메타표면은 센싱, 비선형 광학, 양자 포토닉스 등 다양한 분야에서 빛을 서브파장 수준으로 제어할 수 있게 하지만, 낮은 Q 인자와 약한 진폭 대비 간의 상충 관계, 그리고 주로 정적인 특성으로 인해 활용에 제약이 있었습니다. 특히 중적외선(mid-IR) 영역에서는 저손실 재료의 부족으로 성능과 확장성 문제가 더욱 심화되었습니다.
본 연구에서는 고 Q 공명, 강력한 진폭 대비, 그리고 웨이퍼 규모 제조 가능성을 겸비한 능동 조절형 단결정 실리콘 막 메타표면을 개발했습니다. 이 플랫폼은 중적외선 영역에서 최대 3000에 이르는 기록적인 Q 인자를 달성했습니다.
두 가지 동적 변조 방식을 구현했습니다. 첫째, 줄 가열을 통한 전기-열 튜닝 방식은 CMOS 호환 전압에서 50% 이상의 변조 깊이와 최대 14.5 kHz의 속도를 보였습니다. 둘째, 실리콘 내 캐리어 생성을 이용한 초고속 전광 변조 방식은 나노초 응답 시간과 서브-GHz 속도를 구현했습니다.
이러한 결과는 실리콘 막 메타표면이 능동형 중적외선 포토닉스를 위한 확장 가능한 플랫폼임을 입증하며, 향후 중적외선 광학 소자 개발에 중요한 기여를 할 것으로 기대됩니다.
올실리콘 플랫폼 기반의 집적 테라헤르츠 시스템 개발에 있어 유전체 도파관과 금속 중공 도파관 간의 효율적인 모드 결합은 매우 중요합니다. 기존의 유전체 선형 테이퍼 방식은 낮은 결합 손실을 위해 길고 얇은 구조를 필요로 하여, 소자 면적 증가 및 제작·정렬 과정에서의 기계적 파손 위험이 높았습니다.
본 연구에서는 유전체 로드 안테나와 슬롯 도파관의 원리를 결합한 두 가지 초소형 올실리콘 커플러를 제안합니다. 제안된 커플러는 220–330 GHz 대역에서 0.5 mm의 초소형 크기를 가지며, 이 대역에서 평균 –1.25 dB의 낮은 결합 손실을 달성했습니다.
기존 선형 테이퍼 방식과 비교하여, 제안된 설계는 소자 면적을 크게 줄이고 기계적 견고성 및 정렬 용이성을 향상시킵니다. 테라헤르츠 통신 측정 실험을 통해 275 GHz에서 7 Gbit/s 데이터 전송률로 아웃플레인 편파의 경우 10⁻⁵ 미만, 인플레인 편파의 경우 10⁻⁴ 미만의 비트 오류율(BER)을 확인했으며, 높은 신호 대 잡음비 조건에서도 안정적인 BER 성능을 보였습니다.
이 커플러는 서로 다른 도파관 간의 효율적인 모드 변환을 가능하게 하여, 미래 테라헤르츠 통신 프런트엔드의 시스템 수준 집적화를 위한 핵심 구성 요소가 될 것입니다.
