광자 칩 설계를 다시 생각하면 데이터 센터 에너지 사용을 줄일 수 있습니다

Oct 01, 2023

광자 집적 회로(PIC)는 전자가 아닌 가벼운 입자를 사용하여 데이터를 생성, 전송 및 처리할 수 있는 장치입니다. PIC는 대체 컴퓨팅에 사용하기 위해 아직 실험적이지만 오랫동안 통신의 중추 역할을 하여 오늘날의 고속 광섬유 회선의 기능을 가능하게 했습니다.

전통적인 반도체 제조 방법 덕분에 실리콘은 이러한 유형의 칩 개발의 기본 플랫폼이 되었으며 엔지니어는 기존 전자 제조 시설을 사용하여 칩을 설계하고 대량 생산할 수 있습니다.

PIC는 전자 통신 방법에 비해 훨씬 더 효율적이고 훨씬 더 높은 대역폭을 제공하지만 실리콘 포토닉 칩은 데이터 전송 성능을 높게 유지하기 위해 온도 조절에 많은 에너지가 필요하므로 여전히 개선의 여지가 있습니다.

이 기사에서는 데이터 센터의 전기 에너지 소비를 줄이려는 오레곤 주립 대학과 베일러 대학의 엔지니어와 과학자들의 공동 연구 노력을 통해 얻은 광자 집적 회로의 효율성에 대한 혁신에 대해 논의할 것입니다.

동일한 광 매체를 통해 여러 광 주파수를 전달하고 단일 광섬유를 사용하여 서로 다른 신호를 동시에 전송할 수 있도록 엔지니어는 기술의 데이터 채널 용량을 늘릴 수 있는 WDM(파장 분할 다중화)이라는 방법을 고안했습니다. 극도로 빠른 전송 속도를 방해하지 않으면서도 말이죠.

광자 집적 회로에서 WDM을 수행하는 데 사용되는 구조는 실리콘 마이크로링 공진기(Si-MRR)라고 하며, 단일 공진기의 광 경로 길이마다 공진이 발생하는 방식으로 스스로 루프백하여 광 도파관 역할을 합니다. 파장의 정수를 정확하게 측정합니다.

실리콘을 사용하여 이러한 유형의 링 공진기를 제작함으로써 WDM은 매우 작은 규모로 초저에너지 소비 시스템의 일부로 수행될 수 있습니다. 그러나 Si-MRR 기술의 주요 과제 중 하나는 온도 변동 및 제조 공정 변화로 인한 공진 파장 감도입니다.

지금까지 이러한 장치는 상당한 양의 전기 에너지가 필요한 PIN 다이오드 및 열 히터를 사용하여 자유 캐리어 주입을 통해 정밀한 파장 제어를 처리했습니다.

이제 Oregon State와 Baylor의 연구원들은 이 온도 제어 에너지 요구 사항을 100만 개 이상의 놀라운 요소로 줄이는 새로운 방법을 제시했습니다.

지난 3월, 베일러 대학의 Alan Wang 교수가 이끄는 팀은 고효율 광자 집적 회로 개발을 위해 게이트 구동 Si-MRR을 실험한 결과를 발표했습니다.

기술의 온도 문제를 해결하기 위해 Wang 교수 팀은 인듐 주석 산화물(ITiO), 하프늄(IV) 산화물(HfO2) 및 실리콘과 함께 4개의 Si-MMR 어레이를 사용하는 독립적으로 조정 가능한 온칩 WDM 필터의 특수한 유형을 개발했습니다. MOS(금속 산화물 반도체) 커패시터를 제작했습니다.

이 연구에 사용된 MOS 화합물은 PN 접합과 달리 훨씬 더 큰 전기 광학 효율을 나타내는 높은 이동도 투명 전도성 산화물(TCO)로 알려져 있습니다. 이는 TCO 소재를 사용하여 낮은 게이트 전압과 무시할 수 있는 전력 소비를 통해 넓은 파장 튜닝 범위를 달성할 수 있으므로 이 획기적인 에너지 절약 특성을 효과적으로 생성하는 것입니다.

오레곤 주립 공과대학의 John Conley 교수에 따르면, 원자층 증착 및 전자 장치에 대한 지식과 Wang 교수의 포토닉스에 대한 전문 지식 덕분에 그들의 팀은 게이트 전압을 통해 온도가 제어되는 작동하는 프로토타입 PIC를 생산할 수 있었습니다. 전류를 거의 사용하지 않습니다.