Lithography-free in situ photonic inverse design
이 논문은 다양한 고성능 광학 기능—모드 치환, 역다중화, 행렬-벡터 곱셈 등—을 수행하도록 인시투(in situ) 학습이 가능한 박막 리튬 니오베이트 자유 형상 프로그래밍 가능 소자를 활용함으로써, 제조 비용을 여러 응용 분야에 걸쳐 분담하고 고정된 기존의 역설계 소자의 한계를 극복하는 리소그래피가 필요 없는 광학 역설계 접근 방식을 입증한다.
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미세 광회로의 세계에서 엔지니어들은 오랫동안 좌절스러운 역설에 직면해 왔습니다. 빛을 이용해 색상을 분류하거나 신호를 라우팅하는 것과 같은 특정 작업을 수행하는 장치를 만들기 위해, 그들은 대개 '역설계(inverse design)'라고 불리는 방법에 의존합니다. 이 방식은 강력한 컴퓨터를 사용하여 칩의 완벽한 형태를 계산하며, 그 결과 인간이 결코 직접 그려낼 수 없을 정도로 복잡하고 직관에 어긋나는 구조를 만들어내곤 합니다. 그러나 이 방법은 실제 제품을 제작하는 단계에서 커다란 벽에 부딪힙니다. 컴퓨터 시뮬레이션은 결코 완벽하게 정확할 수 없으며, 제조 과정에서의 미세한 결함과 물리적 세계의 무질서한 현실은 디지털 설계안과 실제 장치 사이에 간극을 만들어냅니다. 마침내 칩이 만들어졌을 때, 그것은 종종 컴퓨터가 예측했던 것보다 성능이 떨어집니다. 이를 해결하기 위해 엔지니어들은 새로운 칩을 제작하고, 테스트하고, 다시 시도하는 과정을 처음부터 다시 시작해야 합니다. 이 순환 과정은 느리고 비용이 많이 들며, 일단 칩이 만들어지면 그 기능은 영구적으로 고정된다는 것을 의미합니다. 만약 다른 기능이 필요하다면, 완전히 새로운 칩이 필요합니다.
코넬 대학교와 NTT 리서치의 연구진은 이 순환을 끊을 방법을 찾아냈습니다. 그들은 디지털 시뮬레이션을 완벽하게 만드는 데 집중하는 대신, 먼저 하나의 유연한 칩을 만든 다음 실험실에서 직접 다양한 작업을 수행하도록 학습시켰습니다. 연구진은 전기를 가하면 빛을 굴절시키는 방식이 변하는 독특한 능력을 가진 '리튬 니오베이트(lithium niobate)'라는 특수 결정의 얇은 판을 만들었습니다. 이 판을 광민감성 물질로 덮음으로써, 그들은 표면에 빛 패턴을 비추는 것만으로 칩을 통과하는 전기의 흐름을 제어할 수 있었습니다. 이를 통해 연구진은 칩 전체 표면을 약 만 개의 미세 영역으로 구성된 프로그래밍 가능한 지형으로 바꿀 수 있었으며, 각 영역은 통과하는 빛의 경로를 변경할 수 있는 능력을 갖추게 되었습니다.
연구진은 이어서 '인 시투(in situ, 현장)' 역설계라고 불리는 과정을 사용했습니다. 장치를 컴퓨터로 시뮬레이션하고 그것이 작동하기를 기대하는 대신, 그들은 물리적인 칩을 광학 설정 안에 배치하고 스스로 학습하게 했습니다. 그들은 특정 빛 패턴을 칩에 투사하여, 서로 다른 빛 빔을 분류하거나 숫자를 곱하는 것과 같은 기능을 정의했습니다. 시스템은 빛이 실제로 어떻게 나오는지 측정하고, 이를 원하는 결과와 비교한 다음, 목표에 더 가까워지기 위해 투사된 빛 패턴을 어떻게 조정해야 하는지 계산하기 위해 컴퓨터를 사용했습니다. 이러한 측정과 조정의 루프는 실시간으로 발생했으며, 이를 통해 장치는 단 몇 분 만에 특정 작업을 위한 완벽한 구성을 찾아낼 수 있었습니다. 칩은 영구적인 홈을 새기는 방식이 아니라 빛에 의해 재프로그래밍되기 때문에, 연구진은 동일한 물리적 하드웨어 위에 하나의 기능을 지우고 완전히 새로운 기능을 써넣을 수 있었습니다.
연구진은 이 방식을 통해 단 하나의 장치를 다양한 광학 도구로 변모시키며 그 위력을 입증했습니다. 그들은 이 장치를 네 개 또는 여덟 개의 서로 다른 빛 빔을 재배열하여, 입력을 특정 출력으로 정밀하게 이동시키는 스위치로 프로그래밍했습니다. 또한, 전용 맞춤형 칩이 필요한 작업인 헤르미트-가우시안 모드(Hermite–Gaussian modes)라고 알려진 서로 다른 유형의 빛 패턴을 분리하도록 학습시켰습니다. 또 다른 실험에서는, 광학 컴퓨팅에 필수적인 수학적 연산인 행렬-벡터 곱셈을 무작위 행렬을 사용하여 수행하도록 장치를 구성했습니다. 장치는 매우 낮은 오류율로 이러한 작업들을 수행했으며, 4개 빔 재배열 작업에서 크로스토크(crosstalk)라고 불리는 원치 않는 신호 누출을 영하 27데시벨 수준까지 낮게 유지했습니다.
단순히 빛을 재배열하는 것을 넘어, 연구진은 장치가 서로 다른 색상, 즉 파장의 빛에 대해 어떻게 행동하는지를 제어할 수 있음을 보여주었습니다. 그들은 빛이 1500나노미터이든 1600나노미터이든 동일하게 작동하도록 칩을 프로그래밍하여, 색상 변화에 견고한 장치를 만들었습니다. 반대로, 1310나노미터의 빛과 1550나노미터의 빛을 분리하여 각각 다른 출력으로 보내는 분리기로 작동하도록 프로그래밍하기도 했습니다. 이러한 이중 능력은 동일한 물리적 판이 투사되는 빛 패턴에 따라 색상 차이를 무시하거나 혹은 색상 차이를 활용하도록 조형될 수 있음을 증명합니다.
이 연구는 광학 분야의 미래를 향한 새로운 길을 제시하며, 칩을 만드는 데 드는 투자가 단 하나의 기능에 낭비되지 않도록 합니다. 공장이 서로 다른 작업을 수행하기 위해 수천 개의 약간씩 다른 칩을 찍어내는 대신, 단 하나의 장치를 제조하고 특성을 파악한 뒤 요구에 따라 어떤 작업이든 수행할 수 있도록 재구성할 수 있습니다. 현재의 프로토타입은 외부 레이저와 카메라를 필요로 하는 실험실용 장치이지만, 연구진은 이러한 시스템을 더 빠르고 에너지 효율적으로 만들 수 있는 명확한 경로를 제시하고 있습니다. 재료와 빛을 투사하는 방식을 개선함으로써, 그들은 이 프로그래밍 가능한 판이 결국 현재보다 수천 배 더 빠른 속도로 작동하여 데이터 센터나 광 신경망과 같은 실제 응용 분야에서 실행 가능해질 것이라고 믿습니다. 핵심적인 교훈은 전통적인 칩 제조의 경직되고 일회적인 특성이 더 이상 필수 사항이 아니라는 점입니다. 이제 빛은 단일 표면 위에서 모양을 잡고 다시 바꿀 수 있으며, 이를 통해 정적인 하드웨어를 역동적이고 다목적인 도구로 탈바꿈시킬 수 있습니다.
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