ETRI, 차세대 반도체 소자 원천기술 세계 최초 개발

- 반도체의 집적도 한계를 넘을 수 있는 차세대 기술로서 뛰어난 성능과 경제성 지닌 세계 최초의 상용화 단계 기술 -

각종 광통신 시스템의 필수 부품인 고감도 광수신 소자의 처리능력을 40 Gbps(신문 8년분을 1초에 전송) 이상으로 높이고 수신감도를 개선시켜 전송거리를 크게 늘릴 수 있게 하는 고감도 광수신 소자 기술이 국내 연구진에 의해 세계 최초로 개발되었다.
감도와 처리속도를 한꺼번에 해결한 이 기술은 고감도·고정밀 수신 기능을 가져, 광통신, 위성통신･방송, 자유공간 통신 그리고 최근 크게 부각되고 있는 양자통신 등에 활용될 것으로 보인다.

한국전자통신연구원 (ETRI, http://www.etri.re.kr) 반도체·원천기술연구소는 정보통신부 “40Gbps 급 집적형 광수신 모듈” 사업(사업책임자 김경옥 박사)의 일환으로 40Gbps급 동작이 가능한 고감도 광수신 소자(아발란치(avalanche) 광수신소자)를 세계 최초로 개발하였다.
ETRI의 고감도 광수신소자는 지금까지 보고된 다른 고감도 광수신소자에서 극복하지 못한 처리속도 한계를 무너뜨림으로써 국제 권위학술지인 Applied Physics Letter 8월호에 게재되었으며 세계적 광기술분야 전문잡지인 Laser Focus World의 10 월호에 world news 기사로서도 심도 있게 소개되었다.

● 처리속도가 낮은 기존의 아발란치 광수신소자

고감도 광수신소자는 빛신호를 전류신호로 바꾸는 수신 과정에서 일종의 증폭 현상인 전자나 홀의 눈사태(아발란치, avalanche)를 발생시켜 미세한 광신호까지 놓치지 않고 수신하는 장점을 가지고 있어 천만원 대의 고가로 팔리는 고기능성 광수신기로서, 장거리 광전송 등 활용분야가 다양하다.
그러나 증폭효과가 커지면 초고속 광신호에 대한 처리능력이 급격히 악화되는 단점 때문에 현재 미국, 일본에서 상용화 되고 있는 고감도 광수신기의 속도 한계는 10Gbps급 수준에 불과하다.

● 광수신 소자 원가를 10분의 1로 줄이는 뛰어난 경제성

본 기술은 미세한 신호를 놓치지 않기 위해 증폭효과를 키우면 처리속도가 악화되었던 기존의 아발란치 광수신소자와는 반대로, 10배 이상의 증폭효과를 내면서도 40Gbps급 이상의 광신호를 처리하는 성능을 지니고 있다.
이는 장거리 광통신 시스템 등에 사용되는 아발란치 광수신소자의 수를 4분의 1 미만으로까지 줄일 수 있게 되었음을 의미한다.
개당 가격도 기존 고감도 광수신소자의 절반 이하로 떨어뜨릴 수 있어 본 기술이 상용화될 경우 광수신소자 원가를 크게 줄일 수 있게 된다.
초고속 광통신용 장거리 선로의 무중계 전송거리를 높이고 전자식 전치증폭기 없이도 기간망용 광통신 시스템을 구축할 수 있게 하여 광통신 시스템의 구조적인 혁신도 가능하게 해준다.
또한 감도와 초고속 주파수 처리능력을 한꺼번에 해결한 원천기술을 통해 새로운 응용분야를 다수 창출할 것으로 기대된다.
연구책임자인 ETRI 김경옥 박사는, “이번에 개발된 광수신소자는 아발란치 광수신 소자에서 원천적인 속도 한계를 없애, 지금까지 보고된 다른 고감도(아발란치) 광수신소자에서는 얻을 수 없었던 우수한 특성을 보여주고 있다”며, “이번 개발로 초고속 장거리 광통신은 물론 위성통신·방송, 양자통신 등에 사용될 차세대 광소자․부품의 원천･기초기반기술이 확보되었다”고 말했다.

[ 용어설명 ]

● 아발란치 광수신소자 (avalanche photodetector; APD)

광신호를 전기신호로 변환하는 장치인 광검출기의 일종으로 전압이 인가된 상태에서 빛을 받아 일차로 생성된 광전자가 가속되어 원자에 충돌하여 제 2, 제 3 의 전도전자 등, 전자 눈사태(아발란치) 현상을 생성하여 전류 이득을 만드는 특성을 이용하는 광수신소자(Photodetector, PD).

● 40Gbps의 속도는?

신문 129,024면 (약 8년치분)을 단 1초에 전송할 수 있고, 브리태니카 한글판 백과사전을 0.3 초에 전송할 수 있는 속도이다.

● ETRI의 고감도 광수신소자는 세계 정상급?

그렇다. 현재 최고의 기록을 가진다.
고감도 광수신소자, 즉 아발란치 광수신소자는 증폭효과(전류이득)를 얻는 과정에서 빠르게 변하는 신호에 응답하는 속도가 둔화되기 때문에, 고이득 영역에서 주파수 응답특성이(속도가) 현저하게 저하되는 단점이 있었다.현재로는, 10 Gbps급 아발란치 광수신기가 미국, 일본에서 상용화 되고 있는 수준이다.
실험실에서 연구되는 차세대 신기술들간의 비교에서도 단연 최고이다.
이전까지 가장 빠른 기록을 보유한 아발란치 광수신소자 (미국 텍사스오스틴대학)의 경우도, 저이득 영역에서 28 기가헤르츠의 3 dB 밴드폭을 갖지만, 10배 이상의 고이득 영역에서는 10 기가헤르츠 미만으로 수치가 악화되었다.
그러나 ETRI가 개발한 아발란치 광수신소자는, 기존의 아발란치 광수신소자와는 반대로, 고이득 영역에서 오히려 40 기가헤르츠 이상의 3 dB 밴드폭의 빠른 주파수 응답 특성을 나타내며, 수십 기가헤르츠의 고주파 영역에서 주파수 응답신호가 더욱 증가하는 특성을 보여, 고감도 광수신소자의 원천적 속도 제한 (speed limit)을 없앴다.

● 광수신소자의 3 dB 밴드폭

주파수 변조 (modulation) 가 없는 (무변조) 광신호 입력에 대한 광수신소자에서 생성된 광전류의 세기를 1 이라고 하였을 때, 빠른 속도로 주파수 변조된 광신호에 의한 생성 광전류 값이, 무변조시 광전류 값의 절반 (1/2) 이 되는 변조주파수를 나타내며, 소자가 외부신호에 대해 얼마나 빠르게 동작할 수 있는가를 나타내는 척도.

● Applied Physics Letter

미국 AIP (American Institute of Physics) 에서 발행하는 세계적 학술지로서 응용 물리학 분야의 최신 주요 발견들을 다룸. 과학,공학, 첨단 기술 등 분야를 망라하여 응용가치가 있는 물리 현상들을 다룬 실험 / 이론 논문들을 엄정한 심사를 거쳐 출간함.

● Laser Focus World

미국 Pennwell 사에서 매월 발행하는 세계적인 광분야 전문 잡지로서, 광전 기술 (optoelectronic technology) 분야에 종사하는 과학기술자, 연구자들에게 응용분야 및 시장정보를 전달함을 목적으로 하며, 기술적, 상업적으로 의미가 있는 최신기술 및 시장 동향을 분석하고 보고함. (http://lfw.pennnet.com/home.cfm)