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InAlGaAs IA-EML 광소자 칩 기술

전수책임자
권오균
참여자
권오균, 김남제, 김호성, 박미란, 이승철, 한원석
기술이전수
1
이전연도
2023
협약과제
20HB5100, 언택트서비스용 대용량 트래픽 전송을 위한 5G 프론트홀 광송신 모듈 기술 개발, 권오균
21HB2300, 언택트서비스용 대용량 트래픽 전송을 위한 5G 프론트홀 광송신 모듈 기술 개발, 권오균
21HB3800, 모바일/인터넷 액세스 광 링크용 NRZ 50G/PAM4 100G급 광소자 부품 기술 개발, 권오균
22HB3100, 모바일/인터넷 액세스 광 링크용 NRZ 50G/PAM4 100G급 광소자 부품 기술 개발, 권오균
22HB3800, 언택트서비스용 대용량 트래픽 전송을 위한 5G 프론트홀 광송신 모듈 기술 개발, 권오균
○ 5G/5G+ 이동통신 기지국용 광소자부품 및 통신모듈 개발 필요성
- 2019년부터 5세대 이동통신망 (5G) 구축 및 상용화가 본격화 되었으며, 이를 계기로 기지국용 광링크 전송속도가 기존 2.5~10Gb/s에서 25Gb/s로 전환
- 지속적인 모바일 통신데이터 수요 증대는 5G 기지국의 확대와 5G+급의 기지국 성능의 향상을 요구함
- 20km 거리지원과 파장당 전송속도/변조속도 증대는 분산이 적은 O-band 대역 활용의 증대, 광신호 chirp 특성과 분산 특성은 직접변조 광소자보다는 외부변조 광소자의 활용 비중의 증대를 불러옴
- 향후, 5G+진화에 따른 파장당 50Gb/s 전송속도는 직접변조 광소자의 한계로 EML 기반 개발이 예상됨
- 5G 확장 및 5G+ 고도화에는 이동통신사업자에게 초기 포설비용 및 유지관리비용 증대 등의 부담이 커짐. 투자대비 수익성 개선을 위해서는 차세대 이동통신 광링크 요구 규격을 만족하는 소자의 성능과 기지국용 광모듈의 인프라 구축의 경제성 만족이 요구됨
○ 5G/5G+ 이동통신 기지국용 광소자부품 및 통신모듈 개발 필요성
- 2019년부터 5세대 이동통신망 (5G) 구축 및 상용화가 본격화 되었으며, 이를 계기로 기지국용 광링크 전송속도가 기존 2.5~10Gb/s에서 25Gb/s로 전환
- 지속적인 모바일 통신데이터 수요 증대는 5G 기지국의 확대와 5G+급의 기지국 성능의 향상을 요구함
- 20km 거리지원과 파장당 전송속도/변조속도 증대는 분산이 적은 O-band 대역 활용의 증대, 광신호 chirp 특성과 분산 특성은 직접변조 광소자보다는 외부변조 광소자의 활용 비중의 증대를 불러옴
- 향후, 5G+진화에 따른 파장당 50Gb/s 전송속도는 직접변조 광소자의 한계로 EML 기반 개발이 예상됨
- 5G 확장 및 5G+ 고도화에는 이동통신사업자에게 초기 포설비용 및 유지관리비용 증대 등의 부담이 커짐. 투자대비 수익성 개선을 위해서는 차세대 이동통신 광링크 요구 규격을 만족하는 소자의 성능과 기지국용 광모듈의 인프라 구축의 경제성 만족이 요구됨

○ Identical active 구조 및 InAlGaAs 기반의 EML 개발의 기술적 이슈
- 옥외 기지국 적용에 따른 고온특성 및 Opex절감을 위한 소모전력 저감화
; 종래의 InGaAsP 물질계를 대체하는 InAlGaAs 물질계 활용
; 광이득 특성, 정특성 및 동특성의 우수한 고온 특성
- 광원기능부와 광변조부를 하나의 칩 die에 집적하기 위한 butt-joint 기술적 난이도
; butt-joint 재성장은 EML 광소자 칩 공정 단계가 길어지며, 관련 공정단계에서의 공정 난이도 이로 인한 칩 수율 등의 난제로 칩 가격 상승을 일으킴
; 우수한 물성의 InAlGaAs 물질계는 특히 butt-joint 기술을 적용하는데 어려움이 큼
; Identical active 구조는 광원부와 광변조부의 활성층을 동일하게 사용함으로써 공정단계를 매우 간소화 할수 있어, 궁극적으로 칩 가격 경쟁력 확보가 기대됨
; InAlGaAs 물질은 identical active 구조 적용에 매우 유리하며, 개별 최적화 방법인 butt-joint InGaAsP 구조대비 IA 구조의 InAlGaAs 물질계가 충분한 경쟁력 확보 가능
; IA구조로 인한 insertion loss, 동작조건의 trade-off 설계 및 InAlGaAs 물질계 기반의 광소자 칩의 신뢰성 확보가 중요
- 변조 주파수 확보를 위한 parasitic capacitance 및 누설 전류 최소화
; short length, high extinction ratio modulator Epi 구조 및 Fab 공정 설계
- 고정 전류 구동하는 laser 출력 및 파장의 Back-reflection 영향성 감소
; laser cavity 내 optical mode 안정화를 위한 DFB (distributed feedback) 설계
- 고속 변조시 chirp 측정 기술, modulator 구동 조건별 chirp 변화 및 전송에 따른 분산 특성 분석 등이 요구됨
○ IA-EML (Identical-active Elctro-absotptive Modulated Laser) 소자 구조 및 원리
- 고정 전류 laser와 전압에 따라 광 흡수율 변하는 변조기 집적 소자
- laser 전류 직접 변조 대비, 변조 신호의 파장 떨림 (chirp)이 작기 때문에 장거리 전송 시 광섬유 내 분산에 의한 신호왜곡을 줄일 수 있음.

