WO2022265166A1 - 광 소자 및 이의 동작 방법 - Google Patents

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Definitions

  • the present invention relates to an optical device including a ring resonator, and more particularly, to an optical device including a ring resonator having a van der Waals heterostructure structure and an operating method thereof.
  • optical devices using photonics technology are generally manufactured based on a silicon-on-insulator (SOI) wafer.
  • These optical elements include a light source, a photodetector, an optical modulator, a photodiode, a polarization rotator, a polarization splitter, and a wavelength division device. multiplexer), a wavelength division demultiplexer, an optical power splitter, and the like.
  • graphene is a material with a two-dimensional planar structure in which carbon atoms are connected in a honeycomb hexagonal form through sp2 bonds. Since graphene has high electron mobility, high light transmittance, and excellent thermal conductivity, it can be used for various purposes in industries such as semiconductors, energy, and displays. In particular, research is being actively conducted to apply graphene to various optical devices using photonics technology.
  • One technical problem of the present invention is to provide an optical device including a ring resonator having a van der Waals heterostructure structure.
  • One technical problem of the present invention is to provide an operating method using the above-described optical device as a light source, an optical detector, or an optical modulator.
  • an optical device provides a substrate, an optical waveguide extending in a first direction on the substrate, and a second direction crossing the first direction on the optical waveguide on the substrate.
  • the graphene layer, the first insulating layer, and the second insulating layer may have a ring shape or a ring shape in which one portion is open.
  • the first insulating layer and the second insulating layer include hexagonal boron nitride, and junctions of the first and second graphene layers and the first and second insulating layers are van der Waals heterogeneous can be conjugation.
  • a thickness of the first insulating layer may be greater than a thickness of the second insulating layer.
  • the first graphene layer has a ring shape with one part open, the first electrode is connected to one end of the first graphene layer, and the second electrode is connected to the other end of the first graphene layer, The first electrode and the second electrode may be spaced apart from each other.
  • the second graphene layer may have a ring shape in which one portion is open, and the third electrode may be connected to both one end and the other end of the second graphene layer.
  • the first graphene layer and the second graphene layer may be spaced apart from each other with the second insulating layer interposed therebetween.
  • a plurality of ring resonators may be provided, and the ring resonators may be arranged side by side on one side of the optical waveguide along the first direction.
  • a plurality of ring resonators may be provided, and the ring resonators may be arranged in a zigzag shape on both sides of the optical waveguide.
  • the first and second graphene layers and the upper surfaces of the first and second insulating layers have the same diameter, and sidewalls of the first and second graphene layers and the first and second insulating layers are can be aligned with each other.
  • the ring resonator may be used as a light source, an optical detector, or an optical modulator by controlling the magnitude, period, and timing of voltages applied to the first to third electrodes of the ring resonator.
  • a method of operating an optical device may include applying a first voltage to a first electrode.
  • the optical device includes a substrate, an optical waveguide extending in one direction on the substrate, and a first insulating layer, a first graphene layer, a second insulating layer, and a second graphene layer sequentially stacked on the substrate, and the first graphene layer.
  • a ring resonator including a first electrode and a second electrode connected to and a third electrode connected to the second graphene layer, wherein the first graphene layer, the second graphene layer, the first insulating layer, and the second graphene layer
  • the insulating layer has a ring shape or a ring shape with one part open, the first insulating layer and the second insulating layer include hexagonal boron nitride, and the first and second graphene layers and junctions of the first and second insulating layers may be van der Waals heterojunctions.
  • the first voltage may be a direct current voltage, an alternating current voltage, or a pulse voltage.
  • a pulse duration of the first voltage and the Pulse durations of the second voltage may be different from each other.
  • a pulse duration of the first voltage may be greater than a pulse duration of the second voltage.
  • a difference between a pulse duration of the first voltage and a pulse duration of the second voltage may be 10 fs to 10 ns.
  • a method of operating an optical device may include inputting input light into an optical waveguide, controlling a voltage applied to a third electrode, and outputting output light from the optical waveguide.
  • the optical device includes a substrate, an optical waveguide extending in one direction on the substrate, and a first insulating layer, a first graphene layer, a second insulating layer, and a second graphene layer sequentially stacked on the substrate, and the first graphene layer.
  • a ring resonator including a first electrode and a second electrode connected to and a third electrode connected to the second graphene layer, wherein the first graphene layer, the second graphene layer, the first insulating layer, and the second graphene layer
  • the insulating layer has a ring shape or a ring shape with one part open, the first insulating layer and the second insulating layer include hexagonal boron nitride, and the first and second graphene layers and junctions of the first and second insulating layers may be van der Waals heterojunctions.
  • Controlling the voltage applied to the third electrode may include periodically applying a voltage to the third electrode.
  • a voltage applied to the third electrode may be about 0.1 V to about 30 V.
  • a Fermi level of the second graphene layer when the third electrode is not applied may be higher than a Fermi level of the second graphene layer when the third electrode is applied.
  • An optical device may be used as a light source, an optical detector, or an optical modulator through a ring resonator having a van der Waals heterostructure structure.
  • optical device according to the embodiment of the present invention can be integrated into a silicon electronic chip to implement silicon photonics, high-density integration is possible and compatible with a CMOS chip.
  • FIG. 1A is a perspective view for explaining an optical device according to embodiments of the present invention.
  • FIG. 1B is an exploded perspective view for explaining a ring resonator of an optical device according to embodiments of the present invention.
  • FIG. 2A is a perspective view illustrating an optical device and an operating method thereof according to embodiments of the present invention.
  • 2b, 2c, and 2d are graphs for explaining a method of operating an optical device according to embodiments of the present invention.
  • 3A is a perspective view for explaining an optical device and an operating method thereof according to embodiments of the present invention.
  • 3B and 3C are graphs for explaining an operating method of an optical device according to embodiments of the present invention.
  • 4A and 5A are perspective views for explaining an optical device and an operating method thereof according to embodiments of the present invention.
  • 4b and 5b are schematic diagrams showing the Fermi level of graphene.
  • 6A, 6B, and 6C are graphs for explaining a method of operating an optical device according to embodiments of the present invention.
  • FIG 7 and 8 are perspective views for explaining an optical device according to embodiments of the present invention.
  • first and second are used to describe various regions, directions, shapes, etc., but these regions, directions, and shapes should not be limited by these terms. These terms are only used to distinguish one area, direction or shape from another area, direction or shape. Accordingly, a portion referred to as a first portion in one embodiment may be referred to as a second portion in another embodiment.
  • the embodiments described and illustrated herein also include their complementary embodiments. Parts designated with like reference numerals throughout the specification indicate like elements.
  • 1A is a perspective view for explaining an optical device according to embodiments of the present invention.
  • 1B is an exploded perspective view for explaining a ring resonator of an optical device according to embodiments of the present invention.
  • an optical device may include a substrate 100, a ring resonator RR on the substrate 100, and an optical waveguide WG.
