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Detail

Silicon Photonics based 100Gbps Optical Transmitting and Receiving Devices Technology

Manager
Sanghwa Yoo
Participants
Park Heuk, Seo Dongjun, Sanghwa Yoo, Lee Jyung Chan, Jong Jin Lee, Lee Joon Ki, Huh Joon Young
Transaction Count
1
Year
2023
Project Code
20HH6100, Development of Terabit Ethernet Optical Transmission Technology, Lee Joon Ki
21HH5900, Development of On-Time·On-Rate Wireless Access and Optical Edge Cloud Networking Technologies for High-Precision Services, Lee Joon Ki
22HH6900, Development of On-Time·On-Rate Wireless Access and Optical Edge Cloud Networking Technologies for High-Precision Services, Lee Joon Ki
23HH9400, Development of On-Time·On-Rate Wireless Access and Optical Edge Cloud Networking Technologies for High-Precision Services, Lee Joon Ki
- 본 이전기술은 과학기술정보통신부 ETRI연구개발지원금사업의 일환으로 수행되는 '광 클라우드 네트워킹 핵심 기술 개발' 과제의 연구 결과물로 '실리콘 기반 100Gbps 광송수신 칩 기술'임
- 실리콘 기반 100Gbps 광송신 칩 (SiPh-100G-TX-Chip)의 구성: 저전압 마하젠더 광변조기, 플립-칩 하이브리드 레이저 다이오드, 써모옵틱 위상천이기, 모니터링 광검출기, 광파워분배기, 광 입출력 I/O 실리콘 소자 (에지 커플러)
- 실리콘 기반 100Gbps 광수신 칩 (SiPh-100G-RX-Chip)의 구성: 고속 광검출기, 광 입출력 I/O 실리콘 소자 (에지 커플러)
- 실리콘 기반 100Gbps 광송신 칩 및 광수신 칩 표면은 단일모드 광섬유 어레이 유닛(FAU)과 본딩
- 실리콘 기반 100Gbps 광송신 칩 및 광수신 칩의 에지 커플러를 통해 단일모드 광섬유 광커플링
- 실리콘 기반 100Gbps 광송신 칩과 마하젠더 광변조기 구동 드라이버 칩은 3차원 다이 본딩
- 실리콘 기반 100Gbps 광수신 칩과 트랜스임피던스 증폭기 칩은 3차원 다이 본딩
- 실리콘 칩 메탈 패드과 전자소자 IC 칩의 메탈 패드는 최단 거리에서 전기적 와이어 본딩
- 실리콘 기반 100Gbps 광송신 칩의 실리콘 마하젠더 광변조기는 저전압 구동 가능하며 100Gbps PAM 신호 수용 가능한 전광 대역폭 성능
- 2023년 보고된 광트랜시버 시장 전망 자료 (LIGHTCOUNTING, May 2023 Silicon Photonics & Co-Packaged Optics)에 따르면 2022년에 실리콘 포토닉스 기반 광트랜시버는 전체 시장의 24%를 차지하였고, 2028년에는 실리콘 포토닉스 기반 광트랜시버 시장 점유율이 44%로 대폭 증가하여 기존의 InP 기반 광트랜시버를 넘어서며 가장 큰 점유율을 차지할 것으로 예상
