ETRI, 벌크 실리콘 기반 단일칩 광송수신기 세계 최초 개발

CPU, Memory 등, 실리콘 전자회로 칩들이 빛으로 데이터를 주고받을 수 있다면,
미래 컴퓨팅과 데이터 통신은 새로운 패러다임을 맞게 될 것이다.
이런 혁신에 기여 할 수 있는 기술이 바로 ETRI가 이번에 개발한 실리콘 칩들 간의 광통신을 가능케 하는 벌크-실리콘 기반의 단일칩 광송수신기(트랜시버)다.
실리콘 포토닉스 기술은 전자와 광의 융합기술로서, 차세대 고성능 컴퓨터, 미래 데이터 광통신을 가능케 하는 미래 선도 기술로 주목받고 있다.
컴퓨터 내 실리콘 칩 사이, 또는 칩 내에서 빛으로 데이터를 주고받는 광컴퓨터 칩을 구현할 수 있게 해주며,
데이터 전송속도를 획기적으로 올리면서도 전력 소모량을 크게 줄일 수 있는 것이 특징이다.

이번에 ETRI에서 개발된 기술은 저가의 벌크 실리콘 웨이퍼에 광 입출력(I/O) 소자를 제작하여, 전자 집적회로(IC)와의 통합성을 크게 증가시킨다.
또, 칩들 사이에 광 데이터의 실용적 송수신이 이루어질 수 있어 향후 고성능 컴퓨터(HPC), CPU, 메모리, 3차원 IC, 데이터센터 및
네트워크 광통신 부품분야에서 전자-광자 통합(융합)의 실현에 큰 임펙트를 가져올 것으로 기대된다.
즉, 기존의 전자회로 실리콘 칩들에 광데이터 입출력 기능을 부가시킬 수 있는 단일집적 플랫폼기술로서 컴퓨터 칩에서부터
네트워크 광통신부품, 모바일 기기 및 센서 등 광범위한 산업에 폭넓게 적용 가능할 것으로 보인다.

반도체 경쟁력 높이고, 미래 컴퓨터 시장 선도할 차세대 기술

이번 기술과 관련하여 Nature Publishing Group의 권위 학술지 중 하나인 『사이언티픽 리포트(Scientific Reports)誌』에 6월 10일자로 게재되었으며,
9월 스페인에서 열리는 ECOC 국제전시회에 전시될 예정이고, 관련 국내외 특허가 출원 중이다.
개발된 실리콘 광 I/O 단일 집적플랫폼 기술은 통상적인 전자회로 칩에서 사용되는 벌크 실리콘 웨이퍼를 사용한다.
또 다른 특징들은 웨이퍼 위에 선택적 게르마늄 에피성장 및 실리콘 CMOS 공정에 기반하고,
화합물 반도체 레이저 박막을 실리콘 웨이퍼 표면에 이식시킨 후 광원을 제작하는 추가 공정을 통해
레이저 광원을 포함한 수직형 광 I/O 소자가 모노리식 집적되는 독자적 플랫폼 기술이라는 점이다.
더 나아가, 현재 전 세계적으로 실리콘포토닉스 기술의 실질적 전자 칩 적용을 어렵게 하는
3대 주요 이슈(실리콘온인슐레이터(SOI)기판문제, 소자 크기/성능문제, 칩-레벨 광원문제)를 극복하는
새로운 집적구도로서 소자성능, 전자회로와의 통합성 및 실용성을 해결할 것으로 전망된다.
게다가 이번 신기술이 메모리, CPU 등 미래 컴퓨터 칩에 초고속, 고밀도 광 I/O 플랫폼으로 적용 될 경우,
웨이퍼 레벨의 양산 공정이 가능하고, 비약적으로 향상된 데이터 입출력 속도 및 대역폭에 기여할 수 있을 것이다.
또한, 평면상의 데이터 통신뿐만 아니라 3차원 칩 적층 구조의 IC간 데이터 통신에도 유리하여, 3D 적층형 메모리, 적층형 컴퓨터 시스템 등에도 응용 가능하다.

이번에 ETRI는 실리콘 칩들 간의 초당 20기가 비트/채널 데이터의 저전력 초고속 광연결을 프로토타입으로 선보였고,
이로써 전자-광 단일집적(융합)의 실용적 실현에 큰 임펙트(significant impact)가 예상된다.
나아가 실리콘 기반의 고성능 광송수신 소자들의 단일칩화에 따른, 소형화, 저가격화, 저전력화 등의 이점으로,
광통신 부품, 모바일기기, 센서, 디스플레이 부품으로의 실용화에도 용이하여, 세계시장을 선점하고, 국내외 시장을 주도할 수 있는 기술로 평가된다.

실리콘 광부품 시장 활성화 이바지 할 실리콘포토닉 광부품 기술

ETRI는 이번에 개발한 초소형, 고성능 광 트랜시버 실리콘칩 기술 뿐만 아니라,
세계적 수준의 성능을 자랑하는 실리콘 포토닉스 기술을 지속적인 연구 개발을 통하여 보유하고 있다.
대표적인 실리콘 포토닉스 연구 성과로 ▲SOI (Silicon on Insulator) 웨이퍼 기반의 40 Gb/s 모노리식 실리콘 광송수신 회로(Si-PIC)
▲50 Gb/s까지 작동하는 초소형 실리콘 마하젠더 광변조기 ▲30 Gb/s 하이브리드 집적 실리콘 Electronic-Photonic IC(EPIC)
▲650 nm ~ 1610 nm 파장 대역에서 50 Gbps 속도 및 고응답도를 보이는 수직 입사형 게르마늄 광검출기(Ge-PD)
▲10-25 Gb/s 작동 고감도 Ge-on-Si 아발란치 광검출기(APD) ▲36 Gb/s급 실리콘포토닉 리시버와 트랜스미터
▲28/43 Gbps급 게르마늄 광 리시버 ▲고효율 파장다중화(WDM) 장치 등이다.
이 같은 실리콘 포토닉스 연구개발 결과들은, 국제 권위학술지인 Optics Express, Optics Letters 등에 다수 게재되었으며,
美 SPIE Photonics West 2015 국제학회 초청 발표 및 다수의 국내외 특허로 등록/출원되었다.
한편, 고성능의 게르마늄 광수신 소자, 고감도 게르마늄 아발란치 광수신소자(APD) 등 개발된 실리콘포토닉 핵심소자들은
기존의 상용제품을 능가하는 성능들을 보유하고 있어, 고가의 화합물 반도체 기반으로 제작된 광소자들을
저가의 고성능 실리콘 광통신 소자로 대체 가능하기 때문에 앞으로 그 파급효과가 매우 클 것으로 예상된다.