  • the substrate 100 may be, for example, a semiconductor substrate including silicon or a silicon-on-insulator (SOI) substrate including silicon oxide.
  • SOI silicon-on-insulator
  • the substrate 100 may have a top surface parallel to the first direction D1 and the second direction D2 crossing the first direction D1 and orthogonal to the third direction D3.
  • the first to third directions D1 , D2 , and D3 may be directions orthogonal to each other, for example.
  • An optical waveguide WG extending in the first direction D1 may be provided on the substrate 100 .
  • the optical waveguide WG may have a line shape protruding from the substrate 100 in the third direction D3, but the present invention is not limited thereto.
  • the optical waveguide WG may include, for example, silicon, silicon nitride, or boron nitride.
  • a ring resonator RR adjacent to the optical waveguide WG in the second direction D2 may be provided on the substrate 100 .
  • the ring resonator RR may include a first insulating layer 110, a first graphene layer 120, a second insulating layer 130, and a second graphene layer 140 sequentially stacked on a substrate 100. there is.
  • Each of the first insulating layer 110 and the second insulating layer 130 may have, for example, a ring shape.
  • Each of the first graphene layer 120 and the second graphene layer 140 may have, for example, a ring shape in which one portion is open, that is, a C-shape.
  • Upper surfaces of the first insulating layer 110 , the first graphene layer 120 , the second insulating layer 130 , and the second graphene layer 140 may have substantially the same diameter. In other words, sidewalls of the first insulating layer 110, the first graphene layer 120, the second insulating layer 130, and the second graphene layer 140 may be aligned with each other, but the present invention is not limited thereto. .
  • the first insulating layer 110 may be provided between the upper surface of the substrate 100 and the first graphene layer 120 .
  • the first graphene layer 120 may be provided between the first insulating layer 110 and the second insulating layer 130 .
  • the second insulating layer 130 may be provided between the first graphene layer 120 and the second graphene layer 140 .
  • the first graphene layer 120 and the second graphene layer 140 may be spaced apart from each other in the third direction D3 with the second insulating layer 130 interposed therebetween.
  • a thickness T1 of the first insulating layer 110 in the third direction D3 may be greater than a thickness T2 of the second insulating layer 130 in the third direction D3.
  • the thickness means the thickness in the third direction D3.
  • a thickness of each of the first graphene layer 120 and the second graphene layer 140 may be smaller than the thickness T2 of the second insulating layer 130 .
  • the first insulating layer 110 and the second insulating layer 130 may include, for example, hexagonal boron nitride (hBN).
  • hBN is a 2-dimensional material having an isostructural structure with graphene, and is stable at high temperature and has excellent encapsulation effect.
  • Each of the junctions of the first and second graphene layers 120 and 140 and the first and second insulating layers 110 and 130 is a van der Waals heterojunction that causes strong light-material interaction at the interface. der Waals heterostructure).
  • a first electrode 210 and a second electrode 220 connected to the first graphene layer 120 may be provided.
  • the first electrode 210 may be connected to one end of the C-shaped first graphene layer 120
  • the second electrode 220 may be connected to the other end of the first graphene layer 120 .
  • the first electrode 210 and the second electrode 220 may be provided at substantially the same level as the first graphene layer 120 .
  • the first electrode 210 and the second electrode 220 may be spaced apart from each other in a tangential direction of the ring.
  • the first electrode 210 and the second electrode 220 may extend in a radial direction of the ring, and a portion of each of the first electrode 210 and the second electrode 220 is a first graphene layer. It may protrude from the inner wall of (120).
  • the first electrode 210 and the second electrode 220 may be referred to as a source electrode and a drain electrode.
  • a third electrode 230 connected to the second graphene layer 140 may be provided.
  • the third electrode 230 may be connected to both one end and the other end of the C-shaped second graphene layer 140 . That is, the third electrode 230 may connect one end and the other end of the second graphene layer 140 .
  • the third electrode 230 may be provided at substantially the same level as the second graphene layer 140 and may be provided at a level higher than the first electrode 210 and the second electrode 220 .
  • the third electrode 230 may extend in a radial direction, and a portion of the third electrode 230 may protrude from an inner wall of the second graphene layer 140 .
  • the third electrode 230 may be referred to as a gate electrode.
  • the optical device controls the magnitude, period, timing, etc. of the voltage applied to the first to third electrodes 210, 220, and 230 of the ring resonator (RR) to control a light source, light, and the like. It can be used as a photodetector or optical modulator.
  • FIG. 2A is a perspective view illustrating an optical device and an operating method thereof according to embodiments of the present invention.
  • using an optical device according to the present invention as a light source is applying a first voltage (V A ) and a second voltage (V B ) to the first electrode 210 and the third electrode 230, respectively. and grounding the second electrode 220.
  • V A first voltage
  • V B second voltage
  • the first voltage (V A ) and the second voltage (V B ) may be about 0.1 V to about 30 V.
  • 2b, 2c, and 2d are graphs for explaining a method of operating an optical device according to embodiments of the present invention.
  • the vertical axis is the magnitude of voltage or the intensity of light.
  • FIG. 2b shows a case in which a direct current voltage (DC) is applied to the first electrode 210
  • FIG. 2c shows a case in which an alternating voltage (AC) or a pulse voltage is applied to the first electrode 210.
  • the intensity of emitted light may be proportional to the magnitude of the applied voltage.
  • a direct current voltage DC
  • an alternating voltage AC
  • a pulse voltage AC or a pulse voltage
  • the frequency of emitted light can be controlled according to the applied voltage.
  • FIG. 2D shows a case where the first voltage VA and the second voltage V B are applied to the first electrode 210 and the third electrode 230, respectively, and the second electrode 220 is grounded.
  • Each of the first voltage (V A ) and the second voltage (V B ) may be a pulse voltage, and the pulse duration ( ⁇ t a ) of the first voltage (V A ) and the second voltage (V B )
  • the pulse duration ( ⁇ t b ) can be different.
  • the pulse duration ⁇ t a of the first voltage V A may be longer than the pulse duration ⁇ t b of the second voltage V B .
  • Light may be emitted in the form of a pulse having a pulse duration corresponding to a difference between a pulse duration ⁇ t a of the first voltage V A and a pulse duration ⁇ t b of the second voltage V B .
  • the difference between the pulse duration ⁇ t a of the first voltage V A and the pulse duration ⁇ t b of the second voltage V B may be about 10 fs to 10 ns.
  • the optical device according to the present invention is modulated faster than a light source including only a single graphene layer. can have speed.
  • 3A is a perspective view for explaining an optical device and an operating method thereof according to embodiments of the present invention.
  • using the optical device according to the present invention as a photodetector involves applying a voltage (V B ) to the third electrode 230 and connecting the ammeter 300 to the second electrode 220.
