초록 ▼

□ 연구개발 목표 및 내용
◼ 최종 목표
- 초연결 스마트 광통신을 위한 테라비트급 데이터 전송용 LOI(LiNbO₃-on-insulator) 기반의 초고속/초소형 광변조기 기술 개발
‧ 동작 주파수: ≥50GHz
‧ RF V_π: ≤5V
‧ 광 삽입손실: ≤6dB
‧ RF 반사손실(S11): -10dB@~50GHz
‧ 광변조기 모듈 크기: ≤3cc

◼ 전체 내용
1) 기술융합의 형태
- 주관기관의 주 아이템인 제어계측용 광섬유 복합부

□ 연구개발 목표 및 내용
◼ 최종 목표
- 초연결 스마트 광통신을 위한 테라비트급 데이터 전송용 LOI(LiNbO₃-on-insulator) 기반의 초고속/초소형 광변조기 기술 개발
‧ 동작 주파수: ≥50GHz
‧ RF V_π: ≤5V
‧ 광 삽입손실: ≤6dB
‧ RF 반사손실(S11): -10dB@~50GHz
‧ 광변조기 모듈 크기: ≤3cc

◼ 전체 내용
1) 기술융합의 형태
- 주관기관의 주 아이템인 제어계측용 광섬유 복합부품/시스템(광섬유 기반 온도/변위/압력/가속도 센싱 시스템, 자동정렬시스템, 광섬유 자이로스코프) 기술과 공동연구관에서 보유하고 있는 광응용 기술(광 도파로 기반의 광소자 설계/제작, 포토닉스 기반 RF 대역 능동/기능/수동 소자 설계/제작, 초고속 동작 광모듈 설계/패키징)을 융합하여 테라비트급 데이터 전송용 광 변조기 기술을 개발
2) 연구개발내용
- 저손실 LiNbO₃ 광도파로 설계 및 제작: 도파손실 <1dB/cm
- LOI용 저손실 초고속 CPW 구조의 진행파 전극 설계 및 제작: S21 <1dB @50GHz
- 50:50 LiNbO₃ 광분배기 설계 및 제작: 초과손실 <1dB
- 저손실 섬유와 LiNbO₃ 광도파로 간 광결합기 설계 및 제작: 결합손실 <2dB/facet
- 단일 채널 50GHz 광 강도변조기 칩 설계 및 제작
- 단일 채널 50GHz 광 강도변조기 모듈 설계 및 제작
- 단일 채널 50GHz 광 강도변조기의 모듈 패키징 및 신뢰성 테스트
3) 과제수행 방법
- Ti:LiNbO₃ 확산 도파로를 이용하여 광변조기를 제작하는 경우, RF와 광신호의 위상 정합을 맞추기 위하여 Au 전극의 두께를 ~30μm 정도로 두껍게 제작하여야 하며, 이때 제작이 어렵고 제작비용의 증가 요인이 되어 고속 동작에 한계가 있음
- 또한, Ti:LiNbO₃ 확산 도파로 기반의 광변조기는 코어와 클래드의 굴절률 차이가 작아, 광 도파모드 사이즈가 크고 전극 사이의 거리가 10μm 이상 요구되어 Ti:LiNbO₃ 확산 도파로 기반 광변조기의 V_πL이 21V·cm 이상으로 큼
- 본 연구에서는 코어(LiNbO₃)와 클래드(SiO₂) 사이의 굴절률 차이가 ~0.766으로 매우 크고 V_πL이 2.5V·cm 이하로 매우 작은 LiNbO₃ 박막형 채널 광도파로 기반 광변조기를 개발하고자 함
- 전극 사이의 간격을 ~6μm 정도로 작게 설계하는 것이 가능하고, 소자길이 5mm에서 RF V_π가 5V 이하에서 동작하는 것이 가능하며, 코어와 클래드의 굴절률 차이가 커서 곡률반경을 작게 만들 수 있어, 초소형 광변조기의 제작에 적합하고 집적화에 유리함
4) 최종결과물
- LOI 기반 초소형 >50G/ch 광 변조기 칩
- LOI 기반 초소형 >50G/ch 광 변조기 모듈

□ 연구개발성과
- 동작주파수: 3dBe EO bandwidth ~40GHz / 6dBe EO bandwidth ~100GHz
- RF Vπ: 3.3V
- RF 반사(S11)손실: <-20dBe
- 저손실 광섬유와 LiNbO₃ 광도파로 사이의 광결합기 설계 및 제작: 결합손실
~1.59dB/facet
- 저손실 LiNbO₃ 50:50 광분배기 설계 및 제작: 초과손실 ~0.134dB
- 패키지 크기(가로x세로x높이), 커넥터 제외: 2.8cc(2.3×1.7×0.71cm³)
- ≥1Tbps의 데이터 전송용량 확보

□ 연구개발성과 활용계획 및 기대 효과
1) 활용
-전달망용 Tbps급 초고속 광트랜시버, 데이터센터용 Tbps급 초고속 광트랜시버
- 6G 서비스용 광송신기, 초고성능 컴퓨팅, 초고속 신호처리 머신러닝
2) 사업화 계획
o 세계 최고의 성능을 가진 광 변조기 제품의 상품화
- 세계 최고 성능을 보유하고 있는 EO Space 제품(미국)을 능가하는 광변조기의 상용화
- 편광제품과 광변조기 제품군을 PLC 칩에 집적화하여 고부가가치 제품구현 및 상용화
o 광 부품 제작에 대한 지속적인 투자
- 2021년부터 LOI 기반 칩 제작에 지속적인 투자와 광소자 집적화를 위한 PLC 생산라인을 증설
- LOI 기반의 여러 제품(IOC, polarization controller, electro-optic switch, polarizer 등)을 추가로 개발하여 LOI 기반 집적형 광변조기 분야 선점
- LOI 기반 칩 제작뿐 아니라 패키징 장비 및 계측 시스템 셋업 개발
3) 경제적파급효과
o 광 변조기 부품의 국산화
- 수입에 의존하고 있는 광변조기 시장 구조를 본 과제로 상품화했을 경우 광변조기의 국산화 비율을 높일 수 있을 뿐만 아니라 연간 30억 이상의 수입대체 효과가 있을 것으로 기대
- 사업화 성공시 LN 광 변조기 관련 2022년 1,000백만원, 2023년 2,000백만원 매출 예상
o 광변조기 부품의 경쟁력 제고
- 현재 광 변조 속도를 40GHz에서 50GHz로 향상시키는 제품 업그레이드에 그치지않고, 80GHz 및 100GHz 이상의 속도에서도 동작하는 광변조기를 상품화하여 세계 최고의 성능을 가진 광 변조기 제품화 기대

(출처 : 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 요 약 문 ... 2
• 목차 ... 5
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 6
• 1) 연구개발의 필요성 ... 6
• 2) 연구개발의 중요성 및 효과 ... 7
• 3) 연구개발 범위 ... 8
• 2. 연구개발과제의 수행 과정 및 수행 내용 ... 9
• 1) LOI 기반 광변조기 설계 ... 9
• 2) LOI 기반 광변조기 제작 및 특성 평가 ... 22
• 3. 연구개발과제의 수행 결과 및 목표 달성 정도 ... 40
• 1) 연구수행 결과 ... 40
• 2) 목표 달성 수준 ... 45
• 4. 목표 미달 시 원인분석 ... 45
• 5. 연구개발성과의 활용 및 사업화 계획 ... 46
• 끝페이지 ... 47