- 본 이전 기술은 과학기술정보통신부 ETRI연구개발지원금사업의 일환으로 수행되는 '광 클라우드 네트워킹 핵심 기술 개발' 과제의 연구 결과물로 '실리콘 기반 0.8Tbps 광송수신 칩 레이아웃 설계 기술'임
- 실리콘 기반 0.8Tbps 광송신 칩 레이아웃의 구성: 레이저 다이오드 플립-칩 본딩부, 8x100G 광변조기, 써모옵틱 위상천이기 (성능 제어 소자), 모니터링 광검출기, 1x2 광파워 분배기, 2x2 광파워 분배기, 광 터미네이터, 실리콘-실리콘 나이트라이드 트랜지션, 에지 커플러(광커플링 소자), 실리콘 광도파로, 실리콘 나이트라이드 광도파로
- 실리콘 기반 0.8Tbps 광수신 칩 레이아웃의 구성: 8x100G 광검출기, 실리콘-실리콘 나이트라이드 트랜지션, 에지 커플러(광커플링 소자), 실리콘 광도파로, 실리콘 나이트라이드 광도파로
- 실리콘 기반 0.8Tbps 광송수신 칩 레이아웃 설계에는 RF 및 DC 전기신호와 연결을 위해 플립-칩 본딩을 고려하여 금속 패드 접속부가 형성되어 있음
- 실리콘 기반 0.8Tbps 광송수신 칩 레이아웃 설계에는 광신호와 연결을 위해 8채널의 광섬유 어레이 블록과 본딩을 고려하여 에지 커플러 어레이가 형성되어 있음
- 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 Nvidia, InnoLight, Cisco, Intel, Broadcom, GlobalFoundries, Tower Semiconductor 등이 실리콘 포토닉스 기술을 내재화 하여 800Gbps, 1600Gbps 광트랜시버 및 광모듈을 제작하여 데이터센터 광트랜시버 시장을 선도해 나가고 있음
- 반면 국내 광트랜시버, 광모듈 및 광부품 업체에서는 개별 단위부품의 정렬?조립 기술 수준에 머물러 있어 생산공정이 복잡하여 전송용량, 상면적 및 생산성/저가화 측면에 한계에 도달하였음
- ’실리콘 기반 0.8Tbps 광송수신 칩 레이아웃 설계 기술‘ 기술이전을 통하여 국내 광트랜시버, 광모듈 및 광부품 업체의 실리콘 기반 광송수신 칩 기술 수준을 국외 경쟁업체들과 동등하도록 하고 데이터센터 광트랜시버 시장 점유율을 높이는데 기술이전의 목적이 있음
(1) 기존의 개발 단위부품의 정렬 및 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, 전자소자와 광소자의 단일집적 및 이종집적을 통한 소형화, 소자 반복 배치를 통한 대용량화를 가능하게 함
(2) 본 ’실리콘 기반 0.8Tbps 광송수신 칩 레이아웃 설계 기술‘은 실리콘 포토닉스 파운드리에서 제공하는 PDK (Process Design Kit) 광소자들을 배치하고 실리콘 광도파로 및 금속선을 배선하여 8x100Gbps PAM-4 (Pulse Amplitude Modulation-4 level) 전기신호를 광신호로 변환하는 광송신 기능과 8x100Gbps PAM-4 광신호를 전기신호로 변환하는 광수신 기능을 제공하는 레이아웃 설계 기술임
- 본 레이아웃 설계 기술은 56Gbaud 실리콘 마하젠더 광변조기 PDK 소자를 포함하여 100Gbps PAM-4 전기신호를 입력받아 100Gbps PAM-4 광신호로 변조 가능함
- 본 레이아웃 설계 기술은 56Gbaud 실리콘 마하젠더 광변조기 PDK 소자의 동작점 제어(Quadrature Point 설정)를 위한 고효율의 듀얼 써모옵틱 위상천이기를 포함함
