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Research

우주에서도 광통신이 가능한 광스위치 개발

  • 조회. 205
  • 등록일. 2021.11.16
  • 작성자. 대외협력팀

DGIST 한상윤 교수 연구팀, 광섬유 없이 자유공간 상으로 광통신을 가능하게 하는 초저전력, 초고속 광스위치 개발 성공

세계 제1 광통신학회 (OFC) Top-Scored Paper (상위 10% 논문) 선정 쾌거

 

[관련사진. DGIST 로봇공학전공 한상윤 교수, 김동욱 박사과정생, 홍명석 기초학부생]

 

 DGIST(총장 국양)는 로봇공학전공 한상윤 교수·KAIST 유경식 교수 공동연구팀이 광 반도체를 미세하게 움직이는 기술을 활용하여 광신호를 공기 중으로 전송할 수 있는 광 스위치를 개발했다고 16일 밝혔다. 이 기술을 이용하면 자율 주행차, 드론 등의 이동체와 초고속 데이터 통신이 가능해 짐은 물론 인공위성과 지상 간의 초고속 광통신이 가능해질 것으로 기대된다.

 광통신 기술은 빛을 이용해 정보를 먼 거리로 전달하는 기술로, 대량의 정보를 원거리에서 송·수신할 수 있도록 다양한 형태로 발전을 거듭해왔다. 현재 광통신을 가능하게 하는 기술 중 가장 널리 쓰이는 것은 광섬유 기술이다. 광섬유는 빛을 전달하기 위해 만든 섬유 모양의 전선으로 매우 빠른 속도와 신호의 왜곡이 적다는 장점이 있는 반면, 보수가 힘들고 구부림에 약하다는 단점 또한 가지고 있다.

 이에 한상윤 교수 연구팀은 광섬유 없이도 초고속 광통신이 가능한 광스위치를 개발했다. 이번 연구에서 개발한 광스위치는 원하는 파동 신호를 출력할 수 있는 소재인 푸리에 렌즈에 기반해 기존의 시스템보다 더 간단하고 직관적으로 조정할 수 있다. 또한, 근적외선 신호를 다양한 각도로 동시다발적으로 송출 가능하게 해 자유공간상 통신에서 용이하게 사용할 수 있어, LiDAR, 광통신, 우주 광통신 등 다양한 분야에서의 활용이 기대된다.

 연구의 핵심이 되는 광학 스위치는 DGIST 한상윤 교수 연구팀이 이전에 개발한 silicon photonic MEMS 기반의 기술로 만들어졌다. 이 방식을 사용하면 광 반도체의 전력 소모를 기존 방식인 열 광학 방식에 비해 1,000배 이상 낮출 수 있다.

 특히 이번 연구는 DGIST의 학생들을 중심으로 DGIST-KAIST간의 협업을 통해 이루어낸 성과이다. 한상윤 교수 연구실의 김동욱(박사과정), 홍명석(기초학부)학생이 주도적으로 연구하였고, DGIST의 한상윤 교수와 KAIST의 유경식 교수가 공동교신저자로 참여했다.

 이번 연구에 주도적 역할을 한 김동욱, 홍명석 학생은 “보다 간단하고 효율적으로 사용할 수 있는 스위치의 개발을 통해 국민들이 실생활에서 해당 기술의 발전을 통한 편의를 누릴 수 있게 하는 것이 최종적인 목표다”는 포부를 밝혔다.

 한편 이번 연구는 세계최고광학회 중 하나인 OFC (Optical Fiber Communications Conference and Exhibition)에서 상위 10% 논문에 수여하는 Top-scored paper에 선정됐다. 또한, IEEE Journal of Lightwave technology (IF=4.288) 의 special issue에 초청을 받기도 했다.

