- 본 기술은 “400G 코히어런트 광트랜시버 기술개발” (사업번호: 22-0-00584, 실행 과제번호: 22HB3510) 에서 보유되었으며, 과제결과물 중 하나인 “좁은선폭의 고출력 파장가변 반도체 레이저 칩 기술“ 이전을 통해 파장가변 광원칩의 핵심기술을 이전하고자 함.
- 본 기술이전 내용은 업체 요구사항을 만족하는 소자구조 (동작) 설계기술과 칩 구현을 위한 공정 (마스크) 설계기술을 포함한다.
? 본 기술은 하이퍼스케일, 데이터센터 연결(data center interconnection, DCI), 5G 백홀 광전송 네트워크 용으로 활용되는 코히어런트 광트랜시버에서 광원부에 해당하는 ?-iTLA (micro-integrable Tunable Laser Assembly)에 장착된 파장가변 광원칩 (tunable LD chip)에 대한 내용으로, 단일집적형 DBR (distributed Bragg reflector, 분포 브라그 반사형) 기반 파장가변 광원에서 저선폭 고출력 동작을 얻기 위한 설계기술임.
? 수행과제에서 파장가변 레이저 칩은 300 kHz의 좁은 선폭과 40채널 이상의 C-band 대역의 동작영역 및 100 GHz의 채널 간격을 가지며 최고 출력이 16 dBm 이상인 반도체 칩의 성능을 요구함.
? 400G급 고속 대용량 신호를 장거리 전송하기 위해서는 저선폭을 가진 파장가변 광원을 이용한 코히어런트 기반 트랜시버가 요구되며, 관련 형태는 크게 광원부, 변조부, 수신부, 신호처리부로 구성
? 광원부는 파장가변 광원이 장착된 송신단에서 연속파 입력 및 수신단에서 로컬 오실레이터 역할을 담당하고, 통상 300~500 kHz 이하의 저선폭특성과 다수의 분기로 인해 13~16 dBm 이상의 출력을 요구
? 변조부는 입사광의 편광을 분리시켜 각각의 IQ (In-phase quadrature phase) 변조기로 멀티레벨 변조 (multi-level modulation)를 시켜 QAM(quadrature amplitude modulation) 신호로 구현시키고PBC(polarization beam combiner)에서 두 편광 성분을 합쳐서 DP(dual polarization)-QAM 신호를 생성
? 수신부는 수신 신호로부터 로컬 오실레이터와 90도 하이브리드를 활용한 코히어런트 검출을 통해 전기 신호로 변환
? 신호처리부는 변환된 전기신호에 대해 DSP(digital signal processor)에서 편광 제어, 분산 보상, 비선형성 등의 보상 및 각종 FEC(forward error correction) 과정을 통해 원래의 전기신호로 복원
? 본 사업에서 사업개발 아이템 중 저선폭, 고출력 파장가변 레이저는 400G 코히어런트 트랜시버를 구성하는 핵심부품으로서 향후 수요가 크게 증가할 것으로 예상하며, 전 세계적으로 소수 업체가 수직적 통합에 의해 자체 생산 및 수요 혹은 제한적으로 판매하고 있는 실정임.
? 본 기술이전의 대상인 파장가변 레이저 설계는 파장가변 반사기로 동작하는 2개 이상의 반사부, 이득부, 증폭부, 모드크기 변환기 등이 서로 다른 도파로 형태로 집적되어 있어, 소자 동작 및 제작 설계가 매우 복잡함.
? 본 사업에서는 소자 동작설계를 위해 축방향 결합 파동방정식 (longitudinal coupled wave equation)에 의거해서 자체 개발된 정밀한 시뮬레이션 툴로 수행하여 설계하였으며, 소자 제작 마스크 설계를 위해 각 수행 공정별 마스크 레이아웃을 설계를 하였으며, 주요 공정에 대해서는 테스트 마스크를 통해 성능 검증을 수행하였음.
본 기술은 C-band 내에 35nm 파장가변 범위, 40mW 이상의 고출력, 300kHz 이하의 선폭을 제공해 줄 수 있는 SG-DBR-LD 설계구성과 함께 ETRI 화합물 실험실 공정에 따른 제작마스크 구성과 세부공정 recipe 를 제공함으로, 국내 업체가 능동적으로 소자개발을 할 수 있는 기술을 제공할 수 있다.
1) 기술명: 좁은 선폭의 고출력 파장가변 반도체 레이저 칩 기술
2) 세부 기술: SG-DBR-LD 구조 및 제작 설계 결과
- C-band 파장대역 (1530-1565nm)내 활성층 구성
- 출력광의 세기 40mW의 광증폭기 집적 형태
- 파장가변 범위 35nm 이상의 마이크로 히터 구성
- 선폭 300KHz 이내 동작의 SG-DBR 칩 구성
1) ETRI 파장가변 광원 설계구조
- SG 구조 설계 변수 및 소자 길이 정보
- 동작구조 및 해석결과
2) 공정 마스크 및 공정도
- 제작 마스크 도면
- 제작 공정도 (필요시 사용 Runsheet (TM 등록후) 제공)
3) 요구사항 만족 및 반영 DBR-EAM 구조 및 솔루션 제공
- 추가 요구사항 반영구조에 대해 설계 (1회)
- 도파로 구조 및 제작형태/공정 방법 제공
4) 기술이전 일정 계획
- 기간: 2023. 4. 1 ~ 2023. 6. 30
? 코히어런트 통신분야에 적용가능하며, 해외 의존도가 높고 고부가가치인 파장가변 레이저 칩을 국내에서 상용화하면 수입대체 효과 뿐만 아니라, 다양한 통신망에서의 독자적 기술 개발이 가능
? 파장가변광원은 통신용 외에도 다양한 응용분야 (SS-OCT, AOI, FMCW Lidar, 센서 등)들이 존재하고 있으며, 광융합/복합 산업의 핵심부품으로 성장할 잠재력이 매우 높은 품목임.
? 세계적으로 수직계열 인수합병을 통해 칩 수급이 어려워지고 있는 상황에서, 전적으로 해외에 의존하고 있는 코히어런트용 광트랜시버를 개발함으로서 기 개발된 핵심 광부품의 시장에 진입하여 관련 연구개발의 활성화를 이루고, 상용화 경험을 보유한 업체에서 이를 수행해서 시장요구에 대응하는 제품개발을 통해 국내시장 활성화 뿐 아니라, 세계시장 진입도 가능할 것으로 판단됨.
? 국내업체의 칩 제작 및 모듈 기술에 대해 ETRI의 개발 기술을 결합하여 요구조건에 만족하는 국내솔루션 개발의 성공 가능성 높음.