Laser Structured Optical Interposer for Ultra-dense Vertical Coupling of Multi-core Fibers to Silicon Photonic Chip

현대 세계에서 정보는 빛의 속도로 이동하지만, 이를 운반하는 물리적 장치들은 고질적인 병목 현상에 직면해 있습니다. 우리의 디지털 삶을 지탱하는 컴퓨터와 데이터 센터 내부에서는 아주 작은 실리콘 칩들이 놀라운 속도로 데이터를 처리합니다. 이 칩들에 정보를 넣고 빼기 위해 엔지니어들은 빛을 안내하는 가느다란 유리 가닥인 광섬유를 사용합니다. 그러나 여기에는 근본적인 크기의 불일치가 존재합니다. 실리콘 칩 내부의 경로는 미시적인 반면, 이들을 연결하는 광섬유는 상대적으로 굵어서, 마치 정원용 호스를 사람의 머리카락 옆에 둔 것과 같습니다. 이 간극을 메우는 것은 오랫동안 난제였습니다. 수년 동안 엔지니어들은 이 굵은 광섬유들을 칩의 가장자리를 따라 정렬하려고 시도해 왔지만, 이 방식은 좁은 공간에 얼마나 많은 연결을 채워 넣을 수 있는지를 제한합니다. 더 빠른 네트워크에 대한 수요가 증가함에 따라, 신호 강도를 잃지 않으면서 단일 칩에 수백 개의 데이터 스트림을 연결해야 할 필요성이 매우 중요해졌습니다.

이를 해결하기 위해 연구자들은 다른 접근 방식, 즉 광섬유를 칩의 가장자리가 아닌 평평한 표면에 연결하는 방식에 주목했습니다. 이를 위해서는 광섬유로부터 나오는 빛을 굴절시켜 칩 내부로 똑바로 내려가도록 만들어야 합니다. 문제는 수십 개의 광섬섬유를 좁은 공간에서 동시에 수행하면서, 빛이 흩어지거나 사라지지 않게 하는 것입니다. 토론토 대학교의 과학자 팀은 유리 블록과 강력한 레이저를 사용하여 이 두 세계 사이의 다리를 건설하는 새로운 방법을 개발했습니다. 그들은 여러 개의 빛 전달 코어를 포함하는 특수 광섬유 다발을 가져와, 이를 3차원 유리 미로를 통해 경로를 지정하는 장치를 만들었습니다. 이 채널들은 빛을 안내하여 작은 거울로 반사시키고, 이를 통해 칩 위의 센서 그리드로 빛을 연결합니다.

연구진은 먼저 이 유리 다리에 대한 세 가지 서로 다른 레이아웃을 설계했으며, 각 설계는 이전 설계보다 연결을 더 조밀하게 배치하려고 시도했습니다. 그들이 제작한 장치는 약 1밀리미터 두께의 고순도 유리인 용융 석영 블록입니다. 이 유리 내부에서 그들은 펨토초 레이저를 사용하여 보이지 않는 경로를 깎아냈습니다. 이 경로는 빈 관이 아니라, 도로가 자동차를 안내하듯 유리의 구조를 약간 변형하여 빛을 안내하는 영역입니다. 또한 레이저는 유리 내부에 아주 작고 매끄러운 거울을 만들었습니다. 이 거울들은 금속으로 만들어진 것이 아니라, 빛을 날카로운 각도로 튕겨내는 완벽한 반사체 역할을 하는 유리 내부의 매끄러운 표면입니다. 이 거울과 경로를 3차원으로 배치함으로써, 연구진은 측면에서 오는 빛을 받아 수직 방향으로 꺾어 칩 바로 아래로 내려가게 할 수 있었습니다.

