빛을 제어하는 나노 크기의 작은 광소자들은 현재의 반도체 기술에 비해 빠른 정보 처리 속도와 높은 집적도로 인해 차세대 기술로서 각광받고 있다.
하지만 미래의 광컴퓨터, 광통신 등을 실제적으로 구현하기 위해서는, 이들 각각의 나노 광소자들을 머리카락 크기의 작은 칩 안에 효율적으로 배열하고 집적할 수 있어야 한다.
즉 각각의 나노 소자 사이에서 손실 없이 빛을 주고받을 수 있는 시스템의 개발이 필수적으로 수반되어야 하는데, 이는 현재의 기술로는 많은 어려움이 있다.
이에 고려대학교 이과대학 물리학과 박홍규 교수는 하버드 화학과와의 공동연구를 통해, 이 같은 문제를 해결할 수 있는 새로운 하이브리드 구조체를 세계 최초로 구현하였다.
박 교수는 새로운 나노 공정을 개발하는 한편, 다양한 색깔의 빛을 발생시키는 반도체 나노선과 발생된 빛을 원하는 대로 제어할 수 있는 광결정 구조체를 결합하였다.
반도체 나노선은 광펌핑뿐 아니라 전기 펌핑으로도 동작해 광결정 광도파로에 효율적으로 빛을 주입할 수 있고, 이 빛은 광집적회로에서 정보 처리를 위한 다양한 기능을 수행할 수 있다. 뿐만 아니라 이 구조를 응용해 여러 가지 색깔의 빛을 동시에 방출하는 나노선으로부터 각각의 빛을 색깔별로 따로따로 분리해 뽑아 낼 수 있는 새로운 광소자도 실험적으로 구현했다.
본 연구를 통해 개발된 하이브리드 나노선/광결정 결합 구조는 현재 반도체 기술을 대체할 수 있는 차세대 핵심 기술로써, 복잡한 광집적회로를 기능별로 단순화시킬 수 있다는데 그 의미가 크다. 빛으로만 구동되는 광집적회로를 이 같은 광소자들을 이용하여 제작함으로써, 미래의 초고속 광컴퓨터 혹은 도청이 불가능한 고효율 단일 광자원 등을 실제로 구현하는데 있어 한걸음 더 나아갔다고 말할 수 있을 것이다.
이해를 돕기 위하여 비유를 하자면, 컴퓨터에서 CPU와 하드디스크를 연결하기 위해서 전선을 이용하는데, 이때 CPU가 반도체 나노선에 대응될 수 있고 전선이 광결정 구조가 될 수 있다. 즉 CPU에서 정보 신호를 보내듯이 반도체 나노선에서 빛을 발생시키고, 전선이 이 전기 신호를 다른 곳(하드디스크 등)으로 옮기듯이 광결정 구조가 빛을 원하는 위치로 이동시킬 수 있게 된다. 이렇게 보면 현재까지는 CPU와 전선이 너무 크거나 둘 사이의 규격이 잘 맞지 않아 초고속 컴퓨터를 만드는데 어려움이 있어 왔으나, 본 연구를 통하여 CPU와 전선을 모두 초소형 나노 크기로 제작하고 잘 연결시킴으로써 초고속 광컴퓨터의 구현을 가능하게 했다고 말할 수 있다.
한편 본 개발과 관련한 내용은 박 교수의 논문, ‘나노선 광원과 결합된 파장 선택적인 광결정 광도파로’에 상세하게 소개되어 있다.
[김정완 기자(boan3@boannews.com)]
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[2024-10-06] 
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