칩 규모의 주파수 조합이 데이터 미래를 구동한다

컬럼비아 공대 연구진은 레이저를 “주파수 조합”으로 변환할 수 있는 새로운 칩을 개발했다. 이는 동시에 여러 개의 강력한 광 채널을 생성한다.

연구진은 특수한 잠금 메커니즘을 사용하여 지저분한 레이저 광을 정리하고 작은 실리콘 장치에서 실험실급의 정확도를 달성했다. 이 성과는 데이터 센터의 효율성을 크게 개선하고 LiDAR, 센싱, 양자 기술 등의 혁신을 주도할 수 있다.

마이크로 조합이 실험실급 정밀도를 칩으로 축소한다 

연구진은 LiDAR(광検출 및 거리 측정) 기술을 개선하기 위해 고출력 마이크로 조합 장치를 개발했다.

LiDAR는 거리를 계산하고 환경의 고해상도 3D 모델을 생성하기 위해 펄스 레이저 광을 사용하는 원격 감지 기술이다. 이는 레이더와 비슷하지만 광을 사용한다.

시스템은 레이저 펄스를 발射하고 돌아오는 시간을 측정하여 객체까지의 정확한 거리를 측정하고 실시간으로 운동을 추적한다.

LiDAR 기기는 레이저, 스캐너, 및 전문 GPS 수신기를 포함하며, 이러한 구성 요소는 자율 주행, 환경 모니터링, 측량, 고고학 등의 응용 분야에서 3D 지도 생성을 위한詳細한 ‘점 클라우드’ 데이터를 생성한다.

이 기술은 1960년대에 발명되어 기상학, 해양 감지, 및 지형도 작성에 처음 적용되었으며, 이후 NASA에 의해 우주로 확장되었다. 2010년대에는 상용 자동차에서 LiDAR를 사용하기 시작했으며, 이후 고급 전기 자동차에서 LiDAR가 인기를 얻었다.

LiDAR의 적용이 증가함에 따라 연구자들은 기술을 개선하기 위해 끊임없이 노력하고 있다. 레이저 기술의 다양한 혁신은 고급 광학과 결합하여 LiDAR 시스템의 장기적인 미래를 위한 추가적인 소형화를 가능하게 한다.

컬럼비아 대학교 공학 및 응용 과학 학교의 연구진은 컴팩트 레이저 시스템에서 더 높은 출력 및 스펙트럼純度를解放하기 위해 칩 규모의 주파수 조합 생성을 가능하게 하는 방법을 찾는 데 중점을 두었다. 이를 통해 통신, 센싱, 분광법, LiDAR, 및 기타 통합 광학 응용 분야를 개선할 수 있다.

그этому, 연구진은 마이크로 조합을 개발했다. 이는 칩 위에 일련의 균일하게 간격이 있는 광 주파수를 생성하는 소형 광학 장치이다.

이러한 통합 마이크로 조합은 전통적으로 이러한 응용 분야에 필요한 복잡한 시스템의 크기를 줄일 수 있다. 따라서, 통합 마이크로 조합은 고출력, 작은 형태 인자, 및 높은 효율이 필요한 다양한 응용 분야에서 유망하다. 이러한 응용 분야에는 분광법, 센싱, 및 데이터 통신이 포함된다.

최근, 연구자들은 게인 칩(반도체 광학 요소)과 고품질 공진기를 통합하여 전기적으로 펌핑되는 마이크로 조합을 시연했다. 그러나 이러한 마이크로 조합의 전체 광 출력은 여전히 실제 솔루션에 필요한 것보다 훨씬 낮다.

이 제한은 컬럼비아 연구진에 의해 해결되었다. 그들은 고출력 전기적으로 펌핑되는 케르 주파수 마이크로 조합을 시연했다.

‘지저분한’ 다이오드에서 깨끗한 마이크로 조합으로

흥미롭게도, 이것은 우연한 발견이었다. 몇 년 전, 공동 저자 Michal Lipson의 연구실에서 일하는 연구자들은 LiDAR 기능을 개선하는 프로젝트에서 일하고 있었다. 그들은 놀라운 것을 발견했다.

그들은 더 밝은 광선을 생성할 수 있는 고출력 칩을 설계하고 있었으며, “우리가 더 많은 전력을 칩에 공급할수록, 그것이 주파수 조합을 생성한다는 것을 알게 되었다”고 Andres Gil-Molina는 말했다. 그는 현재 Xscape Photonics의 주요 엔지니어이다.

