칩 기반 전시간 아날로그 광컴퓨팅을 위한 완전 재구성 가능한 포톤 신호 처리기

본 논문은 온칩 전시간 아날로그 광컴퓨팅을 구현하기 위한 새로운 구조를 제안하고, 그 이론적 배경과 설계, 시뮬레이션 결과를 상세히 제시한다. 서론에서는 기존 광신호 처리기들이 부피가 크거나 재구성 가능성이 제한적이라는 문제점을 지적하고, 전자‑광 변환 없이 순수 광학 영역에서 연산을 수행하는 필요성을 강조한다. 특히 미분·적분·컨볼루션 등 기본적인 신호 처리 연산을 하나의 플랫폼에서 구현하려는 목표가 제시된다. 2장에서는 디스퍼시브 푸리에 변환(DFT)과 시간 렌즈의 원리를 정리한다. 광 펄스가 2차 분산 매체를 통과하면 시간‑주파수 매핑이 이루어지며, 이때 발생하는 위상 왜곡을 보정하기 위해 이차 위상(챠프) 변조가 필요하다. 전통적인 전기광 위상 변조기의 위상 한계를 극복하기 위해 4파 혼합 기반의 비선형 파라메트릭 프로세스가 도입된다. 펌프 펄스를 강하게 챠핑시켜 생성된 광 아이들러가 시간 렌즈 역할을 수행한다. 3장에서는 제안된 전체 구조를 상세히 설명한다. 구조는 크게 세 부분으로 나뉜다. 첫 번째는 DFT 블록으로, 고GVD 포톤 결정파 웨이브가이드를 이용해 입력 신호를 푸리에 도메인으로 변환한다. 두 번째는 광 변조 블록으로, MZI와 위상 변조기를 직렬 연결해 원하는 전송 함수(그린 함수)를 푸리에 스펙트럼에 곱한다. 세 번째는 역DFT(IFT) 블록으로, 부정적인 GVD를 갖는 또 다른 웨이브가이드를 사용해 변조된 스펙트럼을 다시 시간 영역으로 복원한다. 각 블록은 설계 파라미터(길이, 단면, GVD, 챠프 인자 등)를 조절함으로써 재구성이 가능하도록 설계되었다. 3.1절에서는 GVD 엔지니어링 방법을 논의한다. 웨이브가이드의 물질 분산과 구조적 분산을 합산해 전체 GVD를 맞춤 설계한다. 포톤 결정파 웨이브가이드는 높은 비정상 분산을 제공해 짧은 길이(수 백 마이크로미터)에서도 2.81 × 10⁶ ps²/km의 초고 GVD를 구현한다. 이를 통해 200 ps 이내에 300 fs 해상도의 시간 스케일링이 가능해진다. 3.2절에서는 시간 렌즈 구현을 위한 4파 혼합 회로를 제시한다. 펌프 파장은 고출력 펄스로 준비되며, 비선형 매체(실리콘·플라스틱 등)에서 FWM을 통해 이차 위상 변조가 적용된 아이들러가 생성된다. 이 과정은 광학적으로 수행되므로 전기적 지연이 없으며, 위상 변조 깊이가 전통적인 EOM을 크게 초과한다. 3.3절에서는 MZI 기반 변조기의 설계와 전송 함수 구현 방법을 설명한다. 전압 제어를 통해 MZI의 임피던스와 위상 차이를 조절함으로써 복소수 전송 함수를 실시간으로 프로그래밍한다. 예를 들어, 미분 연산을 위해 jω 형태의 전송 함수를, 적분 연산을 위해 1/(jω) 형태를 구현한다. 4장에서는 전체 시스템에 대한 수치 시뮬레이션 결과를 제시한다. 400 GHz 대역폭을 갖는 광 신호를 입력했을 때, DFT 블록에서 시간‑주파수 매핑 정확도가 0.01 ps 이하이며, 변조 블록에서 전송 함수 적용 오차가 0.02 rad 이하임을 확인했다. 미분 연산 테스트에서는 입력 가우시안 펄스의 파형이 이론적인 1차 미분 결과와 99.8% 일치했으며, 적분 연산에서는 신호 에너지 보존이 0.5 dB 이하의 손실로 유지되었다. 컨볼루션 테스트에서는 두 개의 서로 다른 펄스(가우시안·사인)를 곱한 결과가 이론값과 0.02 rad 이하의 위상 차이와 0.1 dB 이하의 진폭 차이로 일치하였다. 5장에서는 논문의 의의와 향후 과제를 논의한다. 제안된 구조는 기존의 대용량 광섬유 기반 DFT 시스템에 비해 부피·무게·전력 소모가 크게 감소하며, CMOS 공정과의 호환성을 통해 대량 생산이 가능할 것으로 기대된다. 그러나 포톤 결정파 웨이브가이드의 제조 공정이 아직 미세 조정 단계에 있으며, 고정밀 GVD 제어와 저손실 커플링 기술이 상용화에 필요한 과제로 남는다. 또한, 온칩 광소자 간의 온도·전력 변동에 따른 위상 안정성 확보와, 다중 채널 동시 처리 능력 확대가 향후 연구 방향으로 제시된다. 결론적으로, 이 논문은 디스퍼시브 푸리에 변환, 4파 혼합 기반 시간 렌즈, 그리고 MZI·위상 변조기의 결합을 통해 200 ps 이내에 300 fs 해상도로 다양한 시간 영역 연산을 수행할 수 있는 완전 재구성 가능한 온칩 광신호 처리기를 최초로 제시함으로써, 차세대 고속 광컴퓨팅 및 실시간 광신호 처리에 중요한 기반 기술을 제공한다.