 

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연구결과개요

8×8 Programmable Multi-Beam Pattern Projection

Based on Multicast Silicon Photonic MEMS Switches

Dong U. Kim, Myung S. Hong, Do Y. Kim, Young J. Park, Alain Y. Takabayashi, Youngjae Jeong, Jongwoo Park, Seungjun Han, Niels Quack, Kyoungsik Yu, and Sangyoon Han

 

이 연구에서 개발한 푸리에 렌즈 기반의 다중 빔 패턴 방사 시스템을 이용하면 초저전력, 초고속으로 대용량 신호 전송을 이용해 자유공간상 광통신이 가능하다. 프로그래머블한 수 있는 2차원 격자 결합기 집합체들과 푸리에 렌즈의 조합에 기반한 근적외선 다중 빔 패턴 방사 시스템을 개발하여, 기존의 시스템보다 더 간단하고 직관적으로 조정할 수 있다. 64개의 독립적으로 작동하는 격자 결합기가 있기 때문에, 264개의 여러 가지 빔 패턴의 조합을 만들 수 있다. 또한 에너지 소비가 높아 집적도가 떨어지는 열 조절 방식의 광학스위치인 선행 연구의 문제점을 극복하였다. 확장성 있는 MEMS 기반의 프로그래머블한 광신호 분배 네트워크를 이용해 집적도를 매우 크게 늘릴 수 있다. 이에 성능의 저하 없이 시스템의 규모를 키울 수 있다.

해당 연구로 뛰어난 학문적 성취를 인정받아, 세계최고광학회 중 하나인 2021 OFC (Optical Fiber Communications Conference and Exhibition)에서 상위 10% 논문에 수여하는 Top-scored paper에 선정되었다. 이에 더불어 IEEE Journal of Lightwave technology (IF=4.288) 의 special issue에 초청을 받았다.

 

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연구결과문답

Q. 이번 성과 무엇이 다른가?

single-beam steering방식을 이용했던 기존 방식과 달리 multi-beam steering방식으로 다뱡항 통신이 가능하다. MEMS 기반의 광학스위치와 푸리에 렌즈를 이용헤 초저전력 초고속 beam-steering system을 개발하였다. 이에 이어 세계 최고 광학회 중 하나인 OFC에서 상위 10%의 논문만 받을 수 있는 Top Scored Paper를 받을 정도로 뛰어난 성과이다.

Q. 어디에 쓸 수 있나?

광신호를 보내기 위한 시스템에서 사용할 수 있다. 해당 소자는 특히 자유공간상 통신에서 용이하게 사용할 수 있어서, LiDAR, 광통신, 우주 광통신에 이어서, 광센서 분야에도 활용할 수 있다.

Q. 실용화까지 필요한 시간과 과제는?

현재 파운드리 기술로도 충분히 생산은 가능하다. 다만 상용화, 제품화를 위해서 소자와 푸리에 렌즈를 결합한 제품을 어떤 식으로 만들 수 있을지와 같은 추가적인 연구가 필요하다.

Q. 어떤 의미가 있는가?

해당 소자에 사용된 기술이 세계적인 학회에서 연구를 인정받았고, 해당 소자는 현재 파운드리 기술로 충분히 생산 가능하여, 제품화 연구만 하면 원하는 분야와 시스템으로 사용할 수 있다.

Q. 꼭 이루고 싶은 목표는?

기존의 복잡한 Beam steering 소자를 넘어서 간단하게 보다 효율적이고 보다 진보한 스위치를 통해 자유공간 광통신이 무리 없이 가능한 소자 개발을 통해, 국민들이 실생활에서 기술 발전의 편의를 느끼게 되는 것

 

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그림설명

[그림 1] 시스템 디자인

(a) multi-beam 시스템의 요약도
(b) 8×8 grating coupler array device을 광학현미경으로 찍은 사진


[그림 2] 시스템에 있는 단일 스위치의 개략도


(a) 단위 광스위치를 광학현미경으로 관찰한 이미지
(b) 광스위치의 SEM 사진. 한 쪽의 광도파로(waveguide)에서 다른 쪽의 광도파로로 신호를 보내는 스위치의 역할을 하기 위해 결합기(Coupler)를 움직임 
(c) 광스위치에 대해 시뮬레이션을 해서 얻은 결과


[그림 3] 광스위치와 격자 결합기를 이용한 다중 빔 패턴

(a) 광스위치의 전압 반응. 약 8V를 걸어주었을 때 Switch가 완전히 켜진다.
(b) 광스위치의 동작 속도. 
(c) 단위 격자 결합기의 빔 집중도 
(d) 모든 격자 결합기가 켜진 패턴
(e) 삼각형, 원, 사각형 모양의 빛이 켜져 있는 패턴
(f) 절반 체크보드 패턴

 

 

 

 

콘텐츠 담당 담당부서  :   대외협력팀 ㅣ 053-785-1135