실리콘 광자공학 기술이란?

실리콘 광자 기술: 고속 상호 연결 분야에서 칩 수준 광 혁명을 선도합니다.

I. 실리콘 광자공학 기술이란 무엇인가요?

실리콘 포토닉스 기술은 실리콘 포토닉스라고도 불리며, 성숙한 실리콘 기반 반도체 공정을 활용하여 광전자 소자를 칩에 통합하여 광학 신호를 사용하여 정보를 전송, 처리 및 계산할 수 있는 최첨단 기술입니다.

이 연구의 핵심 비전은 실리콘 웨이퍼에 소형화된 "광학 경로 시스템"을 구축하여 빛으로 전기를 대체하거나 보조함으로써 기존 전기적 상호 연결의 속도 및 전력 소비 병목 현상을 극복하는 것입니다.

실리콘 광자공학 기술을 이해하려면 다음 세 가지 핵심 사항만 이해하면 됩니다.

1. 물질적 기초: 유비쿼터스 실리콘

실리콘 광자공학 기술은 실리콘을 핵심 소재로 사용하는데, 이는 두 가지 고유한 장점을 제공합니다.

• 비용적 이점 : 실리콘은 지구 지각에서 두 번째로 풍부한 원소로, 인듐 인화물 및 갈륨 비소화물(III-V 화합물)과 같은 기존 광통신 소재보다 원자재 비용이 상당히 낮습니다.

• 생태계 이점 : 전 세계 집적 회로의 90% 이상이 실리콘 CMOS 공정을 기반으로 합니다. 즉, 실리콘 포토닉스 기술은 새로운 생산 라인을 처음부터 구축할 필요 없이 기존의 광범위하고 첨단화되었으며 지속적으로 비용이 최적화된 반도체 공급망을 직접 활용할 수 있습니다.

기술이 발전하고 생산량이 확대됨에 따라 실리콘 광자 칩의 비용은 더욱 낮아질 것으로 예상됩니다.

2. 기술적 핵심: 극한의 통합

기존의 광 모듈은 "조립" 방식으로 제작됩니다. 레이저, 변조기, 검출기와 같은 개별 장치는 먼저 개별적으로 제조된 후 복잡한 패키징 공정을 통해 상호 연결되어야 합니다.

이와 대조적으로, 실리콘 포토닉스 기술은  CMOS 공정을 활용하여 단일 실리콘 기판에 다양한 광 소자를 모놀리식 집적화  합니다   . 이는 마치 흩어진 "마당"을 조밀한 "고층 빌딩"으로 바꾸는 것과 같습니다. 이를 통해 광 신호가 칩 내에서 효율적으로 흐르도록 하여 집적 밀도를 크게 향상시킵니다. 이러한 장점은 높은 대역폭과 작은 크기를 추구하는 데이터 센터 광 모듈에 매우 중요합니다.

3. 근본적인 원동력: 광 신호의 고유한 장점

단거리 고속 데이터 전송에서 전기 신호는 급증하는 전력 소비, 속도 병목 현상, 전자기 간섭과 같은 문제에 직면합니다.

그러나 광 신호는 높은 대역폭, 낮은 지연 시간, 낮은 전력 소모, 전자기 간섭에 대한 면역성 등의 고유한 특성을 가지고 있습니다.

실리콘 광자공학 기술의 본질은 광 신호의 성능적 이점과 실리콘 소재의 제조적 이점이 완벽하게 융합된 것입니다.

II. 실리콘 광자 기술의 전형: 실리콘 광자 트랜시버

실리콘 포토닉스 트랜시버는 실리콘 포토닉스 기술의 가장 전형적이고 성숙한 제품 형태입니다. 이는 본질적으로 실리콘 포토닉스 칩을 사용하는 차세대 광통신 모듈로, 앞서 언급한 고집적 특성을 그대로 구현합니다.

광 트랜시버의 개략도

기존 광 모듈과의 핵심 차이점:

• 기존 광 모듈 : 개별 패키징을 사용하여 독립적으로 제조된 여러 개의 광학 장치를 "조립"합니다.

