연구동향
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실리콘 포토닉스(Silicon Photonics) 회로 개발 동향
이진민(DGIST 기초학부) · 한상윤 (DGIST 로봇공학)





Programmble photonics, Matrix multiplexer, optical switch 등은 이에 대한 몇가지 예시.



Programmble photonics, Matrix multiplexer 등은 모두 빛을 이용한 연산을 하는 소자로 이를 위해서는 Optical switch를 통해 빛의 경로를 조작하는 기술이 필요하다.



Fig3은 Optical switch의 작동에 관한 그림으로 주황색으로 표시된 waveguide에서 진행하는 빛이 푸른색으로 표시된 waveguide에 coupling되는 정도에 따라 Bar state, Partial coupling, Cross state로 나눌 수 있다.



이때 coupling되는 정도를 조절해 원하는 상태를 만드는 방법에는 앞 칼럼의 Modulator부분에서 설명한 것과 같은 온도를 이용한 방법, 전자를 주입하는 방법, MEMS를 활용하는 방법의 3가지가 대표적이다. 이중 온도를 이용한 방법과 전자를 주입하는 방법은 Optical switch 작동에서 효율이 떨어지고 시간이 오래 걸린다는 단점이 있어 우리 연구실에서는 MEMS를 활용하는 방법을 사용하고 있다. MEMS란 Microelectromechanical systems의 약자로 쉽게 말해 나노 단위 크기의 매우 작은 기계장치이다.

Programmable Circuit을 구현하기 위해 다음의 두가지 방법으로 MEMS를 활용하여 Optical switch를 개발하였다.

먼저 180nm의 거리로 두 waveguide를 제작한 후 하나의 waveguide에 축전식 MEMS를 부착하여 상하로 움직일 수 있도록 하였다. 이 경우 두 waveguide 사이의 거리를 조절하여 광결합기를 만들 수 있다. 시뮬레이션 결과 MEMS를 1µm의 매우 작은 거리를 움직임으로서 빛을 모두 tuning할 수 있음을 확인하여 저전력의 구동이 가능하다.



또한 주 waveguide 옆에 상대적으로 굴절률이 작은 보조 waveguide를 다가가게 하여 waveguide의 유효 굴절률을 조절하는 방법을 사용했다. 이 경우 광손실 없이 waveguide를 지나는 빛의 위상을 변화시킬 수 있게 된다.

쉽게 말해 빛이 지나다니는 통로(waveguide)의 단면적을 넓혀 지나가는 빛의 위상과 굴절률을 조절하는 방식이다.



Optical switch를 제작하는 과정은 앞 칼럼에서 소개한 포토공정이 사용된다.



대략적인 과정은 먼저 실리콘 포토닉스 칩을 제작하는 데 주로 사용되는 8인치의 SOI(silicon-on-insulator) 웨이퍼에 산화규소막과 포토레지스트를 각각 이용해 식각한 후 금속층을 증착시켜 제작한다.





PPC(Programmable Photonics Circuit)는 사용자가 기능에 따라 침을 새로 디자인할 필요 없이 프로그래밍을 통해 원하는 광회로를 바로 구현할 수 있는 시스템을 이야기한다. 그중에서도 R-PPC(Re-circulating Programmable Photonics Circuit)는 코어가 링 형태로 되어있어 재순환식으로 작동하는 시스템이다.
본 연구진은 칩의 면적을 효율적으로 사용하기 위해 삼각형 형태로 코어를 구성하였다.



각 코어의 MEMS 작동을 통해 각 Optical switch가 Bar state, Partial coupling, Cross state중 어느 상태를 가질지 조절할 수 있고 이를 통해 여러 개의 소자를 원하는 대로 배치하는 것과 같은 효과를 내어 원하는 회로를 프로그래밍할 수 있다.

붉은색 직사각형을 Cross state, 초록색 직사각형을 Bar state, 푸른색 직사각형을 Partial coupling으로 한다면 각 소자는 Programmable circuit에서 다음과 같은 방식으로 구현할 수 있다.





들어온 빛은 Partial coupling되어 왼쪽 삼각형 회로와 Through로 나뉘게 되고 삼각형 회로로 들어간 빛은 삼각형을 따라 한바퀴 돌아 그중 일부는 Through로 빠져나가게 된다.



두개의 ring이 있는 CROW 구조도 다음과 같이 표현할 수 있다.



또한 두개의 waveguide사이에 두개의 ring이 있어 필터 역할을 하는 회로를 CROW 구조를

두번째 ring부분에 add와 drop을 추가함으로써 다음과 같이 표현할 수 있다.



Double rings의 CROW와 같은 방식으로 4개의 ring을 가진 CROW 구조를 만들 수 있다.



앞 칼럼에서 설명한 바와 같이 MZI(마하-젠더 간섭계)는 빛을 두 갈래로 나누고 한쪽 길에 달린 phase modulator를 이용해 위상을 변화시킨 후 빛을 하나로 모으는 방식으로 작동하는 소자이다.

이를 Optical switch를 활용한 Programmable circuit으로 구현할 수 있다.



본 연구진은 Programmable Photonics 기술에 대해 기존의 128배에 해당하는 1024개의 코어를 가지는 R-PPC를 Optical switch 기술로 구현하는 것을 목표로 연구를 진행하고 있다.



전자회로에서 FPGA(Field Programmable Gate Array)는 용도에 따라 회로를 다시 새겨넣어 프로그램 할 수 있다는 점에서 개발 비용을 매우 낮춰줬다. 연구하고 있는 R-PPC 실리콘 포토닉스 광 회로 역시 같은 이유로 광 회로의 개발 비용을 크게 줄일 수 있을 것이다. 특히 LiDAR나 양자 광 통신 시스템처럼 다양한 종류를 소량으로 생산해야 하는 어플리케이션을 하는 데에 드는 생산 비용을 낮출 수 있을 것으로 기대하고 있다.

특히 행렬-벡터 계산에 있어 대규모 광학적 병렬식 처리(WDM)에 사용될 수 있다.



행렬 계산기는 입력 행렬이 광 신호로 들어오면 행렬간의 계산을 표현한 회로를 거치면서 그 답이 출력값으로 나오는 회로이다.

이를 통해 기존의 전자식 GPU의 성능을 훨씬 뛰어넘는 연산기의 개발 가능성이 생길 것으로 예상된다.

 

  

 

  • 행렬 계산기
  • 전자식 GPU의 성능
  • 연산기의 개발
  • FPGA(Field Programmable Gate Array)
  • 광학적 병렬식 처리(WDM)
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