  • V B voltage
  • the operating method of the optical device according to the present invention is, for example, injecting light into the ring resonator (RR), applying a voltage (V B ) to the third electrode 230, and applying a voltage V B to the second electrode 220. It may include connecting the ammeter 300 to the ammeter 300 and measuring the photo current with the ammeter 300 .
  • FIGS. 3B and 3C are graphs for explaining an operating method of an optical device according to embodiments of the present invention.
  • the horizontal axis is time
  • the vertical axis is the intensity of light
  • the size of the second voltage (V B ) or the size of light current (unit is ampere (A)).
  • the photocurrent can be measured through the ammeter 300.
  • the second graphene layer 140 excited by light incident on the ring resonator (RR) may be thermalized, and pass through the second insulating layer 130 to the first graphene layer. (120).
  • the flow of electrons (ie, photocurrent) delivered to the first graphene layer 120 may be measured.
  • the second voltage V B increases, more electrons may be transferred by photon-assisted tunneling, and thus photodetection sensitivity may be improved.
  • 4A and 5A are perspective views for explaining an optical device and an operating method thereof according to embodiments of the present invention.
  • 4b and 5b are schematic diagrams showing the Fermi level of graphene.
  • using the optical device according to the present invention as an optical modulator involves propagating light through the optical waveguide (WG) and applying a voltage to the third electrode 230. It can be performed through controlling (V B ).
  • the operating method of the optical device according to the present invention includes, for example, inputting the input light IL into the optical waveguide WG and controlling the voltage V B applied to the third electrode 230. and outputting the output light OL from the optical waveguide WG.
  • the input light (IL) propagating through the optical waveguide WG ( IL may be output as output light OL without being decoupled from the ring resonator RR due to optical loss.
  • the Fermi level of the second graphene layer 140 may be the first level E1.
  • the intensity of the output light OL output through the optical waveguide WG may be smaller than that of FIGS. 4A and 4B.
  • the Fermi level of the second graphene layer 140 may correspond to the second level E2, and the second level E2 may be lower than the first level E1.
  • the second level E2 may be controlled by the voltage V B applied to the third electrode 230 .
  • the voltage V B applied to the third electrode may be about 0.1 V to about 30 V.
  • FIG. 6A, 6B, and 6C are graphs for explaining a method of operating an optical device according to embodiments of the present invention. More specifically, FIG. 6A shows an absorption coefficient according to the magnitude of the voltage V B applied to the third electrode 230 in a situation where the wavelength of the input light IL is constant, and FIG. 6B shows the absorption coefficient of the input light IL. FIG. 6C shows the intensity of the input light IL over time and the voltage V B applied to the third electrode 230. Indicates the size and intensity of the output light OL.
  • the absorption coefficient may tend to increase and then decrease.
  • the wavelength at which the transmission loss is reduced may vary according to Joule heating according to the voltage V B applied to the third electrode 230 . That is, the wavelength at which the transmission loss is reduced (coupled) may be controlled by the voltage V B applied to the third electrode 230 .
  • the intensity of the output light OL may be periodically varied by periodically applying the voltage V B to the third electrode 230 . That is, controlling the voltage V B applied to the third electrode 230 in the method of operating the optical device according to the present invention may be to periodically apply the voltage V B to the third electrode 230. .
  • FIGS. 7 and 8 are perspective views for explaining an optical device according to embodiments of the present invention.
  • descriptions of substantially the same items as those described with reference to FIGS. 1A and 1B will be omitted, and differences will be described in detail.
  • a plurality of ring resonators RR may be provided.
  • the plurality of ring resonators RR may have substantially the same structure.
  • the plurality of ring resonators RR may be arranged side by side along the first direction D1 on one side of the optical waveguide WG as shown in FIG. 7 , or zigzag on both sides of the optical waveguide WG as shown in FIG. 8 . may be arranged in a form.
  • this is only exemplary, and the present invention is not limited to those shown in FIGS. 7 and 8 , and the plurality of ring resonators RR may be arranged around the optical waveguide WG in various forms.

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Abstract

본 발명은 기판, 상기 기판 상에서 제1 방향으로 연장되는 광 도파로, 및 상기 기판 상에서 상기 광 도파로에 상기 제1 방향과 교차하는 제2 방향으로 인접하는 링 공진기를 포함하되, 상기 링 공진기는 상기 기판 상의 제1 그래핀층 및 제2 그래핀층, 상기 기판 및 상기 제1 그래핀층 사이의 제1 절연층, 상기 제1 그래핀층 및 상기 제2 그래핀층 사이의 제2 절연층, 상기 제1 그래핀층과 연결되는 제1 전극 및 제2 전극, 및 상기 제2 그래핀층과 연결되는 제3 전극을 포함하고, 상기 제1 그래핀층, 상기 제2 그래핀층, 상기 제1 절연층 및 상기 제2 절연층은 링 형상 또는 일 부분이 개방된 링 형상을 갖는 광 소자 및 이의 동작 방법을 제공한다.

Description

광 소자 및 이의 동작 방법
본 발명은 링 공진기를 포함하는 광 소자에 관한 것으로, 보다 구체적으로 반 데르 발스 이종 접합(van der Waals heterostructure) 구조를 갖는 링 공진기를 포함하는 광 소자 및 이의 동작 방법에 관한 것이다.
포토닉스 기술을 이용한 다양한 광 소자들은 일반적으로 SOI(silicon-on-insulator) 웨이퍼를 기반으로 제작된다. 이러한 광 소자들로는 광원(light source), 광 검출기(photodetector), 광 변조기(optical modulator), 광 다이오드(photodiode), 편광 회전기(polarizaton rotator), 편광 스플리터(polarizaton, splitter), 파장 다중화 장치(wavelength division multiplexer), 파장 역 다중화 장치(wavelength division demultiplexer), 광 분배기(optical power splitter) 등이 있다.
한편, 그래핀(graphene)은 탄소 원자들이 sp2 결합을 통해 벌집 모양의 육각형 형태로 연결된 2차원 평면 구조의 물질이다.　그래핀은 높은 전자 이동도, 높은 광 투과도 및 우수한 열 전도도 특성을 가지고 있기 때문에 반도체를 비롯해 에너지, 디스플레이 등의 산업 분야에서 다양한 용도로 활용될 수 있다. 특히, 그래핀을 포토닉스 기술을 이용한 다양한 광 소자들에 적용하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다.
본 발명의 일 기술적 과제는 반 데르 발스 이종 접합(van der Waals heterostructure) 구조를 갖는 링 공진기를 포함하는 광 소자를 제공하는 데 있다.