- 한편 2022년 OMDIA의 데이터센터용 광트랜시버 시장 전망 자료에 따르면 100Gbps, 400Gbps, 800Gbps 전송용량의 광트랜시버가 등장하고 그 수요가 지속적으로 증가하면서 2027년에는 각각 19.7%, 42.2%, 27.2%의 시장 점유율이 예상 (OMDIA, DataCom Transceiver and AOC forcast 2022-27)
- 데이터센터 광트랜시버 시장에서는 $/Gbit (가격), 집적도, 파워소모 요구조건을 만족할 수 있는 Breakthrough 기술로 ‘실리콘 포토닉스 기반의 광송수신 칩 기술’을 고려되고 있음
- 국외 InnoLight, Cisco, Intel, Broadcom, GlobalFoundries, Tower Semiconductor 등이 실리콘 포토닉스 기술을 내재화 하여 100Gbps, 400Gbps 광트랜시버 및 광모듈을 제작하여 데이터센터 광트랜시버 시장을 선도해 나가고 있음
- 반면 국내 광트랜시버 업체에서는 개별 단위부품의 정렬?조립 기술 수준에 머물러 있어 생산공정이 복잡하여 전송용량, 상면적 및 생산성/저가화 측면에 한계에 도달하였음
- ’실리콘 기반 100Gbps 광송수신 칩 기술‘ 기술이전을 통하여 국내 광트랜시버 업체의 실리콘 기반 100Gbps 광송수신 칩 기술과 실리콘 기반 100Gbps 광트랜시버 기술 수준을 국외 경쟁업체들과 동등하도록 하고 데이터센터 광트랜시버 시장 점유율을 높이는데 기술이전의 목적이 있음
(1) 기존의 개발 단위부품의 정렬/조립 기술은 생산공정이 복잡하여 전송용량, 상면적, 및 생산성/저가화 측면에서 한계에 도달하였으나, 실리콘 포토닉스 기술은 CMOS 반도체 공정을 이용하여 포토닉스 소자를 제작하는 기술로, 생산공정이 단순하여 광통신 소자 대량생산을 통한 저가화, 3차원 집적을 통한 소형화, 소자 반복 배치를 통한 대용량화를 가능하게 함
(2) 본 ’실리콘 기반 100Gbps 광송수신 칩 기술‘은 실리콘 포토닉스 기술을 기반으로 100Gbps PAM-4 (Pulse Amplitude Modulation?4 level) 전기신호를 광신호로 변환하는 광송신 기능과 100Gbps PAM-4 광신호를 전기신호로 변환하는 광수신 기능을 제공
- 본 기술은 3.5Vppd (2x1.75Vpp) 수준의 낮은 구동전압 조건에서 100Gbps PAM-4 전기신호 수용 가능한 실리콘 마하젠더 광변조기 기술을 포함하여 상업적 드라이버 칩으로 직접 구동 가능함
- 본 기술은 능동 광정렬을 요구하지 않는 차별화된 플립-칩 본딩 하이브리드 집적 LD (Laser Diode) 기술을 포함. 공정의 복잡도를 감소시켜 실리콘 기반 100Gbps 광송신 칩 및 광트랜시버의 양산성을 대폭적으로 높일 수 있음
- 본 기술은 실리콘 마하젠더 광변조기의 동작점 제어 및 하이브리드 LD 정상동작 여부를 패키지 단계에서 확인할 수 있는 모니터링 기술을 제공
- 본 기술은 실리콘 기반 100Gbps 광송신 칩과 광수신 칩에 각각 전자소자 IC 칩이 3차원 집적된 구조이면서도 기존의 와이어본딩 기술을 활용할 수 있어 최적의 RF 성능과 높은 접근성을 제공
- 본 기술은 실리콘 기반 100Gbps 광송신 칩과 광수신 칩의 실리콘 에지 커플러에 외부 광섬유어레이블록의 결합이 용이한 구조를 가지며 넓은 파장에 걸쳐 낮은 편광의존손실 특성을 제공
- 100Gbps 실리콘 마하젠더 광변조기, 100Gbps 고속 광검출기 등의 소자 반복배치를 통해 400Gbps (4x100Gbps), 800Gbps (8x100Gbps)로 전송용량 확장 가능
(1) 실리콘 기반 100Gbps 광송수신 칩 설계 기술
