초록 ▼

□ 연구개발 목표 및 내용
■ 최종 목표
기존의 성능 한계를 극복하는 집적형 non-Hermitian 광소자 및 시스템 개발
■ 전체 내용
본 과제에서 다루게 될 NH 광소자 및 시스템은 정교하게 제어된 복소-포텐셜 분포를 통해, 부정적 요인으로 간주돼왔던 환경영향의 효과를 신기능 소자의 핵심적 동작원리로서 이용한다는 점에서 기존의 광학계와 본질적으로 구별된다고 할 수 있다. 물리광학적 핵심 지식의 진보와 공학적 응용 가능성을 고려할 때, NH 광소자는 기존의 Hermitian-동역학 기반 광소자가 지니기 어렵

□ 연구개발 목표 및 내용
■ 최종 목표
기존의 성능 한계를 극복하는 집적형 non-Hermitian 광소자 및 시스템 개발
■ 전체 내용
본 과제에서 다루게 될 NH 광소자 및 시스템은 정교하게 제어된 복소-포텐셜 분포를 통해, 부정적 요인으로 간주돼왔던 환경영향의 효과를 신기능 소자의 핵심적 동작원리로서 이용한다는 점에서 기존의 광학계와 본질적으로 구별된다고 할 수 있다. 물리광학적 핵심 지식의 진보와 공학적 응용 가능성을 고려할 때, NH 광소자는 기존의 Hermitian-동역학 기반 광소자가 지니기 어렵거나 또는 불가능하다고 여겨지는 다양한 잠재 혁신성을 가지고 있다. 포텐셜 복소중첩에 근거한 강력한 광자상태 선택성, 위상학적 고유 성질로 인한 광학효과의 견고함, 그리고 상태-병합 특이점 (exceptional point, EP) 근방에서 나타나는 시간-비대칭 상태전개 특성 등이 그것이다. 본 과제에서는, NH 광소자의 잠재 혁신성을 심화 탐구하고, 실효적 응용성을 가지는 광소자 및 광시스템을 확립하기 위해, 아래와 같은 도전적 연구문제를 해결하고자 한다.
- 광신호의 다양한 제어 성능을 극대화하는 새로운 NH 광도파로 소자의 구현.
- 비가역 NH 광학효과에 기반한 박막형 나노포토닉 광소자의 구현.
- NH 광소자에 기반한 광 집적회로 및 시스템을 위한 기반 기술 확립.
제시된 문제의 성공적 해결을 위해서, 본 연구단은 새로운 광학 효과의 원리를 성공적으로 제시하고, 검증을 위한 견고한 이론 및 실험적 접근법을 확립하며, 실효적 응용소자 구현을 위한 효율적 설계 기법 및 공정 기술 개발을 도전적으로 추진할 것이다.
■ 1단계
￭ 목표
[새로운 원리 탐구]
Non-Hermitian 상호작용에 기반한 새로운 광소자 원리 탐색
￭ 내용
1단계 연구에서는 NH 상호작용에 기반한 새로운 광소자 원리의 도출을 위해, 다양한 광소자 기능과 NH 고유 상호작용 특성에 대한 광범위한 탐색 연구를 추진한다. 이를 위해, 기반 물리현상에 대한 단순화 모형 연구에서, 실용적 광미세구조를 위한 설계 기법 개발, 그리고 기본 구조 구현을 목표로 하는 단계적 연구를 진행하게 된다. 연차별 세부 연구 내용은 다음 목록과 같다.
1차 년도
NH 동역학계 범용 해석을 위한 모델 연구
∎ 2중 결합 NH 동역학 시뮬레이터 구현
∎ 특이점 주변의 복소 에너지 스펙트럼 특이구조 구현
∎ 동적 시간-비대칭 상태전이 과정의 직접적 관측
NH 광소자 설계 원리 도출 (이론 연구)
∎ 초소형 레이저 구현을 위한 새로운 공진기 원리 제안
∎ 되먹임 루프 없이 파동 잡음 신호를 능동적으로 제거하는 진폭-제어 소자의 새로운 원리 제시
NH 광소자 기본 구조 구현
∎ 도파로 및 공명/회절 광소자 집적을 위한 Laser direct writing system 구축
∎ 공간영역 Kramers-Kronig relation을 이용한 광대역 무반사 단방향 도파로 구조 구현
2차 년도
NH 동역학계 범용 해석을 위한 모델 연구
∎ LRC 공명 전자회로에서 3차 EP를 갖는 NH Hamiltonian 형성
∎ 2차 특이점 line 및 3차 특이점 측정
NH 광소자 설계 원리 도출 (이론 연구)
∎ 박막형 광소자에서 NH topological leaky-mode 공명 발견
∎ 초고속 광대역 광변조기의 새로운 원리: 복소-에너지 병합-분할에 기반한 파동상태 스위치
∎ 역상-이득 공진기 구조를 응용한 연속파 상온 플라즈몬 나노레이저 설계원리 도출.
