실리콘 포토닉스란 무엇입니까?

SiPh(Silicon Photonics)는 광학 통신, 고속 데이터 전송 및 광 감지 장치를 위한 PIC(Photonic Integrated Circuit)를 구성하는 플랫폼입니다. 반도체 기판 재료는 Silicon-On-Insulator(SOI) 웨이퍼입니다. 표준 반도체 제조 공정은 적외선에 투명한 실리콘(Si)으로 광자층에 구성요소를 만드는 데 사용됩니다. 이산화규소(SiO₂) 또는 공기를 실리콘 주위에 배치하여 높은 굴절률 차이를 만들어, 구성 요소를 통과하는 빛이 손실이 거의 없이 회로를 통과하도록 합니다.

온칩 광자 집적 회로는 매우 소형이고, 전력 소모가 적으며, 기존 포토닉스 장치보다 더 빠른 속도(100Gb/s 이상)로 작동하여 전기 회로보다 더 빠르고 효율적으로 정보를 전송합니다. 이러한 장점과 표준 Complementary Metal-Oxide-Semiconductor(CMOS) 제조 기술을 사용할 수 있는 능력이 결합되어 실리콘 포토닉스를 특징으로 하는 칩의 급격한 증가를 주도합니다.

1980년대 중반, 연구자들은 광자용으로 설계된 회로를 전자용으로 설계된 회로와 동일한 칩에 배치하는 것을 제안했습니다. 광자 회로는 빛을 방출, 변조, 전환, 증폭 및 감지합니다. 모노리식 광전자 집적 실리콘 칩은 2005년 실리콘 변조기의 개발 전까지는 드물었으며, 새로운 제조 공정으로 가능한 선폭이 광회로에 필요한 도파관을 구성할 만큼 얇아졌습니다.

전자 칩이 볼 그리드 어레이 또는 와이어로 외부 회로에 부착되는 것처럼 빛은 광섬유를 사용하여 광자 칩 안팎으로 전송됩니다. 이러한 광 상호 연결은 주파수가 더 높고 대역폭이 더 크기 때문에 전기 상호 연결보다 더 많은 데이터를 더 빠른 속도로 전송할 수 있습니다.

그런 다음 레이저를 회로에 추가하여 빛을 생성하고 수신기 회로의 광 검출기와 함께 광자의 에너지, 주파수 및 기타 특성을 측정합니다. 전기는 기존 집적 회로 기술을 사용하여 각 장치에 공급되거나 각 장치에서 추출됩니다. 광 신호를 전기 신호로 변환하는 전자 장치는 동일한 칩에 내장될 수도 있고, 별도의 전자 장치에 내장될 수도 있습니다. 이러한 검출기와 방출기는 온칩 장치와 결합되어 빛을 변조(즉, 측정 가능한 특성을 변경), 전환, 증폭시켜 광 네트워킹에서 중요한 기능을 수행하고, 고속 데이터 전송을 용이하게 하거나 미시 또는 거시적 규모에서 물리적 특성을 측정합니다.

사용되는 일반적인 광자 구성 요소 중 일부는 다음과 같습니다.

1. 도파관: 광자가 이동하는 광자 회로의 "와이어". 도파관의 단면, 표면 거칠기 및 굽힘 반경은 도파관 내부를 이동하는 빛에 큰 영향을 줄 수 있습니다.
2. 광 변조기: 빔의 위상, 진폭, 편광, 간격 및 회절 특성을 수정하여 빔에 정보를 인코딩하는 구성 요소
3. 광원: 회로에 빛을 생성하는 다양한 유형의 반도체 레이저입니다. 레이저는 실리콘 기반이 아니라 III-V 화합물 반도체를 사용합니다. 외부 또는 광자 집적 회로와 동일한 칩에 내장될 수 있습니다.
4. 수신기: 광자를 흡수하고 빛에 인코딩된 정보를 전기 신호로 변환하는 광 검출기
5. 광 스위치: 온도, 다른 광원과의 상호작용 및 미세 공동 현상을 사용하여 빛을 지시하는 장치입니다. 광 스위치는 기계적, 마이크로 전기 기계적(MEMS), 전기적 스위치보다 훨씬 빠를 수 있습니다.
6. 필터: 다양한 빛의 물리적 특성을 이용해 원하는 주파수 범위에서 빛을 통과시키는 다양한 구성 요소입니다. 주파수는 수동 필터의 경우 형상에 의해 설정되고 능동 필터의 경우 전기적 입력에 의해 설정됩니다.
7. 커플러: 광 신호를 분할하거나 결합하는 장치

