측한다. 실험적 구현에서는 160 nm 두께, 280 nm 폭의 GaAs 파동가이드를 사용하고, s_in을 80 nm(±5 nm)으로 설정하였다. 캔틸레버는 35 µm 길이, 7.5 µm 폭이며, 전압 0→13 V 구간에서 최대 667 nm(=s0/3)의 수직 변위를 얻었다. 풀‑인(pull‑in) 전압 이후에도 복원력이 충분히 커서 4 V까지 복귀가 가능했으며, 이는 히스테리시스가 제한된 상태에서 안정적인 작동을 의미한다.

광학 측정은 4.2 K에서 마이크로‑포톤플루오레선스(µ‑PL)로 수행되었으며, 910.6 nm에서 방출되는 단일 QD를 선택적으로 여기하였다. V_act=0 V에서는 both output couplers에서 신호가 관측돼 SR≈80:20이었고, V_act=12.5 V에서는 drop 포트가 거의 소멸하고 through 포트가 최대 17 % 증가하였다. 신호 변동은 단순한 evanescent coupling 외에 캔틸레버 움직임에 따른 광학 간섭 및 수집 효율 변화가 복합적으로 작용함을 분석하였다. 전압‑변위 관계는 정전력과 복원력의 평형식 V_act = (s0−s_out)·√(s_out·X) 로 모델링했으며, 실험 데이터와 가장 잘 맞는 s_in 값은 82 nm으로 추정되었다.

마지막으로, QD에서 방출된 광자는 Hanbury‑Brown‑Twiss 실험을 통해 g^(2)(0)=0.25±0.02(시스템 응답 보정 후 0±0.01) 를 기록, 진정한 단일광자 특성을 확인하였다. 이와 같이 전기‑기계식 제어는 빔 스플리터의 SR을 동적으로 조정할 뿐 아니라, 향후 광 라우터, 파장 선택 스위치 등 다양한 양자광 소자에 적용 가능성을 보여준다. 향후 설계 최적화(예: 더 작은 s_in, 긴 결합 구역, 텔레콤 파장 작동)와 고속 전압 구동을 통해 0.5 MHz 수준의 스위칭 속도와 50:50 분할을 동시에 달성할 수 있을 것으로 기대된다.