주파수 조합은 이산적이고 규칙적으로 간격이 있는 스펙트럼 선으로 구성된다. 이것은 이 특별한 유형의 광이 색깔을 나란히 일렬로 배열한 것을 의미한다. 이것은 무지개에서 볼 수 있는 것과 같다.

여기서 수십 개의 광 주파수가 빛난다. 그러나 이러한 색깔이나 주파수 사이의 간격은 어둡다. 따라서, 이러한 밝은 주파수를 스펙트로그램에서 볼 때, 그것들은 조합의 이 또는 스파이크처럼 보인다.

다른 색깔의 광은 서로 간섭하지 않기 때문에, 각 이는 자신의 채널로 작용하여 여러 데이터 스트림을 동시에 보낼 수 있는 놀라운 기회를 제공한다.

강력한 주파수 조합을 생성하는 것은 매우 유용하지만, 큰 및 비싼 레이저와 앰플리파이어가 필요하다.

Nature Photonics에 발표된 논문은 단일 칩에서 동일한 것을 수행하는 방법을 자세히 설명한다.

“우리가 개발한 기술은 매우 강력한 레이저를 가져와서 칩上的 여러 개의 깨끗한 고출력 채널로 변환한다. 즉, 개별 레이저의 랙을 한 개의 콤팩트 장치로 대체할 수 있으며, 비용을 절감하고 공간을 절약하며, 훨씬 더 빠르고 에너지 효율적인 시스템을 구축할 수 있다.”

– Gil-Molina

이 연구는 데이터 센터에서 강력하고 효율적인 광원을 제공하는 데 대한巨大的 수요를 충족할 뿐만 아니라, 실리콘 광학을 발전시키는 팀의 임무에서 중요한 이정표를 나타낸다.

실리콘 광학은 전통적인 전자 회로보다 훨씬 더 빠른 데이터 전송을 가능하게 하면서 전력 소비를 줄이고 열을 발생시키지 않기 때문에, 고속 데이터 센터, AI, LiDAR, 양자 기술, IoT, 및 5G에서 응용 분야를 찾았다.

실리콘 광학은 표준 CMOS 제조 공정을 사용하여 광학적 구성 요소를 실리콘 칩에 통합하여 фотニック 集成 회로(PIC)를 생성한다. 이는 빠르고 에너지 효율적인 통신 및 더 작은, 더 비용 효율적인 장치를 위한 실리콘 온 절연체(SOI) 웨이퍼를 사용하여 파형 가이드 및 기타 구성 요소를 형성한다.

“이 기술이 점점 더 중요해지는 동안, 데이터 센터가 가능한 한 효율적으로 작동하도록 하는데 이러한 종류의 진행이 필수적이다.”

– Lipson

자체 주입 잠금이 광을 정리하고 증폭한다

칩에 넣을 수 있는 가장 강력한 레이저는 무엇인가? 이 질문이 연구진의 đột파구가 되었다.

컬럼비아 팀은 다중 모드 레이저 다이오드를 선택했다. 레이저 다이오드는 특정 파장에서 단일 색깔의 광을 생성하는 반도체 장치이다. 다중 모드 레이저 다이오드 또는 브로드 에리야 레이저(BAL)는 더 높은 출력을 제공하며, 광의 품질이 중요하지 않은 경우에 이상적이다.

이러한 장치는 더 넓은 광선을 생성하며, 이는 광의 품질을 감소시키지만 출력 밀도를 증가시킨다. 다중 모드 레이저 다이오드는 의료 기기, 인쇄 및 이미지, 및 레이저 절단 도구 등의 응용 분야에서 널리 사용된다.

거대한 양의 광을 생성하지만, 이러한 레이저의 광선은 “지저분”하여 정밀한 응용 분야에서 사용하기 어렵다.

다중 모드 레이저 다이오드를 실리콘 광학 칩에 통합하는 것은, 광 경로가 몇 마이크로미터(μm) 또는 수백 나노미터(nm)만큼 좁을 수 있으므로, 신중한 엔지니어링이 필요하다.

이 강력하지만 매우 노이즈가 많은 광원을 정리하기 위해, 팀은 잠금 메커니즘을 사용했다.

비선형 영역에서 자체 주입 잠금이 사용되어 칩상의 고출력 조합을 생성하고 동시에 펌프 소스의 공진을 정리했다.

자체 주입 잠금은 두 개의 오실레이터가 근처의 주파수에서 작동할 때 발생하는 주파수 효과이다. 주파수가 충분히 가까우면, 두 번째 오실레이터가 첫 번째 오실레이터를 포착하여 두 오실레이터가 본질적으로 동일한 주파수를 가지게 된다.

