빛의 파장과 분포 등을 자유롭게 조절해 양자통신 시스템의 성능을 끌어올릴 수 있는 기술이 공개됐습니다.
한국과학기술원(KAIST)은 전기및전자공학부 김상식 교수 연구팀과 한양대학교 물리학과 윤재웅 교수 연구팀의 공동연구를 통해 광신호를 자유롭게 제어할 수 있는 ‘광집적 공진기’를 개발했다고 오늘(15일) 밝혔습니다.
광집적회로(Photonic Integrated Circuit, PIC)는 빛을 이용해 데이터를 초고속·저전력으로 처리하는 기술입니다. 특히 인공지능(AI), 데이터센터, 양자정보처리 등 차세대 핵심 분야에서 중요한 기반 플랫폼 기술로 주목받고 있습니다.
광신호의 스펙트럼(빛의 색이나 파장 분포)과 위상 응답(빛의 타이밍이나 파동의 위치)을 자유롭게 조절하는 기술은 고성능 광통신과 광 컴퓨팅 구현에 필수적이지만, 기존 방식에서는 근본적인 제약이 존재했었습니다.
연구팀은 ‘광집적 공진기(광공진기)’에 주목했습니다. 광공진기는 빛을 일정 공간에 가두어 증폭하거나 특정 색(파장)만 선택하는 핵심 광학 소자로, 악기의 울림통이 소리를 증폭하는 원리와 유사합니다.
광신호의 위상과 스펙트럼을 정밀하게 조절하는 데 한계를 보였던 기존 ‘단일 통로 구조 공진기’에서 벗어나 ‘이중 도파로(Dual-bus)’ 구조를 도입해 이 문제를 해결했다고 설명했습니다.
이 구조는 공진기를 통과한 빛과 통과하지 않은 빛을 다시 만나게 해 간섭을 정밀하게 조절하는 방식입니다. 이를 통해 광신호를 원하는 형태로 자유롭게 설계할 수 있게 되었으며, 기존에는 구현이 어려웠던 다양한 형태의 빛 신호 제어가 가능해졌다고 설명했습니다.
연구팀은 빛의 색(파장) 특성을 보다 정밀하게 조절할 수 있는 새로운 특성을 확보했으며, 이를 바탕으로 비선형(빛의 색을 바꾸는) 주파수 변환 연구의 새로운 가능성을 제시했습니다.
이 기술을 활용하면 여러 데이터를 더 빠르고, 더 정확하게 처리해, 초고속 데이터센터 및 AI 가속기와 양자통신 시스템의 성능 향상에 도움이 될 것으로 예상됩니다.
이번 연구는 특히 학부생이 주도해 주목받고 있습니다. 제1 저자로 참여한 김태원 학사과정 학생은 “집적광학 개론 수업에서 배운 공진기 원리를 실제 소자 설계와 논문 성과로 발전시킬 수 있었다”고 말했습니다.
이번 연구 결과는 광학 국제 학술지 ‘레이저 앤 포토닉스 리뷰스(Laser & Photonics Reviews)’ 에 지난 3월 게재됐습니다.
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