• 실리콘 광자 트랜시버 : 광파관, 변조기, 검출기와 같은 수동 및 능동 장치를  단일 칩 에 통합하여 칩 수준의 "광 경로 시스템"을 실현합니다.

이러한 근본적인 구조적 차이점은 실리콘 광자 트랜시버에 상당한 이점을 가져다줍니다.

• 높은 통합 밀도 : 칩 수준의 광자 통합을 달성하여 "광전 융합"의 기반을 형성합니다.

• 저비용 잠재력 : 실리콘 소재는 저렴하고 CMOS 공정과의 호환성 덕분에 대규모 저비용 제조가 가능합니다.

• 낮은 전력 소비 가능성 : 높은 통합으로 인해 장치 간 연결로 인한 에너지 손실이 줄어들고 TEC와 같은 구성 요소가 필요하지 않은 경우가 많습니다.

• 높은 대역폭 밀도 : 크기가 작다는 것은 동일한 장비 패널 영역에 더 많은 포트를 배치할 수 있다는 것을 의미하며, 이를 통해 전반적인 대역폭 용량이 증가합니다.

실리콘 광자공학 기반 100Gbps 광 모듈의 예

III. 기회와 과제: 실리콘 광자 트랜시버의 현재 상태

실리콘 광자 트랜시버는 급속히 발전하고 있지만 여전히 몇 가지 핵심 과제에 직면해 있으며, 특히 기술, 제조 및 산업 생태계 수준에서 두드러집니다.

1. 근본적인 기술적 과제

• 광원 통합 과제 : 실리콘은 간접 밴드갭 물질이므로 자체적으로 효율적으로 빛을 방출할 수 없습니다. 모듈은 외부 III-V 재료(예: 인듐 인화물) 레이저에 의존해야 합니다. 고효율, 저손실, 높은 정렬 정확도를 갖춘 레이저를 실리콘 광자 칩에 효율적으로 통합하는 것은 오랜 기술적 난제입니다. 웨이퍼 본딩이나 이산 마운팅과 같은 주류 기술은 대량 생산을 위해 공정 복잡성과 생산 수율 개선이 여전히 필요합니다.

• 장치 성능 상충 관계 : 실리콘 기반 변조기는 대역폭, 구동 전압, 선형성 측면에서 기존 인듐 인화물 또는 리튬 니오베이트 변조기와 비교했을 때 여전히 성능 차이가 있습니다. 예를 들어, 채널당 200Gbps를 초과하는 고속 변조를 구현할 때 높은 효율과 낮은 전력 소비를 달성하는 것이 주요 기술적 목표입니다.

• 신호 전송 손실 및 열 관리 : 실리콘 도파관의 전송 손실과 광섬유와 나노 스케일 실리콘 도파관 간의 결합 손실은 모듈 성능에 영향을 미치는 주요 요인입니다. 또한, 온도가 소자 전력 및 파장 안정성에 미치는 영향이 크기 때문에 데이터 센터와 같이 온도 변동이 심한 환경에서 시스템의 장기적인 신뢰성을 확보하는 데 어려움을 겪습니다.

2. 제조 및 공급망 성숙도 과제

• 공정 복잡성 및 수율 향상 : 실리콘 포토닉스 공정은 여러 광학 및 전기 도메인의 복잡한 통합을 수반하여 제조 복잡성이 높습니다. 성숙한 CMOS 로직 칩 제조와 비교할 때, 실리콘 포토닉스 공정 기술은 아직 성숙 단계에 있습니다. 수율과 신뢰성 향상에는 여전히 과제가 남아 있습니다. 예를 들어, 계절과 장비 상태에 따라 온도와 습도가 자주 변동하는 데이터 센터 운영 환경에서 실리콘 포토닉스 소자의 신뢰성 부족은 성능 저하, 고장 또는 손상으로 이어져 전체 데이터 센터 네트워크의 안정성에 영향을 미칠 수 있습니다.