이 기술은 주로 연속파(CW) 단일 주파수 레이저 소스에서 높은 출력이 필요한 경우에 적용되며, 매우 낮은 강도 노이즈와 위상 노이즈를 결합한다.

실리콘 광학을 사용하여 레이저의 출력을 재구성하고 정리하여, 더 안정적이고 깨끗한 광선을 생성한다. 이것은 고조화를 의미한다. 한 번 광이 정리되면, 칩의 비선형 광학적 특성이 작용하여 단일 강력한 광선을 수십 개의 균일하게 간격이 있는 색깔로 나눈다. 이것이 주파수 조합의 핵심 특징이다.

결과적으로 콤팩트하고, 고효율의 광원이 생성되며, 산업용 레이저의 원시적인 힘과 고급 통신 및 감지에 필요한 정밀성을 결합한다.

저조화를 가진 소스는 고출력과 실리콘 질화물 링 공진기와 통합되었다. 공진기는 정상적인 그룹 속도 분산을 갖으며, 이는 광학적 주파수가 증가함에 따라 속도가 감소한다.

이것은 더 긴 광파 길이가 매체에서 더 짧은 파장보다 더 빠르게 이동하여 광 펄스를 시간에 따라 퍼지게 하는 것을 의미한다.

팀이 생성한 마이크로 조합은 칩상의 총 출력 수준이 최대 158 mW에 달했다. 조합 선은 200 kHz의 내재적 선폭을 갖는다. 연구자들은 또한 이전에 보고된 결과보다 100 μW를 초과하는 조합 선이 두 배 이상 많으며, 칩상의 출력 수준이 한 수준 더 높은 것을 보여주었다.

연구자들은 다음과 같이 말했다:

“우리의 새로운 전기적으로 펌핑되는 마이크로 조합 소스는 데이터 통신에 필요한 크기, 출력, 및 선폭을 갖으며, 고성능 컴퓨팅 및 스펙트럼 감지 및 시간 보정 응용 분야에서 유비쿼터스 장치와 같은 다른 분야에 강한 영향을 미칠 수 있다.”

이 혁신은 AI 데이터 센터의 수요가 폭발적으로 증가하는 시기에 이루어졌다. 이는 인프라에 대한 부담을 가중시키며, 정보를 빠르게 이동하도록斗争한다. 따라서, 회사는 대형 AI 모델을 학습하고 실행하는 데 필요한 거대한 컴퓨팅 요구를 처리하기 위해 AI専用 인프라를 구축하고 있다.

이미, 광섬유 링크는 고급 데이터 센터에서 데이터를 전송하는 데 사용되고 있지만, 여전히 단일 파장 레이저에 의존한다.

수십 개의 광선이 동일한 광섬유를 통해 병렬로 실행되는 경우, 하나의 광선이 하나의 데이터 스트림만을 전송하는 대신, 주파수 조합은 데이터 센터의 능력을 극적으로 향상시킬 수 있다.

이와 동일한 원리는 WDM(파장 분할 다중화) 뒤에 있는 원리이다. 이는 광섬유 기술로, 각 스트림에 고유한 광의 파장을 할당하여 단일 광섬유를 통해 여러 데이터 스트림을 동시에 전송한다. 이는 데이터 용량을 크게 증가시키고, 더 높은 대역폭을 허용한다. WDM은 1990년대 후반에 인터넷을 글로벌 고속 네트워크로 만들었다.

현재, Lipson의 팀은 다중 파장의 조합을 만들고 있으며, 이를 칩에 직접 적합할 수 있을 만큼 작다. 이는 이러한 기능을 현대 컴퓨팅 시스템의 콤팩트하고 비싼 부분에 도입할 수 있게 할 것이다.

이렇게 하면 칩이 데이터 센터가 작동하는 방식을 변경하여 정보가 전송되고 처리되는 방식을 간소화할 수 있다. 이는 차세대 데이터 센터 및 효율적인 광 통신에 의존하는 많은 장치의 설계에 영향을 미칠 것이다. 이러한 칩은 또한 고급 LiDAR 시스템, 콤팩트 양자 장치, 극도로 정밀한 광시계, 및 휴대용 분광기를 가능하게 할 수 있다.

“이것은 실험실급 광원을 실제 장치로 가져오는 것이다. 만약 당신이 그것들을 강력하고, 효율적이고, 충분히 작게 만들 수 있다면, 당신은 그것들을 거의 어디에나 넣을 수 있다.”

– Gil-Molina

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