GIST 석태준 교수 연구팀, 세계 최대 광집적 스위치 개발

기존 상용 광스위치 보다 빛 정보교환 10,000배 이상 빠른 속도

GIST(총장 김기선) 전기전자컴퓨터공학부 석태준 교수와 미국 UC Berkeley의 Ming C. Wu 교수 공동연구팀이 광섬유를 통한 빛의 정보교환을 기존보다 빠르고 효과적으로 재구성할 수 있는 새로운 광스위치를 개발하는데 성공했다.

개발된 광스위치는 실리콘 반도체 공정 기술을 이용하여, 240개의 광입력과 240개의 광출력 간 연결을 재구성해줄 수 있는 5만개가 넘는 나노구조체들을 실리콘 반도체 칩 위에 집적함으로써 구현되었다.

이는 지금까지 발표된 광집적스위치 중 세계 최대 규모이다.

▲GIST 전기전자컴퓨터 공학부 석태준 교수ⓒGIST

우리가 매일 사용하는 이메일, 웹검색, 온라인 쇼핑, SNS 등의 온라인 서비스들은 모두 데이터 센터에 존재한 컴퓨터 서버에 의해 제공된다. 온라인 상의 각종 사진, 동영상, 문서 등이 클라우드 기반으로 저장 및 관리되는 데이터 센터에는 지금 이 순간에도 수십만대의 서버들이 광섬유를 통한 네트워크로 연결되어 막대한 정보를 주고 받고 있다.

이러한 정보의 흐름을 관리하는 역할을 하는 것이 네트워크 스위치인데, 현재 사용되고 있는 전기 신호 기반의 네트워크 스위치는 전력소모가 크고 많은 열을 발생시켜 처리할 수 있는 정보량이 곧 한계에 도달할 것이라는 예상이 지배적이다.

이때문에 막대한 정보량을 기반으로 하는 초연결 시대의 차세대 네트워크에서는 광스위치가 전기스위치를 대체할 것이라는 전망이 설득력을 얻고 있으며, 반도체 칩 안에서 빛을 진행시키고, 그 진행경로를 재배열할 수 있는 광집적스위치가 최근 세계적으로 활발하게 연구되고 있다.

그러나 지금까지 개발된 광집적스위치는 입/출력의 개수가 증가할수록 빛이 많은 스위칭 스테이지를 거쳐야 하는 구조로 인해, 광손실이 누적되는 한계가 존재하였다.

또한, 칩의 크기(2~3 cm)가 제한적인 반도체 공정의 특성상 스위치 크기의 확장이 제한되었다. 이로 인해 기존에 발표된 광집적스위치는 처리할 수 있는 광 입/출력 단자가 수십개에 불과한 실정이었다.

연구팀은 실리콘 광반도체 위에 다단계의 스위칭 스테이지를 배열하는 기존 방식 대신 복층으로 구성된 광도파로를 입체적으로 구현하고, 미세전자기계시스템으로 광도파로를 물리적으로 이동시켜 빛의 경로를 전환하는 획기적인 방식을 통해 광손실의 누적을 피했다.

▲UC 버클리 Ming C.Wu 교수ⓒGIST

더욱 나아가 광반도체 공정시 실리콘 칩을 연결하는 방식을 최초로 도입하여 240개의 광 입/출력 연결을 재구성할 수 있는 세계 최대의 광집적스위치를 구현하였다.

개발된 스위치는 1초에 백만번 이상 입/출력 간의 연결을 재구성해 줄 수 있는데, 이는 1초에 100여번 정도 재구성이 가능한 기존 상용 광스위치에 비해 만배 이상 빠른 속도이다.

GIST 석태준 교수는 “이번 연구에서 소개된 광반도체 칩을 연결하는 방법은 기존의 반도체 칩 크기 한계를 뛰어넘어 대규모 광집적회로를 가능하게 해주는 혁신적인 기술로, 광집적스위치 뿐 아니라 광소자 양자컴퓨팅, 광기반 프로세서, 광인공신경망 등 현재 활발하게 연구되고 있는 차세대 대규모 광집적회로 분야에 큰 영향을 미칠 것으로 기대된다”고 말했다.

이번 연구는 GIST 전기전자컴퓨터공학부 석태준 교수와 미국 UC Berkeley 권경목 박사, Ming C. Wu 교수가 함께 참여했으며, 연구결과는 광학분야 5위 국제학술지인 옵티카(Optica/Impact Factor=7.536)에 2019년 4월 12일 온라인으로 게재되었다.