- 실리콘 기반 100Gbps 광송신 칩의 GDS 레이아웃 설계 기술
> 실리콘 마하젠더 광변조기 레이아웃 설계 기술
> 실리콘 마하젠더 광변조기 구동 드라이버 리세스 설계 기술
> 실리콘 광변조 제어기 레이아웃 설계 기술
> 플립-칩 하이브리드 레이저 리세스 설계 기술
> 실리콘 커패시터 리세스 설계 기술
> 광섬유 어레이 유닛 리세스 설계 기술
> 광 I/O 소자 배치, 전기 I/O 패드 배치 및 라우팅 설계 기술
- 실리콘 기반 100Gbps 광수신 칩의 GDS 레이아웃 설계 기술
> 트랜스임피던스 증폭기 리세스 설계 기술
> 광섬유 어레이 유닛 리세스 설계 기술
> 광 I/O 소자 배치, 전기 I/O 패드 배치 및 라우팅 설계 기술
(2) 실리콘 기반 100Gbps 광송수신 칩 제어 및 성능시험 기술
- 실리콘 기반 100Gbps 광송수신 소자 제어 기술
> 광 I/O 소자 커플링 기술
> 실리콘 마하젠더 광변조기 및 제어기 동작점 동조 기술
> 플립-칩 하이브리드 레이저 출력 광파워 측정 기술
- 실리콘 기반 100Gbps 광송수신 소자 성능 시험 기술
> 실리콘 기반 광송수신 소자 성능 시험 셋업 가이드 및 측정 기술
> 실리콘 마하젠더 광변조기 구동 드라이버 성능 최적화 기술
> 트랜스임피던스 증폭기 성능 최적화 기술
(1) 기술문서
- 요구사항 정의서, 상세 설계서, 시험절차/결과서, Technical Memo
(2) 하드웨어
- 실리콘 기반 100Gbps 광송신 칩 시제품 (20ea)
- 실리콘 기반 100Gbps 광수신 칩 시제품 (20ea)
- 실리콘 기반 100Gbps 광송신 칩 레이아웃 설계 파일(.gds)
- 실리콘 기반 100Gbps 광수신 칩 레이아웃 설계 파일(.gds)
- 실리콘 기반 100Gbps 광송신 칩 광정렬 자동화 셋업 제어 파일(.vi)
- 실리콘 기반 100Gbps 광송수신 칩 광학/전기 회로도(.pdf)
- 실리콘 기반 100Gbps 광송수신 칩 공정 SOW (Statement of Work) 파일(.doc)
- 기술전수업체 시제품 적용을 위한 설계 및 성능 시험 지원
> 실리콘 기반 100Gbps 광송수신 칩 레이아웃 설계 교육
> 실리콘 기반 100Gbps 광송수신 칩 레이아웃 설계 지원
> 실리콘 기반 100Gbps 광송수신 칩 공정 SOW 정립 및 문서작성 지원
> 실리콘 기반 100Gbps 광송수신 칩 성능 시험 셋업 가이드 및 시험 지원
■ (직접 적용 분야) 데이터센터 스위치/라우터 장비, 5G/6G 이동통신 프론트홀/백홀 광전송 장비, 메트로/코어 광전송 장비에서 적용
● 데이터센터 서버, 스위치 및 라우터 장비에 적용
● 메트로/백홀망용 패킷-광 통합(PTN/POTN) 장비 및 DWDM/ ROADM 장비에 적용
● 5G/6G 이동통신 프론트홀(front-haul) 장비에 적용
● 네이버, 다음 등 클라우드 사업자: 클라우드 센터 구현 기술로 적용
■ (간접 적용 분야) 실리콘 포토닉스 기술을 응용한 THz/Microwave-Photonics 분야, 자율주행 센서(Lidar 센서), 자동차/선박 고속 통신 모듈, IoT/Medical/항공우주 센서 등에 활용
■ 기술적 측면 기대효과
● (광부품 생태계) 실리콘 포토닉스 기반 광부품/모듈/시스템/서비스 생태계 경쟁력 확보
● (클라우드 광인터커넥션) Optical Cloud를 위한 실리콘 포토닉스 기반 광연결 기술 확보
● (전력 소비, 상면적 부족, 낮은 자원 활용도 해결) 클라우드에서 전기 스위치 기반 네트워크의 과도한 전력 소비, 상면적 부족, 낮은 자원 활용도 문제를 근본적으로 해결하기 위한 핵심 광기술인 실리콘 기반 광인터커넥션 기술 확보