연구팀은 어떤 설계가 가장 잘 작동할지 확인하기 위해 세 가지 뚜렷한 설계를 테스트했습니다. 첫 번째 설계는 연결을 더 높은 공간에 펼쳐 놓아 빛을 경로 지정하기는 쉽지만 장치가 더 부피가 커지는 결과를 낳았습니다. 두 번째와 세 번째 설계는 이 배치를 압축하여 경로를 더 얇은 프로필로 접으려고 시도했습니다. 이 중 하나의 압축된 설계는 공간을 절약하기 위해 고가도로처럼 빛의 경로가 가파른 각도로 서로 교차하도록 하는 영리한 기법을 사용했습니다. 연구진은 경로가 서로 교차하더라도 빛이 인접한 채널으로 새어 나가지 않는다는 것을 발견했으며, 가장 조밀한 설계가 크기와 성능 사이에서 최적의 균ล을 제공한다는 것을 찾아냈습니다. 그들은 최종 장치를 구축하기 위해 이 가장 압축된 버전을 선택했으며, 이 장치는 40개의 별도 빛 채널을 동시에 처리할 수 있었습니다.

장치를 외부 세계와 연결하기 위해 연구진은 유리 블록에 자가 정렬 소켓을 추가했습니다. 이 소켓은 광섬유를 고정하는 작고 정밀하게 성형된 구멍입니다. 광섬유가 삽착되면 소켓의 모양이 광섬유 내부의 빛 전달 코어를 유리 경로와 완벽하게 일치하도록 자연스럽게 유도하여, 복잡한 수동 조정의 필요성을 없애줍니다. 그 후 연구팀은 이 유리 블록을 표면에 미세한 격자 결합기(grating coupler) 그리드가 있는 실리콘 칩에 접합했습니다. 이 격자들은 위에서 오는 빛을 잡아내어 칩의 내부 회로로 직접 유도하는 미세한 울타리와 같습니다. 전체 조립품은 투명한 에폭시로 고정되어 하나의 견고한 단위가 되었습니다.

연구진은 완성된 장치를 테스트할 때, 빛이 광섬유에서 유리 다리를 거쳐 실리콘 칩으로 이동하면서 얼마나 손실되는지를 측정했습니다. 그들은 시스템이 매우 잘 작동한다는 것을 발견했습니다. 평균적으로 빛은 아주 적은 부분만을 잃었으며, 가장 좋은 연결의 경우 손실은 훨씬 더 적었습니다. 이 장치는 2차원 배열의 광섬유로부터 40개의 빛 채널을 칩 표면으로 성공적으로 경로 지정했습니다. 이는 칩의 가장자리를 따라 몇 개의 채널만 처리할 수 있었던 기존 방식보다 크게 개선된 것입니다. 새로운 방식은 신호가 사라지지 않으면서 더 많은 데이터 스트림을 더 작은 영역에 밀집시켜 훨씬 더 높은 연결 밀도를 허용합니다.

연구는 또한 장치가 시간과 다양한 조건에 따라 어떻게 작동하는지도 살펴보았습니다. 에폭시가 경화되고 장치가 안정화된 후, 연구진은 2주 후에 연결 상태를 다시 확인했습니다. 그들은 성능이 안정적으로 유지되며 신호 저하가 거의 없음을 발견했습니다. 이는 유리와 실리콘 사이의 결합이 강력하고 신뢰할 수 있으며, 실제 사용 환경의 스트레스를 견딜 수 있음을 시사합니다. 연구팀은 주요 신호 손실의 원인이 유리 다리가 아니라 실리콘 칩 자체, 구체적으로는 칩이 빛을 받는 방식에서 발생한다는 점에 주목했습니다. 이는 칩 설계가 개선된다면 전체적인 성능이 더욱 향가될 수 있음을 나타냅니다.

조밀한 유리 기반의 다리가 광섬의 배열을 실리콘 칩에 성공적으로 연결할 수 있음을 입증함으로써, 이 연구는 더 강력하고 효율적인 광 네트워크의 문을 열었습니다. 3차원 유리 구조를 통해 빛을 수직으로 경로 지정할 수 있다는 능력은, 엔지니어들이 이제 더 작은 공간에 더 많은 연결을 쌓을 수 있음을 의미하며, 이는 데이터 센터와 고속 컴퓨팅의 성장을 늦추었던 물리적 한계 문제를 해결해 줍니다. 이 장치는 정밀한 레이저 공학을 통해 유리 속으로 빛을 엮어내는 것이 전선만큼이나 신뢰성 있게 가능하다는 것을 증명하며, 차세대 광 상호 연결(optical interconnects)의 토대를 마련했습니다.