■ 연구 배경

광집적회로는 빛을 이용해 정보를 빠르고 효율적으로 처리할 수 있는 차세대 기술로 주목받고 있다. 특히 데이터센터와 광통신·광컴퓨팅 분야에서는 광신호를 단순히 빠르게 전달하는 것을 넘어, 여러 신호의 도착 시간을 맞추거나 필요한 순간에 신호를 지연시키는 기술이 중요해지고 있다.

이러한 기능을 구현하기 위해 여러 광공진기*의 간섭을 이용하는 결합공진기 유도 투과(CRIT)* 구조가 연구되어 왔다. CRIT(Coupled-Resonator-Induced Transparency)는 특정 주파수 대역의 빛을 선택적으로 통과시키고, 그 과정에서 광신호의 진행 속도를 늦출 수 있는 광학 현상이다.

하지만 기존 CRIT 구조는 한 번 제작되면 동작 방식이 대부분 고정돼, 사용 목적이 달라져도 같은 회로를 다른 기능에 맞게 재구성하기 어려웠다. 예를 들어, 광신호를 더 오래 지연시키거나 특정 주파수 대역으로 바꾸려면 기능에 맞는 새로운 광소자를 다시 설계해야 했다.

이 때문에 광통신 장비와 데이터센터 시스템이 복잡해지고, 새로운 기능의 추가에 많은 시간과 비용이 드는 한계가 있었다. 특히 AI 서버와 차세대 데이터센터처럼 막대한 데이터를 실시간으로 처리해야 하는 환경에서는 이러한 유연성 부족이 광컴퓨팅 기술 발전의 걸림돌로 지적되어 왔다.

■ 연구 성과

이 한계의 극복에 나선 공동연구팀은 CRIT 시스템을 이루는 두 가지 빛의 상태(밝은 모드, 어두운 모드)를 하나로 묶어 다루는 새로운 방식을 제안하고, 두 개의 제어 가능한 루프 결합기를 도입했다. 그리고 한 번 제작하면 바꾸기 어려웠던 광공진기 구조를 필요에 따라 다시 구성할 수 있는 새로운 프로그래머블 광집적회로의 설계 원리를 제시하는 데 성공했다.

연구진은 빛의 흐름을 필요한 만큼 지연시키고 조절할 수 있는 새로운 CRIT 구조를 제안하고, 밝은 모드와 어두운 모드 사이의 빛의 간섭을 하나의 통합된 설계 변수로 다룰 수 있음을 보였다. 이를 통해 그동안 그 구조가 정해져 있던 광공진기 회로의 설계 자유도를 크게 높였다.

특히 두 개의 루프 결합기를 이용해 광신호가 통과하는 주파수 대역의 폭과 형태를 조절하고, 회로를 지나는 광신호의 지연 및 전달 특성까지 필요에 따라 제어할 수 있음을 이론적으로 입증했다. 이는 하나의 광공진기뿐 아니라 여러 공진기가 연결된 구조 전체에서 광신호의 진행 속도와 전달 특성을 자유롭게 재구성할 수 있음을 의미한다.

또한 연구진은 회로를 동작 중에 제어하면서, 광펄스(Optical Pulse)*의 진행 속도가 실시간으로 변화하는 과정을 수치 계산으로 시연했다. 그 결과, 광신호의 지연 시간을 자유롭게 조절하면서도 신호 처리 성능을 거의 그대로 유지할 수 있었으며, 별도의 특수 소자를 추가하지 않고도 빛의 주파수 성분을 변환할 수 있음을 확인했다.

나아가 연구진은 이번에 제안한 CRIT 소자가 실리콘 나이트라이드(Si₃N₄) 광집적회로* 플랫폼에서 실제로 구현 가능함을 3차원 전자기장 시뮬레이션을 통해 검증했다. 또한 재료 손실, 공진기 품질 편차, 후방 산란, 결합 특성 변화, 루프 결합기의 위상 오차, 열 누화(Thermal Crosstalk)* 등 실제 제작 및 구동 과정에서 발생할 수 있는 다양한 요인을 분석한 결과, 제안한 구조가 현실적인 광집적회로 환경에서도 안정적으로 동작할 수 있음을 확인했다.

■ 기대 효과

이번 연구는 기존 고정형 광신호 지연 구조의 한계를 넘어, 회로가 동작하는 중에도 광신호의 시간·주파수 특성을 조절할 수 있는 새로운 프로그래머블 광집적회로 플랫폼을 제시했다는 점에서 그 의미가 크다. 특히 광신호 동기화, 가변 지연선, 광버퍼, 빛의 주파수를 바꾸는 기능 등 차세대 광인터커넥트에 필요한 핵심 기능을 하나의 광집적회로 구조에서 구현할 수 있는 가능성을 보여줬다.

또한 연구진이 제안한 광집적회로 설계 방법은 CRIT 뿐만 아니라 다양한 공진기 기반 광회로의 동적 제어에도 확장 적용될 수 있다. 이는 해당 설계 원리가 필요에 따라 빛의 흐름을 설계하고 제어하는 차세대 광신호 처리 기술의 토대가 될 수 있음을 시사한다.

향후 연구진이 개발한 광집적회로가 상용화되면, 광신호의 속도를 필요에 따라 조절하면서 하나의 광칩으로 다양한 기능을 소프트웨어처럼 전환해 사용할 수 있을 것으로 기대된다. 데이터센터와 AI 서버의 전력 소모를 줄이고 데이터 처리 효율을 높일 것으로 전망되는 이유다. 

또한 다양한 신호 처리 기능을 하나의 광칩에 통합할 수 있어, 광통신 장비와 센서 시스템의 소형화와 비용 절감에도 기여할 수 있다. 장기적으로는 자율주행, 차세대 통신, 양자기술 등 초고속 정보처리가 필요한 다양한 산업 분야의 핵심 기반기술로 활용될 전망이다.

- 논문명/저널: Fully programmable slow light based on a spinor representation of generalized coupled-resonator-induced transparency, Advanced Science
- DOI: https://doi.org/10.1002/advs.76378