실리콘 나이트라이드 파동가이드에 2D MoS₂ 단층을 통합한 자기위상변조 강화

초록

LPCVD로 성장한 단층 MoS₂를 Si₃N₄ 파동가이드 상부 클래딩에 선택적으로 증착하고, 윈도우 길이를 조절해 0.2 mm∼1.4 mm 구간에서 SPM 실험을 수행하였다. MoS₂가 결합된 하이브리드 파동가이드는 동일 파장·펄스 조건에서 최대 2.4배의 스펙트럼 확대를 보였으며, 비선형 파라미터 γ가 약 27배, 등가 Kerr 계수 n₂가 Si₃N₄ 대비 5 오륜(10⁵배) 상승함을 확인하였다.

상세 분석

본 논문은 2차원 전이금속 칼코게나이드인 MoS₂의 초고 비선형성을 Si₃N₄ 파동가이드와 결합함으로써 텔레콤 파장대에서 자기위상변조(self‑phase modulation, SPM) 효율을 크게 향상시키는 전략을 제시한다. 먼저 저압 화학기상증착(LPCVD) 공정을 이용해 대면적 단층 MoS₂를 사파이어 기판 위에 성장시켰으며, 폴리스티렌(PS) 보조 전이 방식을 통해 손상 없이 Si₃N₄ 파동가이드 상부 클래딩에 전사하였다. 윈도우를 열어 노출된 파동가이드 부분에만 MoS₂를 코팅함으로써 코팅 길이(Lc)를 0.2 mm에서 1.4 mm까지 정밀하게 제어하였다.

전산모드 해석(COMSOL)에서는 TE 기본모드가 파동가이드 상부에 위치한 0.7 nm 두께의 MoS₂와 약 0.027 %의 겹침을 보이며, 측면에 존재하는 공극은 0.0025 % 수준으로 무시할 수 있었다. 이는 MoS₂의 높은 굴절률(n≈3.8)과 소실계수(k≈0.107)가 파동가이드의 에반에센트 필드와 강하게 상호작용함을 의미한다.

실험적으로는 1550 nm CW 레이저와 서브피코초 펄스를 이용해 삽입 손실과 SPM을 동시에 측정하였다. 윈도우 길이가 증가함에 따라 삽입 손실은 0.2 dB 이하로 미미했으며, 이는 MoS₂ 코팅이 광학 손실을 크게 악화시키지 않음을 보여준다. 펄스 피크 전력이 91 W에 달했을 때, 1.4 mm 코팅된 디바이스는 스펙트럼 폭이 약 2.4배로 확대되었고, 비선형 파라미터 γ는 27배 상승하였다. 이 값을 기존 Si₃N₄ 파동가이드의 γ(≈1 W⁻¹·km⁻¹)와 비교하면, MoS₂의 등가 Kerr 계수 n₂는 약 5 오륜(10⁵배) 정도 높은 것으로 추정된다.

또한, 실험 데이터와 SPM 이론 모델(비선형 슈뢰딩거 방정식 기반)을 피팅함으로써 MoS₂ 층의 유효 비선형 두께와 전자-광학 상호작용 파라미터를 정량화하였다. 결과는 MoS₂ 단층이 파동가이드 전체 단면에 비해 매우 얇음에도 불구하고, 에반에센트 필드와의 강한 결합으로 인해 실질적인 비선형 효과를 크게 증폭시킨다는 점을 뒷받침한다.

이러한 발견은 (1) CMOS 호환 Si₃N₄ 플랫폼에 2D 물질을 손쉽게 통합할 수 있는 공정 흐름, (2) 코팅 길이와 위치를 자유롭게 설계함으로써 비선형 회로의 기능을 맞춤형으로 구현할 수 있는 가능성, (3) MoS₂와 같은 전이금속 디칼코게나이드가 기존 실리콘 기반 비선형 소자에서 발생하는 2PA·자유전자 손실을 회피하면서도 높은 n₂를 제공한다는 점에서 차세대 광집적 회로 설계에 중요한 전환점을 제공한다.