○ InAlGaAs 에피 활성층 기술
; 고품위 InAlAs-InGaAs 화합물 반도체 기반의 활성층 기술 확보
; 광이득특성, 정특성 및 동특성의 우수한 고온 특성 (IT-grade)
; 저전력 광소자 부품

○ Identical active 기반의 EML chip 구조 설계 기술
: Laser 및 modulator용 InAlGaAs 활성층을 동일하게 사용
: IA-활성층 최적화 설계 기술
: Butt-joint free기술로 소자 구도 단순화

○ InAlGaAs IA-EML Chip 설계 및 제작 공정 개발
; 저손실, 고속 IA-EML 광소자 칩 설계 기술
; InAlGaAs IA-EML 소자 제작 기술 개발
; 광소자 칩 신뢰성 연구
; DFB laser 및 EAM (electro-absorption modulator) 집적화 기술 연구
; IA-EML 구조 최적화 PIC 기반 기술

○ InAlGaAs IA-EML 특성 최적화
- Modulator & DFB IA 적용을 위한 특성 최적화
; EAM (electro-absorption modulator) 적용 활성층 성장/특성 평가 기술
; High strained Multiple quantum well 설계
; Lumped electrode 기반의 고속 소자 설계
; Low chirp EAM (electro-absorption modulator) 설계
; Grating 선폭 제어 기술 개발
; DFB (distributed feed back) LD 파장 미세 제어 기술 연구
- IA-EML 적용을 위한 특성 최적화를 위한 설계, 단위 공정 및 소자 제작기술
; IA-EML 구조에서 광원, 변조부 및 수동도파로부 최적화를 위한 PIC 기반 기술
□ 기술명: InAlGaAs IA-EML 광소자 칩 기술
° 기술의 특징
; 이동통신 기지국용, 액세스용 및 데이터센터 등을 위한 광링크 지원
(광통신 파장 대역 지원)
; Identical active 구도 기반 EML 구조
; DFB와 EAM가 identical active로 구비된 EML 구조
(집적화를 위해 butt-joint 재성장 기술을 사용하지 않음※)
; 파장당 50Gbps+ 이상을 위한 Lumped 전극구조
; IT-grade 지원을 위한 고온 동작특성
(50oC 이상 소자칩 setting 온도 지원)
※ 본 개발기술의 butt-joint free 특징으로 양산성 기반의 가격 경쟁력 확보로 인한 데이터센터 시장 등 규모의 경제화된 시장영역 적용에 유리

° IA-EML 광소자 칩의 규격 및 성능
; f3dB. min. > 30 GHz @ 50oC, f3dB. max. > 40 GHz @ 50oC
; 신호 소광비 > 6dB @ 50oC
; SMSR > 35dB 이상 @ 50oC
; RIN < -130dB/Hz @ 50oC, NRZ 25Gbps
; 광출력 > 0 dBm @ 50oC, NRZ 25Gbps
1) InAlGaAs Identical-active EML 광소자 칩 기술 (ETRI개발 및 보유 기술)

° 특허기술 통상 실시권 제공
① “동일한 활성 층을 갖는 외부 변조 소자/electro-absorption modulated lasers with identical-active layer”(ETRI관리번호:PR20221106KR: 출원번호: 2023-0025093)

° 기술문서(TM/TDP 및 내부 기술발표자료 등) 제공

° O-밴드내에 단일모드 동작 InAlGaAs IA-EML 광소자 칩 (ETRI 자체개발 구조) 이전 기술 성능 규격 데모
; ETRI자체 기술이전 Q-Mark 심의(요구사항 정의서, 시험절차/결과서)
; ETRI기술개발 수행사업 공인시험서(R&D 시험성적 절차 및 시험 결과서)

2) InAlGaAs IA-EML 광소자 칩 기술 관련 지원
- 기술이전 및 이전기술의 양산 적용을 위한 개발 연구원 파견 및 양산화지원
; 설계 기술, 현장 적용 공정기술 및 시험분석 기술 등

? 기술이전 일정 계획
* 기간: 2023. 5.1 ~ 2023. 5. 31
(1) 기술적 측면
- Laser와 변조기가 포함된 광집적 소자 개발 및 생산 능력 보유
- InAlGaAs를 이용한 광소자 칩 제품 Product의 다양화
- O-/C-band 대역으로 파장 확장 가능
- 기지국용 뿐만 아니라 초고속 광통신용 광소자부품 기술 등에 적용가능

(2) 경제적, 산업적 측면
- 5G/5G+ 무선 통신용 핵심 광원 확보: 국내 산업 경쟁력 확보
- EML 소자의 국산화에 따른 해외 수입 의존 탈피

(3) 사회적 측면
- 5세대 무선 통신망에 도입에 따른 4차 산업 활성화
- 유비쿼터스 통신망 구현으로 정보 통신 사업의 활성화
- 국가적 정보 인프라 업그레이드