- 본 레이아웃 설계 기술은 광변조기 입력 광파워 및 광변조기 동작점을 제어하기 위해 두 개의 모니터링 광검출기를 포함하여 패키지 단계에서 확인할 수 있는 모니터링 기술을 제공함
- 본 레이아웃 설계 기술은 실리콘 기반 광송수신 칩과 전자소자 칩이 이종집적이 용이하고 인터포저 서브기판과 패키징을 가능하게 하는 UBM (Under Bump Metallization)을 포함하는 플립-칩 본딩용 금속 패드 설계를 제공하고 금속 패드 배치 및 금속선 배선을 최적화함
- 본 레이아웃 설계 기술은 실리콘 기반 0.8Tbps 광송수신 칩의 에지 커플러 어레이와 외부 광섬유 어레이 블록 (Fiber Array Block)의 결합/패키징에 용이한 구조를 제공하며 넓은 파장에 걸쳐 낮은 편광의존손실 특성을 제공함
- 본 레이아웃 설계 기술은 실리콘 나이트라이드 광도파로 및 실리콘-실리콘 나이트라이드 트랜지션 소자를 포함하여 최소의 광전파손실 성능을 제공함
(1) 실리콘 기반 0.8Tbps 광송수신 칩 레이아웃 설계 기술
- 실리콘 포토닉스 광송수신 소자 레이아웃 배치 및 배선 설계
> 8채널 광변조기 어레이 레이아웃 배치 및 배선 설계
> 광송신 성능 제어 소자 레이아웃 배치 및 배선 설계
> 광송신 모니터링 소자 레이아웃 배치 및 배선 설계
> 8채널 광검출기 어레이 레이아웃 배치 및 배선 설계
> 전기적 I/O 인터페이스 설계 (플립-칩 본딩 기반 금속 패드)
> 광학적 I/O 인터페이스 설계 (실리콘 에지 커플러 기반)
(1) 기술문서
- 요구사항정의서, 시험절차/결과서, Technical Memo
(2) 하드웨어
- 실리콘 기반 0.8Tbps 광송신 칩 레이아웃 설계 파일(.gds)
- 실리콘 기반 0.8Tbps 광수신 칩 레이아웃 설계 파일(.gds)
- 실리콘 기반 0.8Tbps 광송신 칩 기능 블록 다이어그램(.pdf)
- 실리콘 기반 0.8Tbps 광수신 칩 기능 블록 다이어그램(.pdf)
- 실리콘 기반 0.8Tbps 광송수신 칩 공정 SOW (Statement of Work) 파일(.pdf)
- 기술이전 기업 시제품 제작을 위한 광송수신 블록 레이아웃 설계 지원
> 실리콘 기반 0.8Tbps 광송수신 칩 레이아웃 설계 교육
> 실리콘 기반 광송수신 블록 레이아웃 설계 지원
> 실리콘 포토닉스 파운드리(GF) PDK 검토
> 실리콘 포토닉스 공정 SOW (Statement of Work) 정립 및 문서작성 지원
> 실리콘 기반 광송수신 칩 성능 시험 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
● 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) 광 클라우드를 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
■ 경제적, 상업적 측면 기대효과
● (광소자/모듈 원천기술 자립을 통한 국가 산업/기술 경쟁력 확보) 광통신 및 이더넷 시스템의 핵심 소자/부품에 대한 원천기술 자립 기반 마련. 국내 광통신 산업/기술 경쟁력 제고 및 실리콘 포토닉스 산업 생태계 구축
● (첨단 신산업 및 융합 산업 개척) 데이터센터, 프론트홀/백홀과 같은 직접 시장 외, 고속·대용량 광연결 기술을 필요로 하는 XPU간 인터페이스, CPU-Memory 인터페이스, Optical HDMI , 항공/선박 광통신망, 스마트 시티 등의 간접(응용) 시장 확대 가능
● (포토닉스 기술 경쟁력 제고) 포토닉스 기술이 적용된 혁신적이고 차별화된 핵심 기술 확보에 따른 국내 기업체의 기술력 및 시장 경쟁력을 제고