∎ 결정 실리콘 비선형 효과 이용 광대역 광다이오드 설계 원리 도출.
NH 광소자 기본 구조 구현
∎ Fiber-optic platform에서 Synthetic anti-PT symmtery 탐구
3차 년도
NH 동역학계 범용 해석을 위한 모델 연구
∎ 가설적 NH 정보전달 실험적 구현
NH 광소자 설계 원리 도출 (이론 연구)
∎ 결정 실리콘 비선형 효과 이용 광대역 광다이오드 비가역성 투과율 성능 분석
∎ PN접합 기반의 특이점 광대역 광 변조기 구조 설계
∎ 두층 메타표면 광소자에서 topological nodal phase 발견
∎ 위상학적 beaming 현상 발견
∎ 두층 메타표면에서 Chiral transmission phase only resonance 현상 발견
∎ Plasmon 구조에서 NH topological interface state 발견
∎ Topological charge pumping 초광대역 도파로 결합기
NH 광소자 기본 구조 구현
∎ NH 결합 광도파로 구체적 설계 도출
∎ 각도 분해 스펙트럼 분석계 구축
∎ NH 광도파로 성능 분석 광학계 구축
∎ 광펌핑 레이저 발진 측정 시스템 구축
∎ 회절 광 인공 신경망 구현을 위한 Pixelated nano-gratings 시스템 구축
■ 2단계
￭ 목표
[단위 소자의 실험적 구현]
기존의 성능 한계를 극복하는 Non-Hermitian 광소자의 실험적 구현
￭ 내용
2022년 현재 개시하는 2단계 연구에서는, 1단계 연구로부터 도출된 NH 광소자 원리를 나노포토닉스 플랫폼에서 완성도 있게 구현하고, 기존 광소자 성능한계 극복의 가능성을 실험적으로 확립하는 연구를 수행한다. 이에 개발을 추진하는 신개념 NH 광소자는 아래와 같다.
- NH 특이점 동역학 기반 도파로 광소자 (초고속 변조기 및 비가역 신호전송).
- NH 위상-물리 동역학 기반 미세구조 광소자 (도파로 결합기 및 메타표면).
- NH 공진기 광소자 (마이크로 레이저 및 방출빔 제어).
2단계의 단위소자 성능 확립 연구에서는 1단계 탐색연구를 통해 도출된 3유형-6종의 유망 NH 광소자에 대해 이론적 기대성능 확립을 목표로 설계기법 고도화, 세부 공정 개발, 성능 분석법 개발 등의 실험 중심 연구를 추진한다. 따라서 2단계 연구는 1단계 연구에서 미흡했던 기본구조 구현 연구를 포함하여 추진된다. 2단계를 개시하는 현 시점의 본 연구단 상황은 연구시설/인프라 구축, 학생 연구인력의 기초 지식/기술 수련이 어느정도 갖춰진 상태로서, 소자 구현 및 성능확립을 위해 본격적으로 실험 연구를 추진할 수 있다. 세부 공정 개발은 한국나노기술원(수원 소재)과 나노종합기술원(대전 소재)의 fab 시설, 특히, 반도체/유전체 증착기, e-beam lithography system, reactive ion etcher 등의 외부 전문 설비와 전담 engineer의 공정 노하우 지식을 적극 활용고자 하며, 설계 기법 고도화 및 성능 분석 연구는 본 연구단 내에서 이루어지도록 추진할 계획이다.
■ 3단계
￭ 목표
[다중의 단위소자를 결합한 시스템 구현]
Non-Hermitian 광소자에 기반한 광학계 architecture 및 시스템 개발
￭ 내용
본 과제의 마지막 단계인 3 단계 연구에서는, 1-2단계 연구를 통해 제안되고 구현한 NH 광소자를 기존의 집적형 광소자 시스템에 적용하여 실효적 응용성을 확립하고, 이를 바탕으로 새로운 집적형 광자 제어 시스템을 제안하는 연구를 추진한다. 3단계 연구에서 다루고자 하는 핵심 연구 주제는 아래와 같다.
◾ 구현된 단위 NH 광소자의 실용성 고도화: 개발된 NH 광소자들의 핵심 기능이 기존의 시스템 내에서 기대 성능을 담보하는지 여부를 실증하고 발견된 문제점을 해결하는 연구.
◾ 완성형 집적 광소자 / 시스템 구현: NH 광소자를 핵심 부품으로 하는 집적 모듈 개발 연구.
◾ 광-심층신경망 또는 광 아날로그-네트워크 구현을 위한 유리평판 광학계 집적 기법 개발: NH 회절 광학 네트워크의 병렬 저전력 연산 기능을 인공지능 하드웨어에 적용하기 위한 기반 연구.

