우리 학부 손영익 교수 연구팀이 기존보다 최대 천 배이상 빠른 속도로 광집적회로(Photonic Integrated Circuit, PIC)를 설계할 수 있는 ‘데이터셋 기반 광시뮬레이션 프레임워크’를 개발했다.
이번 연구는 복잡한 다중모드 광도파로의 설계를 초단시간 내에 고정밀로 수행할 수 있어, 향후 양자정보처리, 광컴퓨팅, 고속 통신 등 첨단 광소자 연구개발의 생산성과 효율성을 크게 향상시킬 것으로 기대된다.
광집적회로(PIC)는 데이터센터, 양자컴퓨팅, LiDAR 센서 등 다양한 분야에서 핵심 플랫폼으로 활용되고 있다. 그러나 다중모드 구조를 정밀하게 설계하기 위해서는 수천 회의 시뮬레이션이 필요하며, 이로 인한 막대한 계산 자원과 시간 소모가 연구개발의 주요 제약으로 작용해왔다.연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 사전에 계산된 전자기 모드 정보(고유모드 및 모드 간 중첩 행렬)를 데이터셋 형태로 저장하고, 이를 기반으로 새로운 구조를 빠르게 분석할 수 있는 시뮬레이션 엔진을 구현했다.
이 방법은 기존의 유한차분시간영역법(FDTD)이나 고유모드전개법(EME) 대비 유사한 수준의 정확도를 유지하면서도 계산 속도를 천배 이상 향상시켰다.실리콘 기반 다중모드 도파로 굴절부(곡률 반경 30 µm)의 시뮬레이션을 기존에는 약 10시간 이상이 걸렸던 것을 단 1초 이내에 수행했으며, 수천 번의 최적화 반복 연산도 일반 데스크톱 CPU로 단 68 분 만에 완료할 수 있음을 검증했다. 또한, 이러한 속도 향상을 바탕으로 복잡한 광회로의 설계 자동화와 대규모 최적화 연구를 일반적인 컴퓨팅 환경에서도 가능하게 만드는 기술적 기반을 마련했다.
연구팀은 “이번 연구는 기존의 느리고 비효율적인 광소자 설계 방식을 근본적으로 개선해, 누구나 손쉽게 대규모 광회로를 설계·최적화할 수 있는 환경을 제시한 것에 의의가 있다”며, “향후 양자광소자, 다중모드 신호처리 회로, 집적형 광컴퓨팅 등 다양한 분야로 응용이 가능할 것”이라고 말했다.
연구팀은 본 기술을 오픈소스 코드 형태로 공개(https://github.com/thdwotjd/dataset-based-eme)해 광집적회로 설계 분야 연구자들이 활용할 수 있도록 했다. 이번 연구 결과는 전기및전자공학부 송재성 박사과정이 제1저자로 참여하였고, 국제광학학회(Optica Publishing Group)에서 발간하는 국제 광학 분야 대표 학술지 《옵틱스 익스프레스 (Optics Express)》에 게재되었다. (논문제목: Ultra-fast and accurate multimode waveguide design based on a dataset-based eigenmode expansion method, https://doi.org/10.1364/OE.567425)
이번 연구는 한국연구재단(NRF), 과학기술정보통신부 정보통신기획평가원(IITP), 그리고 삼성전자 삼성종합기술원(SAIT)의 지원을 받아 수행되었다.