본 발명의 일 기술적 과제는 상술한 광 소자를 광원, 광 검출기 또는 광 변조기로 이용하는 동작 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상술한 기술적 과제들을 해결하기 위하여 본 발명의 실시예에 따른 광 소자는 기판, 상기 기판 상에서 제1 방향으로 연장되는 광 도파로, 및 상기 기판 상에서 상기 광 도파로에 상기 제1 방향과 교차하는 제2 방향으로 인접하는 링 공진기를 포함하되, 상기 링 공진기는 상기 기판 상의 제1 그래핀층 및 제2 그래핀층, 상기 기판 및 상기 제1 그래핀층 사이의 제1 절연층, 상기 제1 그래핀층 및 상기 제2 그래핀층 사이의 제2 절연층, 상기 제1 그래핀층과 연결되는 제1 전극 및 제2 전극, 및 상기 제2 그래핀층과 연결되는 제3 전극을 포함하고, 상기 제1 그래핀층, 상기 제2 그래핀층, 상기 제1 절연층 및 상기 제2 절연층은 링 형상 또는 일 부분이 개방된 링 형상을 가질 수 있다.
상기 제1 절연층 및 상기 제2 절연층은 육방정 질화 붕소(hexagonal boron nitride)를 포함하고, 상기 제1 및 제2 그래핀층들 및 상기 제1 및 제2 절연층들의 접합들은 반 데르 발스 이종 접합일 수 있다.
상기 제1 절연층의 두께는 상기 제2 절연층의 두께보다 클 수 있다.
상기 제1 그래핀층은 일 부분이 개방된 링 형상을 갖고, 상기 제1 전극은 상기 제1 그래핀층의 일 단부와 연결되고, 상기 제2 전극은 상기 제1 그래핀층의 타 단부와 연결되고, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극은 서로 이격될 수 있다.
상기 제2 그래핀층은 일 부분이 개방된 링 형상을 갖고, 상기 제3 전극은 상기 제2 그래핀층의 일 단부 및 타 단부 모두에 연결될 수 있다.
상기 제1 그래핀층 및 상기 제2 그래핀층은 상기 제2 절연층을 사이에 두고 서로 이격될 수 있다.
상기 링 공진기는 복수로 제공되고, 상기 링 공진기들은 상기 광 도파로의 일 측면에 상기 제1 방향을 따라 나란히 배열될 수 있다.
상기 링 공진기는 복수로 제공되고, 상기 링 공진기들은 상기 광 도파로의 양 측면에 지그재그 형태로 배열될 수 있다.
상기 제1 및 제2 그래핀층들, 상기 제1 및 제2 절연층들 각각의 상면의 직경은 서로 동일하고, 상기 제1 및 제2 그래핀층들, 상기 제1 및 제2 절연층들의 측벽들은 서로 정렬될 수 있다.
상기 링 공진기의 상기 제1 내지 제3 전극들에 인가되는 전압의 크기, 주기 및 타이밍을 제어하는 것을 통해 광원, 광 검출기 또는 광 변조기로 이용될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 광 소자의 동작 방법은 제1 전극에 제1 전압을 인가하는 것을 포함할 수 있다. 이때, 광 소자는 기판, 상기 기판 상에서 일 방향으로 연장되는 광 도파로, 및 상기 기판 상에서 차례로 적층된 제1 절연층, 제1 그래핀층, 제2 절연층 및 제2 그래핀층, 상기 제1 그래핀층에 연결된 제1 전극 및 제2 전극 및 상기 제2 그래핀층에 연결된 제3 전극을 포함하는 링 공진기를 포함하되, 상기 제1 그래핀층, 상기 제2 그래핀층, 상기 제1 절연층 및 상기 제2 절연층은 링 형상 또는 일 부분이 개방된 링 형상을 갖고, 상기 제1 절연층 및 상기 제2 절연층은 육방정 질화 붕소(hexagonal boron nitride)를 포함하고, 상기 제1 및 제2 그래핀층들 및 상기 제1 및 제2 절연층들의 접합들은 반 데르 발스 이종 접합일 수 있다.
상기 제2 전극을 접지시키는 것, 및 상기 링 공진기로부터 광을 방출하는 것을 더 포함하되, 상기 제1 전압은 직류 전압, 교류 전압 또는 펄스 전압일 수 있다.
상기 제2 전극을 접지시키는 것, 및 상기 제3 전극에 제2 전압을 인가하는 것을 더 포함하되, 상기 제1 전압 및 상기 제2 전압은 펄스 전압이고, 상기 제1 전압의 펄스 지속 시간 및 상기 제2 전압의 펄스 지속 시간은 서로 다를 수 있다.
상기 제1 전압의 펄스 지속 시간은 상기 제2 전압의 펄스 지속 시간보다 클 수 있다.
상기 제1 전압의 펄스 지속 시간 및 상기 제2 전압의 펄스 지속 시간의 차이는 10 fs 내지 10 ns일 수 있다.
상기 링 공진기로 광을 입사시키는 것, 상기 제3 전극에 제2 전압을 인가하는 것, 상기 제2 전극에 전류계를 연결하는 것, 및 상기 전류계로 상기 제2 그래핀층으로부터 상기 제2 절연층을 통해 상기 제1 그래핀층으로 전달되는 전자의 흐름을 측정하는 것을 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 광 소자의 동작 방법은 광 도파로로 입력광을 입력하는 것, 제3 전극에 인가되는 전압을 제어하는 것, 및 상기 광 도파로로부터 출력광을 출력하는 것을 포함할 수 있다. 이때, 광 소자는 기판, 상기 기판 상에서 일 방향으로 연장되는 광 도파로, 및 상기 기판 상에서 차례로 적층된 제1 절연층, 제1 그래핀층, 제2 절연층 및 제2 그래핀층, 상기 제1 그래핀층에 연결된 제1 전극 및 제2 전극 및 상기 제2 그래핀층에 연결된 제3 전극을 포함하는 링 공진기를 포함하되, 상기 제1 그래핀층, 상기 제2 그래핀층, 상기 제1 절연층 및 상기 제2 절연층은 링 형상 또는 일 부분이 개방된 링 형상을 갖고, 상기 제1 절연층 및 상기 제2 절연층은 육방정 질화 붕소(hexagonal boron nitride)를 포함하고, 상기 제1 및 제2 그래핀층들 및 상기 제1 및 제2 절연층들의 접합들은 반 데르 발스 이종 접합일 수 있다.
상기 제3 전극에 인가되는 전압을 제어하는 것은 상기 제3 전극에 주기적으로 전압을 인가하는 것일 수 있다.
상기 제3 전극에 인가되는 전압은 약 0.1 V 내지 30 V일 수 있다.
상기 제3 전극이 인가되지 않은 경우의 상기 제2 그래핀층의 페르미 레벨은 상기 제3 전극이 인가된 경우의 상기 제2 그래핀층의 페르미 레벨보다 높을 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 광 소자는 반 데르 발스 이종 접합(van der Waals heterostructure) 구조를 갖는 링 공진기를 통해 광원, 광 검출기 또는 광 변조기로 이용될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 광 소자는 실리콘 전자 칩에 집적되어 실리콘 포토닉스를 구현할 수 있으므로, 고밀도 집적화가 가능하며 CMOS 칩 등과 호환될 수 있다.
