과학자들이 인공지능 알고리즘을 이용해 기존 버전보다 최대 500배 작은 광자 마이크로칩 부품 3종을 설계했다. 연구팀은 이 결과를 "인간의 직관을 뛰어넘는 것"이라고 평가했다.
광자칩은 전자 대신 빛 입자를 이용해 데이터를 이동·처리한다. 더 많은 데이터를 더 빠르게 전송하고 열로 낭비되는 에너지도 줄여 광섬유 네트워크, 데이터센터, 인공지능 시스템, 라이다, 양자컴퓨팅에 유용하다.
이 칩은 금속 배선 대신 도파관이라는 마이크로미터 폭 채널로 빛을 유도한다. 또한 인간 머리카락 굵기의 극히 일부에 불과한 공간 안에서 빛 패턴을 분리·유도하는 파장 분배기, 공간 모드 정렬기, 거울도 필요로 한다.
역설계로 설계 찾기
막스 플랑크 빛과학연구소와 하버드대가 이끈 연구팀은 알고리즘에 부품이 빛에 어떤 작용을 해야 하는지와 나노구조가 얼마나 급하게 휘어질 수 있는지 같은 제조 한계를 알려줬다. 알고리즘은 역으로 작동하며 목표를 충족하는 구조를 찾을 때까지 설계를 시험·개선했다.
제1저자 토비 비는 "역설계는 빛이 무엇을 하길 원하는지 정의하면 최적화가 이를 수행하는 구조를 찾아내며, 종종 인간이 그리지 않았을 구조를 찾아낸다"고 말했다. 그는 같은 프레임워크가 한 칩에서 파장별 빛 라우팅, 공간 모드별 정렬, 광학 공동을 형성하는 소형 거울 역할이라는 세 가지 다른 작업을 처리했다고 덧붙였다.
더 작은 부품, 더 넓은 칩 공간
길이 약 11마이크로미터의 거울은 들어오는 빛의 최대 98.5%를 반사하면서 원치 않는 패턴을 차단했다. 빛은 한 쌍의 거울 사이에서 100회 이상 왕복한 뒤 빠져나갔다. 파장 분배기는 지름 약 5마이크로미터로 박테리아 한 마리 크기이며, 모드 정렬기는 이보다 약간 크다.
부품은 두께 약 400~800나노미터의 질화규소로 만들어졌으며, 이는 표준 실리콘의 150~400나노미터보다 두꺼워 빛 손실을 줄이고 파장을 더 단단히 가둔다. 연구 결과는 5월 28일 네이처 커뮤니케이션즈에 게재됐다.
연구팀은 아직 부품들을 완전한 집적 광회로로 결합하지 않았다. 이는 이러한 설계가 가능하게 하는 더 높은 부품 밀도를 활용하는 완전 기능 광자칩을 향한 다음 단계다.
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