서울대 연구팀, 빛 속도 조절하는 광집적회로 개발

박남규·유선규 교수팀, 서울시립대와 공동연구…‘Advanced Science’ 게재

[더파워 이우영 기자] 국내 연구진이 빛 신호의 속도와 형태를 조절할 수 있는 광집적회로 기술을 개발했다.

서울대학교 공과대학은 전기정보공학부 박남규·유선규 교수 연구팀이 서울시립대학교 전자전기컴퓨터공학부 박현희 교수와 공동으로 빛의 속도를 늦추고 제어할 수 있는 광집적회로를 개발했다고 8일 밝혔다.

이번 연구는 생성형 AI와 대규모 AI 모델 확산으로 데이터 처리량이 급증하는 상황에서 주목받는 광컴퓨팅 기술과 관련돼 있다. 기존 전자식 반도체는 전력 소모와 데이터 전송 속도에서 한계가 지적돼 왔고, 빛을 활용한 저전력·초고속 연산 기술 수요가 커지고 있다.

다만 빛은 속도가 고정돼 있다는 특성 때문에 광컴퓨팅에 필요한 버퍼와 메모리 기능을 구현하는 데 어려움이 있었다. 연구팀은 프로그래밍 가능한 광집적회로를 활용해 빛 신호의 속도와 모양을 제어하는 방식을 제안했다.

핵심은 여러 광공진기의 간섭을 이용하는 결합공진기 유도 투과 구조를 재설계한 것이다. 기존 구조는 한 번 제작되면 동작 방식이 대부분 고정돼 목적이 달라질 때 회로를 다시 설계해야 하는 한계가 있었다.

공동연구팀은 빛의 두 가지 상태인 밝은 모드와 어두운 모드를 통합적으로 다루는 설계 방식을 제시했다. 여기에 두 개의 제어 가능한 루프 결합기를 도입해 광신호가 통과하는 주파수 대역과 지연 특성을 조절할 수 있음을 이론적으로 입증했다.

연구팀은 회로가 동작하는 중에도 광펄스의 진행 속도가 바뀌는 과정을 수치 계산으로 시연했다. 그 결과 광신호 지연 시간을 조절하면서도 신호 처리 성능을 유지할 수 있고, 별도 특수 소자 없이 빛의 주파수 성분을 변환할 수 있음을 확인했다.

실제 구현 가능성도 검증했다. 연구팀은 실리콘 나이트라이드 광집적회로 플랫폼에서 제안 구조가 구현될 수 있음을 3차원 전자기장 시뮬레이션으로 확인했다. 재료 손실, 공진기 품질 편차, 후방 산란, 열 누화 등 실제 제작 과정에서 발생할 수 있는 요인도 함께 분석했다.

이번 연구는 광신호 동기화, 가변 지연선, 광버퍼, 주파수 변환 등 차세대 광인터커넥트에 필요한 기능을 하나의 광집적회로 구조에서 구현할 가능성을 제시했다. 데이터센터와 AI 서버의 전력 소모를 줄이고 데이터 처리 효율을 높이는 기술 기반으로도 활용될 수 있다.

논문의 공동 교신저자인 박남규 서울대 전기정보공학부 교수는 “광집적회로 안에서 빛의 흐름을 필요에 따라 재구성할 수 있는 설계 원리를 제시했다”며 “향후 실리콘 포토닉스 기반 대규모 프로그래머블 광집적회로와 광자 AI 기술 분야로 확장해 나갈 계획”이라고 말했다.

이우영 더파워 기자 leewy1986@thepowernews.co.kr