빛을 이용한 초고속 통신 디바이스

KISTI 미리안『글로벌동향브리핑』 2010-03-04

IBM의 과학자들은 오늘 컴퓨터칩 사이에 동선을 통하여 통신하는 전기적 신호를 빛펄스를 이용하여 통신하는 미세한 실리콘칩으로 대체할 수 있는 진일보된 기술이 발표하였다. 이들의 연구 결과는 “Reinventing Germanium Avalanche Photodetector for Nanophotonic on-chip Optical Interconnects” 라는 제목으로 네이처 저널에 발표되었다. 이 디바이스는 나노포토닉 아발란치 광 검출기(avalanche photodetector)라고 불리는 것으로써 이런 디바이스 중에서 가장 빠르며 에너지 효율적인 컴퓨팅을 획기적으로 가능하게 할 수 있으며 차세대 전자 기술에 큰 기여를 할 수 있을 것으로 보인다. IBM 디바이스는 현재 마이크로 프로세서 칩을 생산하는 데 사용되는 게르마늄 물질의 아발란치 효과를 이용한다. 가파른 산의 경사면에서 눈사태가 발생하는 것과 비슷하게, 입사되는 빛 펄스가 처음에는 몇 개의 전하 운반자를 자유롭게 하고 이것들이 다른 것들도 자유롭게 만들어 결국 몇 배의 증폭된 신호를 만들어 내는 것이다. 전통적인 아발란치 광검출기는 아발란치가 천천히 생성되기 때문에 고속 광신호를 검출할 수 없었다. 이 발명은 온칩 광연결의 실현을 더욱 가깝게 만든 것이다. 이 연구 결과로 프로세스 칩안에 심어진 광통신으로, 1초에 1천조회의 연산을 할 수 있는 페타플롭 급보다 1천배 높은 엑사플롭(Exaflop) 수준의 성능을 가진 강력한 효율의 컴퓨터 시스템의 개발도 그리 멀지 않은 시기에 가능하게 할 것으로 보인다. IBM에 의해서 시연된 아발란치 광검출기는 그런 종류의 검출기 중에서는 세상에서 가장 빠른 디바이스이다. IBM 광검출기는 40Gbps에서 광정보 신호를 받을 수 있고 동시에 받은 신호를 10배 증폭할 수 있다. 더구나, 이 디바이스는 1.5 볼트의 공급으로도 작동하며 이전의 것보다 20배나 더 작다. 따라서 이런 작은 통신 디바이스는 작은 AA 사이즈 배터리로 작동 가능하다. 이에 비해서 기존의 아발란치 광검출기는 20-30볼트의 전력 공급이 필요하다. 이런 급격한 성능 향상은 단지 수십 개의 원자 스케일에서 광학적 그리고 전기적 특성을 조작함으로써 가능해졌다고 연구진은 말하였다. 이런 작은 디바이스는 매우 약한 빛 펄스를 검출할 수 있고 전례없는 대역폭과 원하지 않는 노이즈의 최소 추가로 약한 빛을 증폭하는 것이 가능하다. IBM 디바이스에서, 아발란치 증폭은 단지 수십 나노미터안에서 발생하며 매우 빠르게 일어난다. 이런 작은 크기는 또한 증폭 노이즈를 기존의 아발란치 광검출기에 비해서 50%에서 70%까지 억제시킬 수 있다는 것을 의미한다. IBM 디바이스는 실리콘과 게르마늄으로 제작되었으며 이런 물질은 이미 마이크로 프로세스 칩 제작에 널리 쓰이고 있다. 더구나 칩 공정에 사용되는 표준 프로세스로 만들어진다. 따라서 이런 수천개의 디바이스는 높은 대역폭의 온칩 광통신을 위한 실리콘 트랜지스터로 제작될 수 있다. 아발란치 광검출기의 성공은 지난 수년동안 IBM이 수행해온 일련의 연구의 마지막 연구이며 온칩 연결자 제작에 필요한 나노포토닉스 툴박스 디바이스 개발을 완성시킨 것이다. 2006년 12월, IBM 과학자들은 온칩 광통신을 위한 광학적 버퍼를 제작하는 데 필요한 광펄스에 부호화된 정보를 완충 기억장치에 옮기는 데 사용되는 실리콘 나노포토닉 지연선을 시연하였다. 2007년 12월, IBM의 과학자들은 초소형 실리콘 전기 광학 변조기를 개발하였다. 이 변조기는 온칩 광통신을 가능하게 하는 선조건인 전기적 신호를 빛펄스로 변환시키는 디바이스이다. 2008년 3월, IBM의 과학자들은 온칩 광학 통신에서 “트래픽 조절”을 위한 세상에서 가장 작은 나노포토닉 스위치를 개발하여 광학적 정보가 효율적으로 전달될 수 있도록 하였다. 첨부그림: 실리콘 칩상의 나노포토닉 아발란치 광검출기 어레이 이미지. photo4_assefa_Nature.jpg 출처 : http://www.physorg.com/news186856712.html