오늘 소개할 것은 빛과 물질의 만남 지점입니다.
빛은 구부러지고, 가둬지고, 안내되는 것과 같은 방식으로 제어할 수 있다는 글을 읽었을 때 시작되었습니다.
처음에는 믿지 않았습니다.
빛은 항상 너무 자유롭고 너무 빠르게 느껴져서 모양을 만들 수 없었습니다.
하지만 반도체 내부에서는 올바른 디자인으로 빛을 유리 미로에 속삭이듯 가둘 수 있습니다.
그 아이디어가 저를 매료시켰습니다.
엔지니어들은 이를 집적 포토닉스, 즉 칩 위에 광학 회로를 만드는 과학이라고 부릅니다.
이러한 장치는 광자 결정, 도파관, 칩 위 광학 장치를 사용하여 전선이 전자를 움직이는 방식으로 빛을 움직입니다.
이상하고 아름답지만 오늘은 그 작동 원리를 알려드리고자 합니다.
포토닉 크리스탈
광자 결정은 반도체 격자가 전자를 제어하는 것처럼 반복되는 패턴을 통해 빛의 움직임을 제어하는 물질입니다.
이 패턴은 광자에 '밴드갭'을 만들어 특정 파장이 통과할 수 없다는 것을 의미합니다.
현미경으로 처음 봤을 때는 실리콘 슬래브에 있는 구멍 격자처럼 섬세하고 정밀했습니다.
빛이 들어오고 일부 파장은 구멍의 간격에 따라 다시 튀어오르며 일부는 통과합니다.
이를 통해 엔지니어는 빛의 세계에서 오랜 시간 동안 나노초 동안 광자를 저장하는 작은 광학 캐비티를 형성하여 특정 영역에 빛을 가둘 수 있습니다.
광자 결정은 광학 필터, 센서, 심지어 양자 통신에도 사용됩니다.
광자는 빛을 구조화되고 조직화되어 심지어 복종하는 느낌을 줍니다.
저는 이를 광자의 건축물, 즉 밝기 자체를 안내하기 위해 만들어진 보이지 않는 벽이라고 생각합니다.
파도 가이드
도파관은 빛을 위한 길입니다.
구리선이 전자를 안내하는 것처럼 광파도는 광자를 채널로 안내합니다.
굴절률이 높은 코어 물질이 낮은 클래딩으로 둘러싸여 있어 빛이 내부를 반사하고 갇혀 있습니다.
고속도로가 합쳐지듯 구부리거나 분리하거나 결합할 수 있습니다.
실리콘 포토닉스는 이러한 도파관을 사용하여 칩을 통해 광신호를 직접 전송합니다.
빛은 전류처럼 열을 발생시키지 않고 거리를 두고 더 빠르게 이동한다는 점에서 큰 장점이 있습니다.
레이저가 도파관에 결합된 것을 처음 봤을 때 혼돈을 예상했지만 대신 평화로웠습니다.
빛은 단순히 경로를 따라 부드럽고 조용했습니다.
엔지니어들은 센티미터당 손실을 데시벨 단위로 측정하며 항상 그 수를 줄이기 위해 노력합니다.
빛이 처음부터 끝까지 강도를 유지할 수 있도록 한 번에 한 부분씩 손실을 줄이는 일종의 차분한 투쟁입니다.
온칩 광학
온칩 광학은 소스, 검출기, 도파관 등 모든 광학 구성 요소를 반도체 웨이퍼에 직접 통합하는 것을 의미합니다.
이를 통해 데이터가 전자 대신 빛을 사용하여 이동할 수 있습니다.
기존의 전자 상호 연결은 지연과 전력 문제에 직면하지만, 광학 상호 연결은 초당 테라비트를 전달하면서 손실이 적습니다.
이 문제는 이미 나노미터 규모인 트랜지스터 옆에 들어갈 수 있을 만큼 모든 것을 작게 만드는 것입니다.
엔지니어들은 인듐 인화물(InP) 또는 갈륨 비소(GaAs)로 만든 레이저를 사용하여 실리콘 포토닉 회로와 결합합니다.
마치 빛을 위한 세계와 전하를 위한 세계라는 두 가지 다른 세계가 협력하는 것과 같습니다.
칩이 작동하면 광 펄스를 사용하여 통신할 수 있어 더 빠른 네트워크와 에너지 효율적인 데이터 센터를 만들 수 있습니다.
온칩 광학은 더 조용하고 깨끗하며 왠지 더 우아해지는 마이크로일렉트로닉스의 다음 장처럼 느껴집니다.
결론적으로 광자 결정, 도파관, 온칩 광학은 빛을 길들이는 데 있어 우리가 얼마나 멀리 왔는지 보여줍니다.
한때 우주를 자유롭게 여행하던 것이 이제 칩 위에서 나노미터 규모의 채널을 통해 이동할 수 있게 되었습니다.
모든 반사, 모든 간섭 패턴, 모든 유도 빔은 빛의 본질을 잃지 않고 모양을 만들 수 있다는 것을 상기시켜 줍니다.
광자와 반도체의 만남은 단순한 과학이 아니라 한때 분리되어 있던 두 세계 간의 협업입니다.
생각해보면 빛처럼 만질 수 없는 것도 구조를 찾을 수 있고, 가장 작은 회로도 빛을 발할 수 있다는 희망적인 생각이 듭니다.