정보기술에 혁명을 일으킬 수 있는 광통신에서의 새로운 돌파구가 마련됐다.
미국 워싱턴대(UW)와 쮜리히 연방공대(ETH-Zurich), 퍼듀대 및 버지니아 커먼웰스대 연구팀은 전기 비트(디지털 언어의 0과 1)를 현재 기술보다 10배 빠른 속도로 빛 또는 광자 비트로 변환하는, 머리카락보다 작은 장치를 만들어내는데 성공했다.
워싱턴대 화학과 명예교수이자 광자학(photonics) 분야의 리더인 래리 달튼(Larry Dalton) 박사는 “이는 정보기술에서의 초기 발전과 마찬가지로 우리 삶의 방식에 극적인 영향을 미칠 수 있다”고 말했다.
현재의 전자회로 부품 크기에 가까운 새 전기-광학 소자들은 하나의 칩에 광자장치와 전자장치를 통합하는 중요한 역할을 한다. 새 기술은 전자와 광자 사이의 중간 속성을 가진 입자인 플라즈몬 폴라리톤을 이용하며, 이 하이브리드 입자 기술은 플라즈모닉스(plasmonins)로 일컬어진다. 플라즈몬은 금속 내의 자유전자가 집단적으로 진동하는 유사 입자, 폴라리톤은 빛과 전자의 두 가지 성질을 가진 준입자를 말한다.
이번 발견은 과학저널 ‘네이처’(Nature) 25일자에 발표됐다.

손실률 크게 줄인 플라즈모닉스 활용 방법 개발

논문 제1저자인 크리스티안 하프너(Christian Haffner) 쮜리히 연방공대 대학원생은 “이 장치는 플라즈몬 변조기”라며, “전통적인 변조 구현은 플라즈모닉스보다 포토닉스에 의존하기 때문에 이는 드문 경우”라고 소개했다. 플라즈모닉스는 모든 산업계에서 광학 손실률이 가장 높기 때문에 연구자들은 사실상 플라즈모닉스를 회피해 왔다는 것. 하프너 연구원은 “그럼에도 불구하고 이는 가장 경이적인 발견으로서 이번에 트릭을 써서 플라즈모닉스를 높은 손실률 없이 활용하는 방법을 발견했다”고 밝혔다.
컴퓨팅과 통신, 감지 및 제어기술의 정보처리 용량을 높이려면 신호(정보)가 저하되거나 너무 많은 에너지를 사용하거나 많은 열을 발생시키지 않고 데이터를 광대역으로 멀리 보낼 수 있어야 한다. 이번에 ‘네이처’ 지에 설명된 기술이 바로 이와 관련된 내용이다. 전기-광학 변조기로 불리는 이 장치는 전기 신호를 광섬유 케이블이나 통신위성 및 무선전화 중계기로 전달할 수 있는 광학 신호로 변환한다. 이 장치는 아주 작은 크기임에도 방대한 양의 데이터를 처리할 수 있기 때문에 에너지 효율성이 매우 뛰어나다.
논문 공저자인 달튼 교수는 “장치는 아주 작은 전기장에도 반응할 수 있도록 매우 민감해야 한다”며, “장치를 제어하는데 필요한 전기장이 작으면 전력 소비도 그만큼 낮아지는데, 이는 모든 애플리케이션에서 에너지 효율이 결정적이기 때문에 중요하다”고 말했다. 그는 누구나 컴퓨팅이나 통신 애플리케이션에서 열이 나고 정보가 저하되는 것을 피하고 싶어한다고 덧붙였다.

