Ⅰ. 서론 바이오 헬스, AI(Artificial Intelligence), VR(Virtual Reality), 자율 로봇 기술 등의 도입과 비대면 업무·산 업의 급증으로 인해 글로벌 ‘테크 트렌드’로 디지털 전환이 가속화되고, 초고속 인터넷 통신 인프라 구 축은 사회, 기술, 경제, 환경을 포함한 우리 사회 전 반에 필요한 국가적 임무로 더 강조되고 있다[1]. 이 러한 사회적 환경 변화에 따라 데이터 센터 IP 트래 픽은 기하급수적으로 증가하여 2~3년마다 이더넷 스위치와 연결 대역폭을 두 배로 늘려야 했다. 대역 폭 확장은 전송률을 높이고 이더넷 스위치 패키지 당 물리적 데이터 레인 수를 늘림으로써 발전하고 있다[2]. 지난 10여 년 동안의 스위치 ASIC(Application Specific Integrated Circuit) 대역폭, 라우터 및 전달망 장용량의 진화를 보여준다. 스위치 ASIC 대역폭 은 2010년 0.64Tbps에서 2020년 25.6Tbps로 40배 증가했고, 2022년에는 51.2Tbps로 발전할 것으로 전망된다[3]. 라우터 및 전달망 장비 용량의 경우, 2017년 대비 2022년 각각 7배 및 5배 증가할 것이 며, IEEE802.3-ck 표준[4] 기반의 106.25Gbps 512 레인 전기 인터페이스가 적용되고 있다. 2025년에 는 각각 512Tbps 및 256Tbps로 발전할 것으로 전망 되는데, 기술적으로 주목할 만한 점은 기존 ‘전기 신 호 백 플레인 인터페이스’가 ‘광신호 백 플레인 인터 페이스’로 대체될 것으로 전망되며, 이는 ‘광 인터 페이스 변혁(Optical I/F Revolution)’을 예고하고 있다 는 것이다[5,6]. 2004년 인텔(Intel)사에서 CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor) 공정으로 1Gbps 실리콘 광변조기를 구현한 이래로 본격적인 실리콘 포토닉 스 시대가 개막되었다[7]. 이후 관련 연구 논문 발표 건수가 매년 20배씩 증가할 정도로 발전을 거듭해 왔으며, 실리콘 포토닉스 공정과 산업체 및 관련 서 비스 기반이 급속도로 발전하게 되었다[8]. 테라비 트(Terabit) 광전송을 위한 기반 기술로 저손실 스위 치 ASIC과 광학 소자들을 함께 패키징하여 전력 효 율성을 높이는 연구가 진행되고 있는데, 실리콘 포 토닉스 기술 기반 집적화된 소형 광학 엔진(Optical Engine)과 광트랜시버(Optical Transceiver)를 중요한 해 결 방법으로 보고 있다[9]. 본고에서는 ‘광집적화 기술 한계 극복: 실리콘 포 토닉스 기반 광트랜시버 기술’ 관련해서 다음과 같 은 관점에서 동향을 서술하고자 한다. 첫째, 실리콘 포토닉스 송신 소자 둘째, 실리콘 포토닉스 수신 소자 셋째, 실리콘 포토닉스 수동 소자 넷째, 실리콘 포토닉스 광학 엔진 및 광트랜시버 Ⅱ. 실리콘 포토닉스 송신 소자 1. 국내·외 동향 주요 선도업체에서는 채널당 100Gbps 속도의 실리콘 송신 소자를 개발하고, 채널 수를 확장해 400Gbps, 800Gbps 용량의 제품 개발 결과를 발표하 고 있다. 상용화 관점에서는 저전압 구동이 가능한 마하젠더 광변조기, 링변조기의 안정성과 신뢰성 확보, LD 집적화, 광소자와 전자소자 간 패키징 구 조 등이 주요한 이슈로 떠오르고 있다. 실리콘 송신 소자 관련 주요 산업체 및 연구기관 의 최근 기술 동향은 다음과 같다. Analog Photonics 사는 O-, C-, L-밴드의 실리콘 포토닉스 PDK(Process Design Kit) v3.0을 개발 완료 하였으며, 세계 최고 수준 변조 효율(VπL ≤ 0.7Vcm) 과 2Vppd 저전압 구동 마하젠더 광변조기를 통해서 100Gbps PAM-4(Pulse Amplitude Modulation 4-level) 광신호 변조 결과를 발표하였다[10,11]. Intel 사는 800Gbps 2×FR4, DR8 광송신 소자 개 발을 완료하였다[12]. 