[논문]실리콘 포토닉스 테크놀로지-미래컴퓨팅, 데이터 통신을 위한 광I/O 플랫폼

김경옥

실리콘 포토닉스 테크놀로지-미래컴퓨팅, 데이터 통신을 위한 광I/O 플랫폼
Silicon Photonics Technology-The optical I/O platform for future computing and data communication 원문보기

전자통신동향분석 = Electronics and telecommunications trends, v.31 no.6, 2016년, pp.13 - 20

김경옥 (나노인터페이스소자연구실)

초록
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실리콘 포토닉스 기술은 컴퓨터를 비롯한 여러 전자, 통신 기기들이 광 정보를 송수신하는 데 표준 실리콘을 이용하는 기술로, 기존 실리콘 반도체 기술과 호환될 수 있는 기술이다. 전자와 광의 융합기술로 실리콘 칩 사이, 또는 칩 내에서 빛으로 데이터를 주고받아, 데이터 전송속도를 획기적으로 올리면서도 전력 소모량을 크게 줄일 수 있는 것이 가능하다. 고성능, 저 생산비용과 낮은 소비전력 등의 장점 때문에, 전 세계적으로 실리콘 포토닉스 핵심기술/실용적 플랫폼 연구개발 및 상용화 경쟁이 이루어지고 있다. 본지에서는 실리콘 포토닉스 기술의 간략한 개요, 현재 동향 및 기술 이슈, 그리고 ETRI에서 연구개발된 실리콘 포토닉스 기술과 더불어 그 발전 전망에 대해 기술한다.

AI 본문요약
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문제 정의

실리콘 포토닉스 기술은 실리콘 칩에서 고성능 광통신을 가능케 하여, 궁극적으로, 컴퓨터 주요 실리콘 칩에 보편적으로 적용될 수 있는 것을 연구개발의 궁극 목표로 하고 있다⑼.

제안 방법

실리콘 on-chip광원의한 솔루션으로 인텔에서는, SOI 기판 위에 웨이퍼 본딩을 이용하여. m- V 화합물 레이저 에피(epi)의 활성층(active layers)을 이식한 후, on-chip 레이저를 공정하여 완성한 silicon hybrid laser를 연구 개발하여 발표하였으몌4], 현재 상용 실리콘 포토닉 광송수신기에 적용하고 있다⑸. 그러나 칩-레벨 광I/。적용으로는 아직 크기 및 전력 소모 등이 작아져야 하며, 또한 SOI 기판 사용이 필수적이라, 여전히 근본적인 기판 불일치 문제는 안고 있다.
포함하는 완성된 칩-레벨 광I/。집적 구도를 제시하였다. 벌크 실리콘 웨이퍼 위에 선택적 게르마늄 에피성장 및 실리콘 CMOS-compatible 공정과, 화합물 반도체 레이저 박막을 실리콘 웨이퍼 표면에 이식시킨 후광소자를 제작하는 주가공정을 통해, 직접 변조 (direct-modulation) VCSELs-on-Si 광원을 포함한 수직형 광 I/O 소자가 모노리식 집적되는, ETRI 독자적 플랫폼 기술이다.

성능/효과

EIR旧 (그림 4)에서 보이는 바와 같이, 실리콘 칩 간의 초당 20 기가 비트/채널 데이터의 저전력 초고속 광 연결을 프로토타입으로 선보이며, 고속으로 작동하는 viable한 칩-레벨 광 I/O 플랫폼으로, 소형, reliable, 저에너지 소모의 칩-레벨 플랫폼으로 사용될 수 있다는 것을 실험적으로 증명하였다.
개발에 기여할 수 있을 것으로 기대된다. 또한, 빠른 속도로 성장하고 있는 실리콘 광 인터커넥션 시장에 대비한, 액티브 광케이블, 고성능 광커넥터, 네트워크 광 트랜시버, 휴대기기, 디스플레이 등에 적용될 수 있는 저가격 고경쟁력 실리콘포토닉 광부품의 기술이 확보되었다. ETRI에서 이미 실용 수준으로 개발된 실리콘 포토닉스 기반의 게르마늄 광수신 소자, 고감도 아발란치광수신소자 (APD) 기술 등과 더불어 상용화함으로써, 실리콘 광부품 시장의 활성화에 이바지할 수 있을 것으로 기대한다.
둘째, 실리콘 전자 칩에 실용적인 실리콘 광 I/O 구도를 적용하기 위한 소형 온-칩 (on-chip) 광원 (light source)의 구현이 용이하지 않은 것이 매우 심각한 문제이다. 셋째, 칩-레벨 광 연결을 적용하는데 방해가 되는 핵심 기판(substrate) 이슈로, 기존의 통상적인 전자 칩들과의 기판 불일치(substrate incompatibility)0] 다. 즉, 대부분 전자 칩들은(electronic chips) 벌크 실리콘 웨이퍼 기판을(bulk silicon substrate/wafer) 사용한다.