실리콘 포토닉스의 고성능으로 인해 이 기술은 통신에서 전기적 또는 전기 기계적 스위칭을 대체하고 패키지와 컴퓨터 구성 요소 간의 전기적 상호 연결을 대체하고 라이다와 같은 광 센서를 제어하게 되었습니다. 이 기술은 광섬유 및 포토닉스가 더 나은 성능을 보이는 복잡한 신호 처리 애플리케이션용 단일 칩 트랜시버와 같이 전자 시스템에서 광자 단계를 제공하여 기존 솔루션을 보완할 수 있습니다.

빛을 사용하여 정보를 전달하는 것은 전자, 전파 또는 마이크로파에 비해 상당한 이점이 있습니다. 빛의 더 높은 주파수와 다양한 모드(주파수, 진폭, 위상 등) 덕분에 더 많은 정보를 낮은 전력 소모로 전송할 수 있습니다. 이러한 이점은 광자 소자가 작동에 필요한 전자 장치와 동일한 칩에 내장되면 배가되어 저비용 대량 생산 제조 공정을 사용할 수 있습니다.

이 기술은 광학 구성 요소와 동일한 칩의 전기 회로를 결합하기 때문에 광전자 소자를 별도의 광학 및 전기 솔루션보다 더 작은 폼 팩터로 패키징할 수 있습니다. 빛은 손실이 거의 없이 도파관을 통과하고 미세한 크기 때문에 실리콘 광자 소자는 전기 또는 독립형 광학 소자보다 에너지를 덜 소모합니다.

그러나 실리콘 포토닉스의 가장 중요한 이점은 기존 CMOS 제조 시스템을 사용한다는 것입니다. 전 세계 반도체 제조업체들은 매년 다양한 종류의 칩을 1조 개 이상 생산합니다. 기업은 실리콘 포토닉스 기술을 위한 반도체 하드웨어를 설계, 제조, 패키징 및 테스트하는 데 사용되는 도구를 활용합니다. 많은 반도체 파운드리에서는 광자 통합 설계에 대한 표준을 확립하여 더 빠르고 저렴하며 견고한 신제품 개발을 실현하고 있습니다.

실리콘 포토닉스 에코시스템에서 최첨단 제조 기술을 사용할 수 있음에도 불구하고 이 기술을 응용하는 분야를 확대하기 위해서는 여전히 많은 과제가 남아 있습니다. 기초 물리학의 결과로 발생하는 것도 있고, 제조상의 한계로 인해 발생하는 것도 있습니다. 기업과 대학은 이러한 과제를 이해하고 극복하기 위해 기본적이고 실용적인 연구를 수행하고 있습니다.

SOI 웨이퍼를 사용하면 제조가 간소화되지만 실리콘은 사용되는 빛의 주파수를 제한되며 이 소재를 사용하여 레이저 및 기타 필요한 구성 요소를 만들 수 없습니다. 따라서 연구자들은 파장 범위를 넓히기 위해 질화규소(SiN) 및 인화인듐(InP)과 같은 새로운 소재를 포함하는 방법을 찾고 있습니다. 다른 연구는 갈륨비소(GaAs)와 같은 III-V 소재를 제조 워크플로에 통합하여 온칩 광원을 구성하는 데 중점을 두고 있습니다.

광자 회로의 에너지 손실은 설계자가 이해하고 제어해야 하는 또 다른 과제입니다. 광 도파관의 굽힘 반경과 같이 간단한 것조차도 소형화와 관련된 손실이라는 측면을 고려해야 합니다. 마찬가지로 어떤 유형의 광 변조기 또는 필터를 사용할지 결정하는 것도 어려울 수 있습니다. 감지를 위해 실리콘 포토닉스를 적용함에 따라 감도와 소형화의 한계를 극복해야 합니다.