800Gbps 광소자에는 8개(4× λs)의 이종접합(Heterogeneously Integrated) 레이저가 집적화되어 있다. 아울러, 링변조기를 이용해서 단 일채널 200Gbps 동작 결과를 보고하였다[13]. CISCO 사는 EIC(Electronic Integrated Circuit) 칩 과 PIC(Photonic Integrated Circuit) 칩이 집적화된 3차 원 멀티-칩 모듈 형태의 100Gbps 광송신기를 개발 하였다. III-V/Si 이종접합 레이저 기술과 3개의 세 그먼트로 분할된 마하젠더 광변조기를 도입하여 1Vpp 저전압 구동 특성을 발표하였다[14]. Ayar Labs 사는 25Gbps×16채널 고집적 EPIC (Electronic-Photonics Integrated Circuit) 광 I/O 칩 (TeraPHY) 기술을 개발하였다. TeraPHY는 45nm SOI CMOS 프로세스 공정을 사용하였으며, 2.5차 원 CPO(Co-Packaged Optics) 패키징 형태를 가지고있다. 최근 8개의 광출력 포트를 갖고 포트마다 8개 파장의 광신호를 다중화해서 출력하는 64채널 레 이저 모듈(SuperNova)을 개발했으며, 파장당 16Gbps 속도로 총 1Tbps 용량의 전송 결과를 발표하였다 [15,16]. ETRI는 실리콘 포토닉스 파운드리와 공정 레 시피 정립을 통해서 실리콘 포토닉스 소자 기술의 연구, 개발을 진행하고 있다. 그림 1과 같이 실리 콘 포토닉스 광송신 칩에 구동 드라이버 칩을 3차 원 집적화 및 와이어 본딩 연결 방식으로 접근하 고 있으며, 렌즈가 필요 없는 III-V/Si 하이브리드 (Hybrid) 레이저와 100Gbps 저전압 마하젠더 광변 조기를 연구, 개발하고 있다. 테라비트(Terabit) 다 채널 광송신 칩 광원 기술을 확보하기 위해 그림 2 와 같이 III-V/Si 하이브리드 레이저의 이득 매질 III-V 에피와 SOI 웨이퍼에 형성된 실리콘 격자 (Grating) 및 광도파로에 대한 연구가 진행 중이다. 2. 기술적 이슈 광원 기술 관련해서 실리콘은 간접 천이형(Indirect Band Gap) 물질로 빛을 생성하기 어렵다. 이에 실리 콘 포토닉스 광원 솔루션으로 DFB-LD(Distributed Feedback-Laser Diode) 칩을 실리콘 칩에 플립-칩 본딩 하여 광 커플링하는 하이브리드 집적화 방식 레이 저와 III-V 에피를 실리콘 웨이퍼에 본딩하여 구현 한 하이브리드 레이저가 연구되고 있다[17,18]. 광변조기 기술 관련해서는 마하젠더 광변조기, 마 이크로링 광변조기, 전계흡수 광변조기, LN(Lithium Niobate)/Si 하이브리드 및 TFLN(Thin-Film LN) 광 변조기로 구분할 수 있으며, 다음과 같은 이슈들이 연구되고 있다. 첫째, 순수한 실리콘 기반 마하젠더 광변조기는 광도파로에 불순물을 도핑하여 전자와 정공 밀도 변화로 광인덱스가 변조되는 플라즈마 디스퍼전 (Plasma Dispersion) 효과를 이용한다[19]. CMOS 표 준공정을 이용할 수 있는 장점이 있지만, 낮은 전광 변환 효율로 인해 구동 전압이 높고, 대역폭이 좁 은 단점이 있다. 하지만, 최근 광변조기 성능 메트 릭스의 최적화를 통해 ~37GHz 수준의 대역폭과 1.7Vppd 저전압의 106Gbps 광신호 변조 및 편광 결합된 IQ(In-phase Quadrature) 광변조기 활용 단일 채널 테라비트급 광신호 전송 결과가 보고되었다