□ 연구개발성과
1단계 연구를 통해 달성된 연구성과를 요약하면 아래 목록과 같다.
[NH 동역학계 범용 해석을 위한 모델 연구]
∎ 2중 결합 NH 동역학 시뮬레이터 구현.
∎ 특이점 주변의 복소 에너지 스펙트럼 특이구조 구현.
∎ 동적 시간-비대칭 상태전이 과정의 직접적 관측.
∎ LRC 공명 전자회로에서 3차 EP를 갖는 NH Hamiltonian 형성.
∎ 2차 특이점 line 및 3차 특이점 측정.
∎ 가설적 NH 정보전달 실험적 구현.
[실현 가능 광자 구조를 위한 설계 원리 도출]
∎ NH 결합 광도파로 구체적 설계 도출.
∎ 결정 실리콘 비선형 효과 이용 광대역 광다이오드 설계 원리 도출.
∎ 결정 실리콘 비선형 효과 이용 광대역 광다이오드 비가역성 투과율 성능 분석.
∎ 초고속 광대역 광변조기의 새로운 원리: 복소-에너지 병합-분할에 기반한 파동상태 스위치.
∎ PN접합 기반의 특이점 광대역 광 변조기 구조 설계.
∎ 되먹임 루프 없이 파동 잡음 신호를 능동적으로 제거하는 진폭-제어 소자의 새로운 원리 제시.
∎ 박막형 광소자에서 NH topological leaky-mode 공명 발견
∎ 두층 메타표면 광소자에서 topological nodal phase 발견
∎ 위상학적 beaming 현상 발견.
∎ 두층 메타표면에서 Chiral transmission phase only resonance 현상 발견.
∎ Plasmon 구조에서 NH topological interface state 발견.
∎ Topological charge pumping 초광대역 도파로 결합기.
∎ 초소형 레이저 구현을 위한 새로운 공진기 원리 제안.
∎ 역상-이득 공진기 구조를 응용한 연속파 상온 플라즈몬 나노레이저 설계원리 도출.
[NH 도파로 및 공명 광소자의 기본 구조 구현]
∎ 공간영역 Kramers-Kronig relation을 이용한 광대역 무반사 단방향 도파로 구조 구현.
∎ Fiber-optic platform에서 Synthetic anti-PT symmtery 탐구.
∎ 도파로 및 공명/회절 광소자 집적을 위한 Laser direct writing system 구축.
∎ 각도 분해 스펙트럼 분석계 구축.
∎ NH 광도파로 성능 분석 광학계 구축.
∎ 광펌핑 레이저 발진 측정 시스템 구축.
∎ 회절 광 인공 신경망 구현을 위한 Pixelated nano-gratings 시스템 구축.

□ 연구개발성과 활용계획 및 기대 효과
- 과학적 측면: 열린 양자계의 특이 동역학을 기반으로 하는 비-보존 광소자 및 집적 광학 시스템은 새로운 이론적 기법을 확립하고 실험적 접근법을 고안하여, 기존 닫힌 물리계 상호작용 기반의 나노포토닉스 기술에 대한 개념 확장을 꾀하며, 이를 통해 광자 상태의 공간 및 시간 의존 특성을 포괄적으로 제어하기 위한 패러다임-전환형 기반학술 연구로서 그 학술적 가치가 높다.
- 기술적 측면: 단방향 광 산란, 흡수, 투과, 반사, 정적 구조를 통한 동적 신규 특성 획득, 비가역적 비선형 효과 등은 NH 나노광학계의 전형적인 일반 특성으로서, 종래 광과학 및 광자기술을 통해 구현하기 곤란한 능동 비가역 광소자, 칩 기반 초고속 광대역 신호 처리 등을 위한 광소자의 기반 이론과 원천기술을 제공한다.
- 활용 계획: 종래의 접근법과 근본적으로 다른 NH 광자계 개념을 이용한 나노광 소자 기초 연구는 차세대 광전자 소자 창출과 반도체 생산기술 향상을 포함하는 정보산업 혁신과 그에 따른 경제적 파급효과에 이르는 광범위한 영향력을 가질 것으로 기대된다.

(출처 : 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 요 약 문 ... 2
• 1. 연구개발 목표 및 내용 ... 6
• 가. 최종목표 ... 6
• 나. 단계목표(당초목표 및 수정․보완 목표) ... 6
• 다. 당초 목표의 수정․보완(중요 연구변경) ... 6
• 라. 1 단계 연차별 연구목표 및 내용 ... 7
• 2. 연구 추진전략 및 방법 ... 8
• 3. 주요 연구개발결과 ... 9
• 가. 계획대비 달성도 ... 9
• 나. 대표적 연구업적 ... 72
• 다. 현 단계 달성된 연구결과의 세계적 연구 위상 ... 73
• 라. 기타 계획하지 않은 연구성과 ... 74
• 마. 연구역량 향상 정도 ... 74
• 바. 세계적 연구리더로서 연구책임자의 성장 정도 ... 74
• 4. 연구수행에 따른 문제점 및 개선방향 ... 74
• 5. 연구개발성과 현황 ... 75
• 끝페이지 ... 77