도 1a는 본 발명의 실시예들에 따른 광 소자를 설명하기 위한 사시도이다.
도 1b는 본 발명의 실시예들에 따른 광 소자의 링 공진기를 설명하기 위한 분해 사시도이다.
도 2a는 본 발명의 실시예들에 따른 광 소자 및 이의 동작 방법을 설명하기 위한 사시도이다.
도 2b, 도 2c 및 도 2d는 본 발명의 실시예들에 따른 광 소자의 동작 방법을 설명하기 위한 그래프들이다.
도 3a는 본 발명의 실시예들에 따른 광 소자 및 이의 동작 방법을 설명하기 위한 사시도이다.
도 3b 및 도 3c는 본 발명의 실시예들에 따른 광 소자의 동작 방법을 설명하기 위한 그래프들이다.
도 4a 및 도 5a는 본 발명의 실시예들에 따른 광 소자 및 이의 동작 방법을 설명하기 위한 사시도들이다.
도 4b 및 도 5b는 그래핀의 페르미 레벨을 나타내는 모식도들이다.
도 6a, 도 6b 및 도 6c는 본 발명의 실시예들에 따른 광 소자의 동작 방법을 설명하기 위한 그래프들이다.
도 7 및 도 8은 본 발명의 실시예들에 따른 광 소자를 설명하기 위한 사시도들이다.
본 발명의 구성 및 효과를 충분히 이해하기 위하여, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라, 여러 가지 형태로 구현될 수 있고 다양한 수정 및 변경을 가할 수 있다. 단지, 본 실시예의 설명을 통해 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것이다. 첨부된 도면에서 설명의 편의를 위하여 각 구성 요소의 비율은 과장되거나 축소될 수 있다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예를 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 또한 본 명세서에서 사용되는 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 통상적으로 알려진 의미로 해석될 수 있다.
본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 ‘포함한다(comprises)’ 및/또는 ‘포함하는(comprising)’은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
본 명세서에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 영역, 방향, 형상 등을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 영역, 방향, 형상이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 소정 영역, 방향 또는 형상을 다른 영역, 방향 또는 형상과 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 따라서, 어느 한 실시예에서 제1 부분으로 언급된 부분이 다른 실시예에서는 제2 부분으로 언급될 수도 있다. 여기에 설명되고 예시되는 실시예는 그것의 상보적인 실시예도 포함한다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
이하, 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 광 소자 및 이의 동작 방법에 대하여 상세히 설명한다.
도 1a는 본 발명의 실시예들에 따른 광 소자를 설명하기 위한 사시도이다. 도 1b는 본 발명의 실시예들에 따른 광 소자의 링 공진기를 설명하기 위한 분해 사시도이다.
도 1a 및 도 1b를 참조하면, 본 발명에 따른 광 소자는 기판(100), 기판(100) 상의 링 공진기(RR) 및 광 도파로(WG)를 포함할 수 있다. 기판(100)은, 예를 들어, 실리콘 등을 포함하는 반도체 기판 또는 실리콘 산화물을 포함하는 SOI(silicon-on-insulator) 기판일 수 있다. 기판(100)은 제1 방향(D1) 및 제1 방향(D1)과 교차하는 제2 방향(D2)과 나란하고, 제3 방향(D3)과 직교하는 상면을 가질 수 있다. 제1 내지 제3 방향들(D1, D2, D3)은, 예를 들어, 서로 직교하는 방향들일 수 있다.
기판(100) 상에서 제1 방향(D1)으로 연장되는 광 도파로(WG)가 제공될 수 있다. 광 도파로(WG)는, 예를 들어, 기판(100)으로부터 제3 방향(D3)으로 돌출된 라인 형태를 가질 수 있으나 본 발명은 이에 제한되지 않는다. 광 도파로(WG)는, 예를 들어, 실리콘, 실리콘 질화물 또는 질화 붕소를 포함할 수 있다.
기판(100) 상에 광 도파로(WG)와 제2 방향(D2)으로 인접하는 링 공진기(RR)가 제공될 수 있다. 링 공진기(RR)는 기판(100) 상에 차례로 적층된 제1 절연층(110), 제1 그래핀층(120), 제2 절연층(130) 및 제2 그래핀층(140)을 포함할 수 있다. 제1 절연층(110) 및 제2 절연층(130) 각각은, 예를 들어, 링 형상을 가질 수 있다. 제1 그래핀층(120) 및 제2 그래핀층(140) 각각은, 예를 들어, 일 부분이 개방된 링 형상, 즉 C자 형상을 가질 수 있다.
제1 절연층(110), 제1 그래핀층(120), 제2 절연층(130) 및 제2 그래핀층(140) 각각의 상면의 직경은 실질적으로 동일할 수 있다. 다시 말하면, 제1 절연층(110), 제1 그래핀층(120), 제2 절연층(130) 및 제2 그래핀층(140)의 측벽들은 서로 정렬될 수 있으나, 본 발명은 이에 제한되지 않는다.
제1 절연층(110)은 기판(100)의 상면과 제1 그래핀층(120) 사이에 제공될 수 있다. 제1 그래핀층(120)은 제1 절연층(110)과 제2 절연층(130) 사이에 제공될 수 있다. 제2 절연층(130)은 제1 그래핀층(120)과 제2 그래핀층(140) 사이에 제공될 수 있다. 특히, 제1 그래핀층(120) 및 제2 그래핀층(140)은 제2 절연층(130)을 사이에 두고 제3 방향(D3)으로 서로 이격될 수 있다.
제1 절연층(110)의 제3 방향(D3)으로의 두께(T1)는 제2 절연층(130)의 제3 방향(D3)으로의 두께(T2)보다 클 수 있다. 이하에서, 두께는 제3 방향(D3)으로의 두께를 의미한다. 제1 그래핀층(120) 및 제2 그래핀층(140) 각각의 두께는 제2 절연층(130)의 두께(T2)보다 작을 수 있다.
제1 절연층(110) 및 제2 절연층(130)은, 예를 들어, 육방정 질화 붕소(hexagonal boron nitride; 이하 hBN)를 포함할 수 있다. hBN은 그래핀과 동등 구조를 갖는(isostructural) 이차원 물질(2-dimensional material)로, 고온에서 안정적이고 봉지(encapsulation) 효과가 우수한 물질이다. 제1 및 제2 그래핀층들(120, 140)과 제1 및 제2 절연층들(110, 130)의 접합들 각각은 그 계면에서 강한 빛-물질 상호 작용을 일으키는 반 데르 발스 이종 접합(van der Waals heterostructure)일 수 있다.
