ETRI, 빛을 이용한 초고속 광입출력 반도체 개발

ETRI, 빛을 이용한 초고속 광입출력 반도체 개발

- 기존 전기적 연결 한계 극복, 100Gbps 성능에 크기는 20% 수준

- 저비용, 소형화로 차세대 데이터센터, 고성능 컴퓨팅 등 활용 기대

국내 연구진이 반도체를 기존 전기적 신호가 아닌, 빛으로 연결하는 광반도체(실리콘 포토닉스) 핵심 기술을 개발했다.

4차 산업혁명의 시대, 폭증하는 데이터 트래픽을 수용하고, 광통신 시대를 선도하는 데 큰 도움이 될 전망이다.

한국전자통신연구원(ETRI)이 차세대 데이터센터, 고성능 컴퓨팅 네트워크에서 1초에 100기가(100Gbps)의 데이터를 전송할 수 있는 실리콘 포토닉스 광반도체 칩과 관련 모듈을 개발했다고 밝혔다. 

그동안 활용했던 초고속 광통신 모듈의 경우, 여러 개별 광소자들을 조립·패키징하는 방식으로 제작하여, 채널(데이터를 입·출력하기 위해서 필요한 물리적인 장치 혹은 물리적 수단)이 증가할수록 비용이 증가하고 전송용량 증대와 장비 소형화에 어려움이 있었다. 

또한, 전기신호로 데이터를 입·출력할 경우, 대역폭 한계와 과도한 소모전력으로 채널당 50Gbps 수준, 전송 거리 수십 cm 정도의 한계가 있었다. 

하지만, ETRI 연구진이 개발한 광반도체 기술을 활용하면 저비용으로도 전송용량과 거리를 획기적으로 높일 수 있다.

연구진이 개발한 실리콘 광 송신 칩은 2.9x7.3mm, 광 수신 칩은 2.9x3.4mm의 크기로, 기존의 개별 광소자 조립 방식 대비 20% 수준으로 소형화가 가능하다.

이러한 소형화를 통해 여러 광소자를 하나의 칩으로 집적, 데이터센터, 고성능 컴퓨팅, AI 네트워크에서 데이터가 증가함에 따라 발생하는 전자 반도체 칩의 통신 입·출력 성능 확장 문제를 해결할 수 있다.

반도체의 성능도 획기적으로 개선했다.

연구진의 광반도체 칩을 이용할 경우, 채널당 100Gbps의 속도로 2km까지 전송할 수 있다. 기존 전자 반도체 칩 전송속도의 2배 수준이다.

ETRI는 저전압으로 채널당 100Gbps 속도로 데이터 전송이 가능한 세계 최고 수준의 실리콘 광변조기(전기신호 데이터를 입력받아 광신호에 데이터를 싣는 소자)와 전계 강도(전기장의 세기를 단위 면적당 에너지로 표시한 것)를 높여 고속 동작이 가능한 독창적 구조의 광검출기(빛의 신호를 검출하여 전기적인 신호로 바꿔주는 역할을 하는 소자), 초고속 신호처리 및 신호 무결성 회로 설계 기술을 통해 이번 성과를 낼 수 있었다고 밝혔다. 

연구진은 이번에 개발한 광반도체 핵심기술을 활용, ㈜오이솔루션과 함께 데이터센터에서 2km 전송이 가능한 100Gbps 광트랜시버 모듈을 공동으로 개발했다.

또한, 4개 채널을 연계해 400Gbps급 성능을 내는 광인터커넥션 모듈도 함께 개발해 활용성을 검증했다.

이번 성과는 그 연구 우수성을 인정받아 광통신 분야 최고 권위지인 옵팁스 익스프레스(Optics Express IF: 3.561, 상위 20% (https://opg.optica.org/oe/fulltext.cfm?uri=oe-30-23-41980&id=513711 외))에 5편의 논문이 게재되었으며, 국내외 특허 출원 35여 건, 기술이전 3건 등 광반도체 관련 연구를 주도하고 있다.

ETRI 김선미 네트워크연구본부장은“본 기술은 초고속 대용량 광연결을 이루는 핵심 기술이다.

클라우드, 인공지능 및 초실감 미디어 서비스 등에 필요한 광 기술을 선도적으로 개발해 향후 테라비트 속도의 빛으로 연결되는 시대의 주역이 되겠다”라고 말했다. 

㈜오이솔루션의 이원기 부사장은 “데이터센터는 초고속 고집적 광통신 기술이 필요하고 기술적 장벽이 높아 국내기업이 진출하기 어려운 시장이다.

본 기술개발을 통해, 가장 큰 광통신 시장인 글로벌 데이터센터 시장에 진출하기 위한 실리콘 포토닉스 원천기술을 확보하게 되었다.”고 밝혔다.

연구진은 향후, 광반도체 칩의 채널당 속도를 200Gbps, 전송용량도 1.6Tbps까지 향상시키는 한편 소모전력은 기존의 절반 이하, 크기는 약 1/9 이상으로 줄이기 위한 후속 연구를 추진할 예정이다.

본 기술은 과학기술정보통신부 “광 클라우드 네트워킹 핵심기술 개발”의 일환으로 개발되었다.