다른 대안보다 저렴하지만, SiPh를 활용하는 장치의 비용은 여전히 대량 채택하기에는 너무 비쌉니다. 현재 이 기술을 사용하여 수백만 개의 칩이 제작되고 있습니다. 광자 구성 요소는 비용을 줄이고 데이터 센터 및 통신 네트워크와 같은 곳에서 광범위하게 채택되기 위해 연간 수십억 개의 칩으로 확장해야 합니다.

광학 시스템의 요구 사항은 광전자의 전자적 측면 요구 사항과도 균형을 이루어야 합니다. 전자 장치가 동일한 칩에 있는 경우 제조 방식은 각 유형의 신호 처리 요구 사항과 균형을 이루어야 합니다. 또는 별도의 전자 장치를 사용하는 경우 일반적으로 고급 반도체 패키징 기술을 사용하여 두 가지를 연결합니다. 두 가지 접근 방식 모두 전자 장치의 열 생성은 포토닉스에 영향을 미칠 수 있습니다.

실리콘 포토닉스로 만든 광학 솔루션의 소형화, 비교적 낮은 비용, 에너지 효율성, 낮은 대기 시간은 점점 더 다양한 응용 분야에 적용할 수 있게 합니다. 가장 일반적인 용도는 광섬유를 통한 고속 데이터 전송입니다. Intel과 같은 회사는 광 트랜시버 칩의 기능을 개선하여 더 광범위한 응용 분야에 사용할 수 있도록 하는 데 주력하고 있습니다. 많은 칩이 컴퓨터를 네트워크화하는 광 라우터와 신호 프로세서에 사용됩니다.

주어진 노드 내의 노드와 광 상호 연결 간의 광 네트워킹은 인공 지능, 비트코인​채굴, 디지털 트윈과 같은 고성능 응용 분야의 계산 속도를 크게 높일 수 있습니다. 프로세서의 계산 속도가 증가함에 따라 데이터 전송 대역폭이 병목 현상이 되며 이는 실리콘 포토닉스로 완화할 수 있습니다.

광자 구성 요소에 SiPh 기술을 활용하는 일부 새로운 응용 분야는 다음과 같습니다.

• 광자 센서: SiPh 센서는 빛이 샘플을 통과할 때 발생하는 굴절률의 작은 변화를 측정할 수 있습니다. 이러한 변화는 생물학적 또는 환경적 샘플에서 특정 바이오마커를 식별할 수 있습니다.
• 라이다: 광 감지 및 거리 측정 장치는 광 펄스를 내보내고 복귀 시간을 측정합니다. 실리콘 포토닉스 기반 라이다 솔루션은 더 작고, 전력을 덜 사용하며, 개별 구성 요소로 구성된 시스템보다 제조 비용이 저렴합니다.
• 양자 컴퓨팅 및 네트워킹: 양자 컴퓨터는 광자를 사용하여 계산을 수행합니다. 양자 컴퓨터 내부 및 양자 컴퓨터 간의 빛 관리에는 광자 집적 회로의 속도, 정확성 및 낮은 비용의 이점이 있습니다.

1980년대에 도입된 이래 실리콘 광자 기반 구성 요소의 역할은 통신을 위한 광섬유 통신의 기본 기능을 지원하는 것에서 성장했습니다. 시간이 지남에 따라 실리콘 광자는 컴퓨팅으로, 그리고 지금은 광 센서로 옮겨가면서 더 많이 사용되고 있습니다. 제조업체는 팹리스 기업을 위한 파운드리를 제공하여 이 기술을 더 광범위한 애플리케이션에 적용하고 있습니다. 제조 역량이 향상되고 응용 분야가 확대됨에 따라 설계 및 시뮬레이션 도구가 개선되어 더 복잡하고 효율적인 설계를 지원하게 되었습니다.

전자 및 광자 집적 회로를 포함하는 차세대 모놀리식 장치는 실리콘 이외의 소재를 장치에 도입하는 하이브리드 제조 방법을 활용할 것입니다. 또한 더 정밀한 제조 방법, 더 작은 피처 크기, 고급 반도체 패키징 방법을 사용할 것입니다. 이러한 변화로 인해 데이터 통신 및 고성능 컴퓨팅 애플리케이션에서 데이터 전송 대역폭과 속도가 증가하고, 잠재적으로 광학 센싱 기술에 혁명이 일어날 것입니다.

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