제1 그래핀층(120)과 연결되는 제1 전극(210) 및 제2 전극(220)이 제공될 수 있다. 제1 전극(210)은 C자 형상을 갖는 제1 그래핀층(120)의 일 단부와 연결될 수 있고, 제2 전극(220)은 제1 그래핀층(120)의 타 단부와 연결될 수 있다. 제1 전극(210) 및 제2 전극(220)은 제1 그래핀층(120)과 실질적으로 동일한 레벨에 제공될 수 있다. 제1 전극(210) 및 제2 전극(220)은 링의 접선 방향(tangential direction)으로 서로 이격될 수 있다. 제1 전극(210) 및 제2 전극(220)은 링의 방사 방향(radial direction)으로 연장될 수 있고, 제1 전극(210) 및 제2 전극(220) 각각의 일 부분은 제1 그래핀층(120)의 내측벽으로부터 돌출될 수 있다. 제1 전극(210) 및 제2 전극(220)은 소스 전극 및 드레인 전극으로 지칭될 수 있다.
제2 그래핀층(140)과 연결되는 제3 전극(230)이 제공될 수 있다. 제3 전극(230)은 C자 형상을 갖는 제2 그래핀층(140)의 일 단부 및 타 단부에 모두 연결될 수 있다. 즉, 제3 전극(230)은 제2 그래핀층(140)의 일 단부와 타 단부를 연결시킬 수 있다. 제3 전극(230)은 제2 그래핀층(140)과 실질적으로 동일한 레벨에 제공될 수 있고, 제1 전극(210) 및 제2 전극(220)보다 높은 레벨에 제공될 수 있다. 제3 전극(230)은 방사 방향으로 연장될 수 있고, 제3 전극(230)의 일 부분은 제2 그래핀층(140)의 내측벽으로부터 돌출될 수 있다. 제3 전극(230)은 게이트 전극으로 지칭될 수 있다.
본 발명에 따른 광 소자는 링 공진기(RR)의 제1 내지 제3 전극들(210, 220, 230)에 인가되는 전압의 크기, 주기, 타이밍 등을 제어하는 것을 통해 광원(light source), 광 검출기(photodetector) 또는 광 변조기(optical modulator)로 이용될 수 있다.
도 2a는 본 발명의 실시예들에 따른 광 소자 및 이의 동작 방법을 설명하기 위한 사시도이다.
도 2a를 참조하면, 본 발명에 따른 광 소자를 광원으로 이용하는 것은 제1 전극(210) 및 제3 전극(230) 각각에 제1 전압(VA) 및 제2 전압(VB)을 인가하는 것 및 제2 전극(220)을 접지시키는 것을 통해 수행될 수 있다. 다시 말하면, 본 발명에 따른 광 소자의 동작 방법은, 일 예로, 제1 전극(210) 및 제3 전극(230) 각각에 제1 전압(VA) 및 제2 전압(VB)을 인가하고 제2 전극(220)을 접지시키는 것 및 링 공진기(RR)로부터 광을 방출하는 것을 포함할 수 있다. 실시예들에 따라, 제3 전극(230)에는 전압이 인가되지 않을 수 있다. 이때, 제1 전압(VA) 및 제2 전압(VB)은 약 0.1 V 내지 30 V일 수 있다.
도 2b, 도 2c 및 도 2d는 본 발명의 실시예들에 따른 광 소자의 동작 방법을 설명하기 위한 그래프들이다. 각 그래프들에서, 가로축은 시간(단위는 ps(=10-12 초))이며, 세로축은 전압의 크기 또는 광의 세기이다.
도 2a, 도 2b, 도 2c 및 도 2d를 참조하면, 제1 전극(210)에 제1 전압(VA)이 인가되고 제2 전극(220)이 접지되면 링 공진기(RR)로부터 광이 방출될 수 있다.
도 2b는 제1 전극(210)에 직류 전압(DC)이 인가되는 경우를 나타내며, 도 2c는 제1 전극(210)에 교류 전압(AC) 또는 펄스 전압(pulse voltage)이 인가되는 경우를 나타낸다. 방출되는 광의 세기는 인가되는 전압의 크기에 비례할 수 있다.
보다 구체적으로, 제1 전극(210)을 통해 제1 그래핀층(120)에 직류 전압(DC)이 인가되면 줄 히팅(Joule heating)에 의한 열 복사에 의해 일정한 세기의 광이 방출될 수 있다. 또한, 제1 전극(210)을 통해 제1 그래핀층(120)에 교류 전압(AC) 또는 펄스 전압이 인가되면 열 전자와 포논의 비균등 상태로부터 약 10 GHz 이상의 주파수를 갖는 광이 방출될 수 있다. 방출되는 광의 주파수는 인가되는 전압에 따라 제어될 수 있다.
도 2d는 제1 전극(210) 및 제3 전극(230) 각각에 제1 전압(VA) 및 제2 전압(VB)이 인가되고, 제2 전극(220)이 접지되는 경우를 나타낸다. 제1 전압(VA) 및 제2 전압(VB) 각각은 펄스 전압일 수 있고, 제1 전압(VA)의 펄스 지속 시간(pulse duration, Δta) 및 제2 전압(VB)의 펄스 지속 시간(Δtb)은 서로 다를 수 있다. 일 예로, 제1 전압(VA)의 펄스 지속 시간(Δta)은 제2 전압(VB)의 펄스 지속 시간(Δtb)보다 클 수 있다. 광은 제1 전압(VA)의 펄스 지속 시간(Δta) 및 제2 전압(VB)의 펄스 지속 시간(Δtb)의 차이에 해당하는 펄스 지속 시간을 갖는 펄스 형태로 방출될 수 있다. 이때, 제1 전압(VA)의 펄스 지속 시간(Δta) 및 제2 전압(VB)의 펄스 지속 시간(Δtb)의 차이는 약 10 fs 내지 10 ns일 수 있다.
보다 구체적으로, 제1 전극(210)을 통해 제1 그래핀층(120)에 제1 전압(VA)이 인가되면 열 전자에 의해 광이 방출될 수 있고, 제3 전극(230)을 통해 제2 그래핀층(140)에 제2 전압(VB)이 인가되면 열 전자가 제2 절연층(130)을 통해 제2 그래핀층(140) 및 제3 전극(230)으로 터널링되어 광이 방출되지 않을 수 있다. 결과적으로, 제1 그래핀층(120)에 교류 전압 또는 펄스 전압이 인가될 때보다 높은 주파수를 갖는 광이 방출될 수 있고, 본 발명에 따른 광 소자는 단일 그래핀층만을 포함하는 광원보다 빠른 변조 속도를 가질 수 있다.
도 3a는 본 발명의 실시예들에 따른 광 소자 및 이의 동작 방법을 설명하기 위한 사시도이다.
도 3a를 참조하면, 본 발명에 따른 광 소자를 광 검출기로 이용하는 것은 제3 전극(230)에 전압(VB)을 인가하는 것 및 제2 전극(220)에 전류계(300)를 연결하는 것을 통해 수행될 수 있다. 다시 말하면, 본 발명에 따른 광 소자의 동작 방법은, 일 예로, 링 공진기(RR)로 광을 입사시키는 것, 제3 전극(230)에 전압(VB)을 인가하고 제2 전극(220)에 전류계(300)를 연결하는 것, 전류계(300)로 광 전류(photo current)를 측정하는 것을 포함할 수 있다.