2000년에 첫 전기-광학 소자 개발

이 최신의 진보는 워싱턴대 달튼 교수팀과 남캘포니아대 연구진이 2000년에 새로 설계해 처음 발표한 획기적인 전기-광학 고분자 혹은 플라스틱의 뒤를 잇는 성과다. 당시에 소개된 장치는 1㎝ 길이에 1볼트 미만의 전력으로 100기가헤르쯔가 넘는 대역폭을 운용할 수 있었다. 그러나 불행히도 이 장치들은 전자 데이터-생성 소자보다 훨씬 커서 전자와 광자 소자를 단일 칩에 통합하기가 어려웠다.
한데 플라즈모닉스로 전환하면서 이 문제가 해결됐다. 이후 과학자와 공학자로 구성된 국제연구팀이 더 나은 유기 전기-광학 재료들을 플라즈모닉스로 통합해 장치를 개선하기 위해 연구에 뛰어들었다. 플라즈몬은 빛이 금과 같은 금속 표면에 부딪힐 때 만들어진다. 이때 광자들이 에너지의 일부를 금속 표면에 있는 전자들에 전달해 이 전자들이 진동하게 된다. 이 새로운 광자-전자 진동을 플라즈몬 폴라리톤 진동이라고 부른다. 플라즈몬 폴라리톤을 사용하면 광 회로의 크기를 극적으로 줄이고 대역폭 작동을 광자 회로보다 몇 배나 높일 수 있다.

전자와 광자, 플라즈모닉스의 우아한 통합

2000년의 연구 성과와 비교해 장치의 대역폭은 거의 10배나 증가했고, 에너지 요구량은 거의 1000배나 감소해 발열도 그만큼 줄어들게 되었다. 그럼에도 불구하고 플라즈모닉스는 광학적 손실에 취약했다. 원거리 전송에서의 플라즈모닉스 신호 저하는 전자 통신 만큼 나쁘지는 않았으나 광자 통신보다는 훨씬 나빴다.
달튼 교수는 “쮜리히 연방공대와 퍼듀대 연구진이 장치의 멋진 아키텍처를 고안해 플라즈모닉스와 포토닉스 조합으로 플라즈모닉 손실 문제를 해결하고 모든 광자 변조기에 필적하는 손실률을 달성했다”고 말했다. 그는 이 장치를, 모든 신호처리 옵션을 통합할 수 있는 유기 전기-광학 소재를 사용해 이룩한 전자와 광자, 플라즈모닉스의 우아한 통합이라고 불렀다.
이번 연구를 지원한 미국 국립과학재단의 재료연구 부문 책임자인 린다 사포책( Linda S. Sapochak) 박사는 “이번 연구는 재료 예측과 설계, 합성 및 속성 최적화 사이의 창조적인 반복 작업을 통해 가능하게 된, 플라즈모닉스와 유기 전자활성 재료에서의 배가된 진전”이라고 평가했다.
칩에 전자와 광자를 통합하는 것은 정보기술 진화의 중요한 다음 단계로서 10년 이상이 걸릴 것으로 인식돼 왔다.

광 통신과 무선통신 포함해 광범위한 분야에 응용 가능

정보기술은 우리가 세상을 어떻게 느끼고 그 감지한 정보를 어떻게 처리하고 소통하는가를 연구하는 과학이다.
새로운 장치의 응용분야는 사용되는 빛의 파장에 따라 두 가지 범주로 나눌 수 있다. 즉, 광섬유를 이용한 광 통신과 컴퓨팅에서의 광학적 상호 연결은 광 주파수(적외선)에서 빛(광자)를 사용하고, 레이다와 무선통신 같은 애플리케이션에서는 무선주파수 및 마이크로파(장파장 빛) 영역에 있는 전자기 복사를 사용한다.
통신과 컴퓨팅 공간에서 전기-광학은 전자장치(예를 들면 컴퓨터 프로세서)에서 생성된 정보를 빛 신호로 변환해 광섬유 케이블이나 무선 전송장치를 통해 다른 전자 기기로 보낸다. 달튼 교수는 “그런 의미에서 전기-광학을 ‘정보 고속도로의 진입로’로 생각할 수 있다”고 말했다.
전기-광학은 또한 레이다와 GPS 같은 많은 애플리케이션에서 중요한 역할을 한다. 내장 네트워크 감지와 같은 응용분야를 포함해 중요한 센서 기술에도 사용된다. 예를 들면 자율주행 차량의 여러 구성요소와 빌딩 및 교량 같은 사회기반시설의 구성요소를 모니터링하는데도 핵심적인 기능을 담당한다. 이 장치는 디지털뿐 아니라 아날로그 정보처리에도 활용할 수 있다.