후속연구

또한, 빠른 속도로 성장하고 있는 실리콘 광 인터커넥션 시장에 대비한, 액티브 광케이블, 고성능 광커넥터, 네트워크 광 트랜시버, 휴대기기, 디스플레이 등에 적용될 수 있는 저가격 고경쟁력 실리콘포토닉 광부품의 기술이 확보되었다. ETRI에서 이미 실용 수준으로 개발된 실리콘 포토닉스 기반의 게르마늄 광수신 소자, 고감도 아발란치광수신소자 (APD) 기술 등과 더불어 상용화함으로써, 실리콘 광부품 시장의 활성화에 이바지할 수 있을 것으로 기대한다.
저가의 벌크 실리콘 웨이퍼에 광 입출력(I/O) 소자를 제작하므로써, 기존의 전자회로 실리콘 칩들에 광 데이터 입출력 기능을 부가시킬 수 있는 단일집적 플랫폼 기술로, 전자 집적회로(IC)와의 통합성을 크게 증가시키고, 칩-들 사이에 광 데이터의 실용적 송수신이 이루어질 수 있다. 또한, 실리콘 기반의 고성능 광송수신 소자들의 단일칩화에 따른, 소형화, 저가격화, 저전력화 등의 이점으로, 컴퓨터 칩에서부터 광통신 부품, 모바일기기, 센서, 디스플레이 등 광범위한 산업에 폭넓게 적용 가능한 기술이며, 향후 이 플랫폼 기술이 고성능 컴퓨터 (HPC), 휴대기기, GPU, 메모리, 3차원 IC, 데이터센터 및 네트워크 광통신 부품, 디스플레이 분야에서 전자- 광자 통합(융합)의 실현에 기여할 것으로 예상된다.
본 광I/O구도가 최소한의 extra cost와 reliable operation으로, 비용 효율이 높은(cost-effective) 대량생산 기반의 미래 실리콘 광통신(future silicon-based optical communications)의 큰 가능성을 보여줄 것으로 예상된다. 본 기술이 미래 실리콘 전자 칩에 초고속, 고밀도 광I/O 플랫폼으로 적용될 경우, 웨이퍼 레벨의 양산 공정이 가능하고, 비약적으로 향상된 데이터 입출력속도 및 대역폭에 기여할 수 있을 것이다.
본 기술은 평면상의 데이터 통신뿐만 아니라, 3차원 칩 적층 구조의 IC간 데이터 통신에도 유리하여, 3D 적층형 메모리, 적층형 컴퓨터 시스템 등에도 응용 가능하며, 가깝게는 각종 네트워크 광트랜시버로 바로 적용될 수 있다.
본 기술이 미래 실리콘 전자 칩에 초고속, 고밀도 광I/O 플랫폼으로 적용될 경우, 웨이퍼 레벨의 양산 공정이 가능하고, 비약적으로 향상된 데이터 입출력속도 및 대역폭에 기여할 수 있을 것이다.
추후에, 실리콘 포토닉스(광) 기술이 성공적으로 미래컴퓨터나 통신 시스템에 적용되어, 실리콘 전자 칩들에모노리식(단일)-집적된 광 I/O가 전기적 I/O를 대체할 경우, 실리콘 포토닉스/Complementary Metal-Oxide- Semiconductor(CMOS) 플랫폼에 기반한, 저비용, 고성능, 전례 없는 대역폭 등을 제공하여 새로운 차원을 열어 줄 수 있다[1]. 즉 실리콘 전자 칩들에서의 전자-광 융합(electronic-photonic convergence)의 실현은 컴퓨터 이키텍쳐(computer architecture), 데이터 커뮤니케이션 (data communication), 텔레커뮤니케이션 (telecommunication) 에 있어서 혁신적 변화를 가져 올수 있다.

참고문헌 (20)

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김경옥, "미래컴퓨팅/데이터 통신에 혁신을 가져올 실리 콘 포토닉스 기술," ETRI Webzine, vol. 42_Story, 2015.7.16, https://webzine.etri.re.kr/20150710/sub04.html
G. Kim, "Silicon Photonics Technology to Innovate Future Computing/Data Communication," ETRI Webzine #18, April, 2016.
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H. Byun, et al., "Bulk-Si Photonics Technology for DRAM Interface," Photon. Res., vol. 2, no. 3, 2014, ppA25-A32.

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