도 3b 및 도 3c는 본 발명의 실시예들에 따른 광 소자의 동작 방법을 설명하기 위한 그래프들이다. 도 3b 및 도 3c에서, 가로축은 시간이며, 세로축은 광의 세기, 제2 전압(VB)의 크기 또는 광 전류의 크기(단위는 암페어(A))이다.
도 3a, 도 3b 및 도 3c를 참조하면, 링 공진기(RR)로 광이 입사되고 제3 전극(230)에 전압(VB)이 인가되면, 전류계(300)를 통해 광 전류를 측정할 수 있다. 보다 구체적으로, 링 공진기(RR)로 입사된 광에 의해 여기된 제2 그래핀층(140) 내의 전자는 열중성자화(thermalization)될 수 있고, 제2 절연층(130)을 통해 제1 그래핀층(120)으로 전달될 수 있다. 제2 전극(220)과 연결된 전류계(300)를 통해, 제1 그래핀층(120)으로 전달되는 전자의 흐름(즉, 광 전류)을 측정할 수 있다. 제2 전압(VB)이 커질수록 광자 보조 터널링(photon-assisted tunneling)에 의해 더 많은 전자가 전달될 수 있고, 이에 따라 광 검출 민감도가 향상될 수 있다.
도 4a 및 도 5a는 본 발명의 실시예들에 따른 광 소자 및 이의 동작 방법을 설명하기 위한 사시도들이다. 도 4b 및 도 5b는 그래핀의 페르미 레벨을 나타내는 모식도들이다.
도 4a, 도 4b, 도 5a 및 도 5b를 참조하면, 본 발명에 따른 광 소자를 광 변조기로 이용하는 것은 광 도파로(WG)를 통해 광을 진행시키는 것 및 제3 전극(230)에 인가되는 전압(VB)을 제어하는 것을 통해 수행될 수 있다. 다시 말하면, 본 발명에 따른 광 소자의 동작 방법은, 일 예로, 광 도파로(WG)로 입력광(IL)을 입력하는 것, 제3 전극(230)에 인가되는 전압(VB)을 제어하는 것 및 광 도파로(WG)로부터 출력광(OL)을 출력하는 것을 포함할 수 있다.
도 4a 및 도 4b를 참조하면, 광 도파로(WG)를 통해 입력광(IL)이 입력되고 제3 전극(230)에 전압이 인가되지 않는 경우, 광 도파로(WG)를 통해 진행하는 입력광(IL)은 광 손실이 발생하여 링 공진기(RR)와 커플링되지 않고(decoupled) 출력광(OL)으로 출력될 수 있다. 이때, 제2 그래핀층(140)의 페르미 레벨은 제1 레벨(E1)일 수 있다.
도 5a 및 도 5b를 참조하면, 광 도파로(WG)를 통해 입력광(IL)이 입력되고 제3 전극(230)에 전압이 인가되는 경우, 파울리 블록킹(Pauli blocking)으로 인해 광 손실이 감소하여 광 도파로(WG)를 통해 진행하는 입력광(IL)의 적어도 일부는 링 공진기(RR)와 커플링될(coupled) 수 있고, 링 공진기(RR) 내에 커플링 광(CL)이 생성될 수 있다. 이때, 광 도파로(WG)를 통해 출력되는 출력광(OL)의 세기는 도 4a 및 도 4b의 경우에 비해 작을 수 있다. 이때, 제2 그래핀층(140)의 페르미 레벨은 제2 레벨(E2)에 해당할 수 있고, 제2 레벨(E2)은 제1 레벨(E1)보다 낮을 수 있다. 제2 레벨(E2)은 제3 전극(230)에 인가되는 전압(VB)에 의해 제어될 수 있다. 일 예로, 제3 전극에 인가되는 전압(VB)은 약 0.1 V 내지 30 V일 수 있다.
도 6a, 도 6b 및 도 6c는 본 발명의 실시예들에 따른 광 소자의 동작 방법을 설명하기 위한 그래프들이다. 보다 구체적으로, 도 6a는 입력광(IL)의 파장이 일정한 상황에서 제3 전극(230)에 인가되는 전압(VB)의 크기에 따른 흡수 계수(absorption coefficient)를 나타내고, 도 6b는 입력광(IL)의 파장(단위는 nm)에 따른 투과 손실(transmission loss)을 나타내며, 도 6c는 시간에 따른 입력광(IL)의 세기, 제3 전극(230)에 인가되는 전압(VB)의 크기 및 출력광(OL)의 세기를 나타낸다.
도 6a를 참조하면, 특정한 파장의 입력광(IL)에 대하여 제3 전극(230)에 인가되는 전압(VB)이 커질수록 흡수 계수는 증가했다가 감소하는 경향을 나타낼 수 있다.
도 6b를 참조하면, 제3 전극(230)에 인가되는 전압(VB)에 따른 줄 히팅에 따라 투과 손실이 작아지는 파장이 달라질 수 있다. 즉, 투과 손실이 작아지는(커플링되는) 파장은 제3 전극(230)에 인가되는 전압(VB)에 의해 제어될 수 있다.
도 6c를 참조하면, 제3 전극(230)에 주기적으로 전압(VB)을 인가하는 것을 통해 출력광(OL)의 세기가 주기적으로 변동될 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 광 소자의 동작 방법에서 제3 전극(230)에 인가되는 전압(VB)을 제어하는 것은 제3 전극(230)에 주기적으로 전압(VB)을 인가하는 것일 수 있다.
도 7 및 도 8은 본 발명의 실시예들에 따른 광 소자를 설명하기 위한 사시도들이다. 이하에서, 설명의 편의를 위하여 도 1a 및 도 1b를 참조하여 설명한 것과 실질적으로 동일한 사항에 대한 설명을 생략하고, 차이점에 대하여 상세히 설명한다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 링 공진기(RR)는 복수로 제공될 수 있다. 복수의 링 공진기들(RR)은 실질적으로 동일한 구조를 가질 수 있다. 복수의 링 공진기들(RR)은 도 7과 같이 광 도파로(WG)의 일 측면에 제1 방향(D1)을 따라 나란히 배열될 수도 있고, 도 8과 같이 광 도파로(WG)의 양 측면에 지그재그 형태로 배열될 수도 있다. 다만, 이는 예시적인 것일 뿐 본 발명은 도 7 및 도 8에 도시된 것에 제한되지 않으며 복수의 링 공진기들(RR)은 광 도파로(WG) 주변에 다양한 형태로 배열될 수 있다.
