○ 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