[쿠키과학] AI·양자통신 성능 끌어올린 '빛 설계'… KAIST 학부생, 광신호 자유 제어 구현

학부생 주도 연구로 국제학술지 성과 도출
이중 도파로 공진기로 스펙트럼·위상 동시 제어
비선형 주파수 변환 효율 높일 물리 조건 제시
광컴퓨팅·데이터센터 전력 절감, 처리량 향상 기대

승인 2026-04-15 11:28:22

KAIST가 빛의 간섭을 정밀하게 제어해 데이터 처리 속도와 효율을 끌어올릴 수 있는 핵심 소자를 구현했다.

이 기술은 광 기반 칩의 병목인 신호제어 한계를 구조적으로 풀어내 인공지능(AI) 가속기와 데이터센터, 양자통신까지 확장 가능한 원천 기술로 기대된다.

KAIST 전기및전자공학부 김상식 교수팀은 한양대 윤재웅 교수팀과 공동으로 빛 간섭 현상을 활용해 광신호를 자유롭게 설계할 수 있는 ‘이중 도파로 공진기(dual-bus resonator)’를 개발했다.

광집적회로(PIC)는 빛으로 데이터를 처리해 전력 소모를 줄이면서도 속도를 크게 높일 수 있어 AI·데이터센터·양자정보 분야 핵심 플랫폼으로 꼽힌다.

그러나 기존 단일 도파로 기반 공진기는 빛의 스펙트럼과 위상을 동시에 독립적으로 제어하기 어려워 성능 최적화에 제약이 있었다.

이에 연구팀은 공진기에 두 개의 도파로를 연결해,공진기를 지난 빛과 바로 통과한 빛이 다시 만나 간섭하도록 설계했다.

이 구조는 빛의 위상과 세기를 정밀하게 재조합할 수 있어 기존에 구현이 어려웠던 다양한 스펙트럼 형태를 만들어낼 수 있다.

실제 이를 통해 연구팀은 공진기의 위상 응답과 스펙트럼 형태를 유연하게 조절할 수 있는 설계 자유도를 확보했다.

아울러 기존 이론에서 기준으로 삼던 임계결합 조건과 다른 새로운 신호 전달 특성을 규명, 비선형 주파수 변환 효율을 높일 수 있는 물리적 조건을 제시했다.

이는 빛의 색을 바꾸거나 새로운 신호를 생성하는 고급 광처리 기술의 효율을 끌어올리는 기반이 될 전망이다.

이 기술을 적용하면 전자 대신 빛으로 연산을 수행하는 광컴퓨팅 환경에서 더 많은 데이터를 빠르게 병렬 처리할 수 있다.

특히 AI 가속기의 학습·추론 속도를 높이고, 데이터센터는 전력 소모를 줄이면서 처리량을 높일 수 있다.

또 양자통신 분야에서도 신호 제어 정밀도가 향상돼 보안성과 전송 효율을 동시에 끌어올릴 것으로 기대받고 있다.

이번 연구는 KAIST 학부 연구프로그램(URP)에 참여한 김태원 학사과정이 제1저자로 참여, 강의에서 배운 공진기 원리를 실제 소자 설계와 실험으로 확장해 논문으로 도출한 성과다.

김 교수는 “새로운 구조 제안에 그치지 않고 그동안 간과되던 광학적 특성을 정밀 분석해 물리적 한계를 넘어섰다”며 “광 기반 AI 연산과 차세대 통신 기술 전반에 파급 효과가 클 것”이라고 설명했다.

한편, 이번 연구는 KAIST URP 프로그램과 정보통신기획평가원(IITP), 미국 공군연구소 산하 Asian Office of Aerospace Research and Development, 한국연구재단의 지원을 받아 수행했고, 연구결과는 지난달 6일 국제학술지 ‘Laser & Photonics Reviews’에 게재됐다.