이상, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

Claims (20)

  1. 기판;
    상기 기판 상에서 제1 방향으로 연장되는 광 도파로; 및
    상기 기판 상에서 상기 광 도파로에 상기 제1 방향과 교차하는 제2 방향으로 인접하는 링 공진기를 포함하되,
    상기 링 공진기는:
    상기 기판 상의 제1 그래핀층 및 제2 그래핀층;
    상기 기판 및 상기 제1 그래핀층 사이의 제1 절연층;
    상기 제1 그래핀층 및 상기 제2 그래핀층 사이의 제2 절연층;
    상기 제1 그래핀층과 연결되는 제1 전극 및 제2 전극; 및
    상기 제2 그래핀층과 연결되는 제3 전극을 포함하고,
    상기 제1 그래핀층, 상기 제2 그래핀층, 상기 제1 절연층 및 상기 제2 절연층은 링 형상 또는 일 부분이 개방된 링 형상을 갖는 광 소자.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 절연층 및 상기 제2 절연층은 육방정 질화 붕소(hexagonal boron nitride)를 포함하고,
    상기 제1 및 제2 그래핀층들 및 상기 제1 및 제2 절연층들의 접합들은 반 데르 발스 이종 접합인 광 소자.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 절연층의 두께는 상기 제2 절연층의 두께보다 큰 광 소자.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 그래핀층은 일 부분이 개방된 링 형상을 갖고,
    상기 제1 전극은 상기 제1 그래핀층의 일 단부와 연결되고,
    상기 제2 전극은 상기 제1 그래핀층의 타 단부와 연결되고,
    상기 제1 전극 및 상기 제2 전극은 서로 이격되는 광 소자.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2 그래핀층은 일 부분이 개방된 링 형상을 갖고,
    상기 제3 전극은 상기 제2 그래핀층의 일 단부 및 타 단부 모두에 연결되는 광 소자.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 그래핀층 및 상기 제2 그래핀층은 상기 제2 절연층을 사이에 두고 서로 이격되는 광 소자.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 링 공진기는 복수로 제공되고,
    상기 링 공진기들은 상기 광 도파로의 일 측면에 상기 제1 방향을 따라 나란히 배열되는 광 소자.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 링 공진기는 복수로 제공되고,
    상기 링 공진기들은 상기 광 도파로의 양 측면에 지그재그 형태로 배열되는 광 소자.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 및 제2 그래핀층들, 상기 제1 및 제2 절연층들 각각의 상면의 직경은 서로 동일하고,
    상기 제1 및 제2 그래핀층들, 상기 제1 및 제2 절연층들의 측벽들은 서로 정렬되는 광 소자.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 링 공진기의 상기 제1 내지 제3 전극들에 인가되는 전압의 크기, 주기 및 타이밍을 제어하는 것을 통해 광원, 광 검출기 또는 광 변조기로 이용되는 광 소자.
  11. 기판, 상기 기판 상에서 일 방향으로 연장되는 광 도파로, 및 상기 기판 상에서 차례로 적층된 제1 절연층, 제1 그래핀층, 제2 절연층 및 제2 그래핀층, 상기 제1 그래핀층에 연결된 제1 전극 및 제2 전극 및 상기 제2 그래핀층에 연결된 제3 전극을 포함하는 링 공진기를 포함하는 광 소자에 있어서,
    상기 제1 전극에 제1 전압을 인가하는 것을 포함하고,
    상기 제1 그래핀층, 상기 제2 그래핀층, 상기 제1 절연층 및 상기 제2 절연층은 링 형상 또는 일 부분이 개방된 링 형상을 갖고,
    상기 제1 절연층 및 상기 제2 절연층은 육방정 질화 붕소(hexagonal boron nitride)를 포함하고,
    상기 제1 및 제2 그래핀층들 및 상기 제1 및 제2 절연층들의 접합들은 반 데르 발스 이종 접합인 광 소자의 동작 방법.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 제2 전극을 접지시키는 것; 및
    상기 링 공진기로부터 광을 방출하는 것을 더 포함하되,
    상기 제1 전압은 직류 전압, 교류 전압 또는 펄스 전압인 광 소자의 동작 방법.
  13. 청구항 11에 있어서,
    상기 제2 전극을 접지시키는 것; 및
    상기 제3 전극에 제2 전압을 인가하는 것을 더 포함하되,
    상기 제1 전압 및 상기 제2 전압은 펄스 전압이고,
    상기 제1 전압의 펄스 지속 시간 및 상기 제2 전압의 펄스 지속 시간은 서로 다른 광 소자의 동작 방법.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 제1 전압의 펄스 지속 시간은 상기 제2 전압의 펄스 지속 시간보다 큰 광 소자의 동작 방법.
  15. 청구항 13에 있어서,
    상기 제1 전압의 펄스 지속 시간 및 상기 제2 전압의 펄스 지속 시간의 차이는 10 fs 내지 10 ns인 광 소자의 동작 방법.
  16. 청구항 11에 있어서,
    상기 링 공진기로 광을 입사시키는 것;
    상기 제3 전극에 제2 전압을 인가하는 것;
    상기 제2 전극에 전류계를 연결하는 것; 및
    상기 전류계로 상기 제2 그래핀층으로부터 상기 제2 절연층을 통해 상기 제1 그래핀층으로 전달되는 전자의 흐름을 측정하는 것을 더 포함하는 광 소자의 동작 방법.
  17. 기판, 상기 기판 상에서 일 방향으로 연장되는 광 도파로, 및 상기 기판 상에서 차례로 적층된 제1 절연층, 제1 그래핀층, 제2 절연층 및 제2 그래핀층, 상기 제1 그래핀층에 연결된 제1 전극 및 제2 전극 및 상기 제2 그래핀층에 연결된 제3 전극을 포함하는 링 공진기를 포함하는 광 소자에 있어서,
    상기 광 도파로로 입력광을 입력하는 것;
    상기 제3 전극에 인가되는 전압을 제어하는 것; 및
    상기 광 도파로로부터 출력광을 출력하는 것을 포함하되,
    상기 제1 그래핀층, 상기 제2 그래핀층, 상기 제1 절연층 및 상기 제2 절연층은 링 형상 또는 일 부분이 개방된 링 형상을 갖고,
    상기 제1 절연층 및 상기 제2 절연층은 육방정 질화 붕소(hexagonal boron nitride)를 포함하고,
    상기 제1 및 제2 그래핀층들 및 상기 제1 및 제2 절연층들의 접합들은 반 데르 발스 이종 접합인 광 소자의 동작 방법.
  18. 청구항 17에 있어서,
    상기 제3 전극에 인가되는 전압을 제어하는 것은 상기 제3 전극에 주기적으로 전압을 인가하는 것인 광 소자의 동작 방법.
  19. 청구항 18에 있어서,
    상기 제3 전극에 인가되는 전압은 약 0.1 V 내지 30 V인 광 소자의 동작 방법.
  20. 청구항 18에 있어서,
    상기 제3 전극이 인가되지 않은 경우의 상기 제2 그래핀층의 페르미 레벨은 상기 제3 전극이 인가된 경우의 상기 제2 그래핀층의 페르미 레벨보다 높은 광 소자의 동작 방법.
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