인공지능(AI) 서비스 확산으로 데이터센터의 전력 소비와 데이터 전송 병목이 주요 과제로 떠오른 가운데, KAIST 연구진이 이를 해결할 수 있는 차세대 광통신 핵심 부품을 개발했다.

KAIST 전기및전자공학부 김상현 교수 연구팀은 한국과학기술연구원(KIST), 한국나노기술원(KANC), 삼성전자와 공동으로 기존 실리콘 광소자의 한계를 극복한 차세대 광변조기를 개발했다고 27일 밝혔다. 광변조기는 전기 신호를 빛 신호로 변환해 데이터를 전송하는 광통신의 핵심 소자다.

인공지능 데이터센터에서는 수많은 서버와 반도체 칩이 대용량 데이터를 실시간으로 주고받는다. 이 과정에서 광변조기의 성능은 데이터 전송 속도와 전력 효율을 좌우한다. 그러나 기존 실리콘 기반 광변조기는 효율을 높이면 속도가 떨어지고, 속도를 높이면 전력 효율이 낮아지는 한계가 있었다.

연구팀은 실리콘 도파로 위에 전기·광학 특성이 우수한 인화물계 반도체(InGaAsP) 박막을 결합한 새로운 구조를 적용하고, 공핍 모드 구동 방식과 프란츠-켈디시 효과를 결합해 광변조기의 효율과 속도를 동시에 높였다.

그 결과 길이 500마이크로미터(㎛)의 초소형 광변조기에서 세계 최고 수준의 변조 효율(0.146V·㎝)과 고속 구동 대역폭(26.3GHz)을 동시에 구현하는 데 성공했다. 적은 전력으로 더 많은 데이터를 빠르게 전송할 수 있어 인공지능 데이터센터의 에너지 효율과 데이터 처리 성능을 함께 높일 수 있는 기술로 평가된다.

연구팀은 이번 기술이 차세대 데이터센터용 광통신 칩과 공동 패키지 광학(CPO)의 핵심 부품으로 활용될 것으로 기대하고 있다. 인공지능 데이터센터는 물론 초고속 광통신 시스템에도 적용돼 전력 소비를 줄이고 데이터 처리 성능을 높이는 데 기여할 것으로 전망했다.

김상현 교수는 “이번 연구는 광변조기의 효율과 속도 사이의 한계를 극복한 성과”라며 “차세대 인공지능 데이터센터와 초고속 광통신 시스템 구현을 앞당기는 핵심 기술이 될 것으로 기대한다”고 말했다.

이번 연구는 강동길 KAIST 박사과정생이 제1저자로 참여했다. 연구 결과는 반도체 소자 분야 세계적 권위의 국제학술회의인 ‘VLSI 심포지엄 2026’에서 발표됐다.