• 제한된 고급 제조 자원 : IMEC과 TSMC와 같은 주요 파운드리 업체들이 실리콘 포토닉스 제조 서비스를 제공하고 있지만, 생산 능력과 지원 수준은 여전히 ​​기존 전자 칩에 비해 부족합니다. 성숙한 공정 설계 키트(PDK)와 표준화된 제조 흐름은 대량 생산에 필수적이지만, 아직 완성 단계에 있습니다.

• 복잡한 테스트 공정과 높은 비용 : 광전자 칩 테스트 공정은 본질적으로 복잡하고 비용이 많이 들며, 수많은 제조 단계를 포함하고, 공정 복잡성이 높으며, 높은 불량률을 보입니다. 웨이퍼 레벨에서 사전 테스트 및 스크리닝을 수행해야 하므로 추가적인 공정 단계와 비용이 발생합니다.

상업용 반도체 공장에서 처리되는 단일 웨이퍼에 여러 개의 실리콘 광자 소자

3. 산업 생태계 및 표준화 과제

• 다양한 기술 경로, 표준 부족 : 기존 광 모듈에 비해 실리콘 포토닉스 트랜시버는 표준화 수준이 낮으며, 산업 체인 성숙도 개선이 필요합니다. 실리콘 포토닉스 분야는 상당한 기술적 다양성을 보입니다. 다양한 고객사가 고유한 기술 경로를 채택하는 경우가 많습니다. 파이버 어레이 선택(예: 250um vs. 127um 파이버 어레이), 도파관 유형 차이(예: Si 도파관 vs. SiN 도파관), 광검출기 및 변조기(예: Ge 광검출기, MZM, MRM)와 같은 다양한 부품이 사용됩니다. 각 부품은 개별적인 성능 및 신뢰성 검증이 필요하며, 이는 실리콘 포토닉스 기술의 산업화 난이도를 크게 높이고 양산 및 도입을 저해합니다.

• CPO 기술의 새로운 과제 : 공동 패키지 광학(CPO)은 큰 가능성을 가지고 있지만, 제조상의 어려움과 전력 소비량 감소라는 목표를 넘어 최종 사용자는 CPO를 지속적인 비용 절감을 위한 효과적인 솔루션으로 받아들여야 합니다. 초기 제품은 자체 설계를 기반으로 하기 때문에, 일반적으로 자체 서버, 스위치 및 모든 상호 연결 솔루션을 설계하는 대형 클라우드 기업에게는 도입에 큰 장벽이 될 수 있습니다. 대규모 CPO 구축을 지원하는 경쟁력 있는 생태계를 구축하는 데는 아직 시간이 필요합니다.

IV. 응용 시나리오 및 개발 동향

전기 연결 길이, 전력 효율 및 전기 연결 유형 간의 관계

현재 핵심 애플리케이션 시나리오

• 데이터 센터 내부 상호 연결 : 이는 실리콘 광 트랜시버 시장에서 가장 크고 성숙한 시장입니다. 특히 단거리(예: 500m) 400G/800G /1.6T 광 모듈에서 실리콘 광 솔루션은 고밀도, 저전력 소모, 그리고 비용 잠재력으로 인해 주류로 자리 잡았습니다. AI 컴퓨팅 수요 급증과 함께 고속 광 상호 연결에 대한 실리콘 광 솔루션의 성장 동력이 특히 강력합니다.

• 통신 네트워크 : 5G 프런트홀, 광역 네트워크, 파장 분할 다중화(WDM) 시스템과 같은 분야에서 실리콘 광자 모듈은 점차 시장에 침투하여 통합의 이점과 잠재적인 비용상의 이점을 활용하고 있습니다.

• 떠오르는 고잠재력 시나리오 : 실리콘 포토닉스 기술은 AI 클러스터의 광 상호연결을 지원하는 데 선호되는 기술로 자리 잡고 있습니다. 또한, LiDAR 및 광 양자 컴퓨팅과 같은 분야에서도 응용 잠재력을 보여줍니다.

미래 개발 동향 및 공급업체 환경

• 1.6T 이상을 향한 속도 진화 : 광 모듈 데이터 속도는 400G/800G에서 1.6T 및 3.2T로 발전하고 있습니다. 예를 들어, NVIDIA는 새로운 마이크로링 변조기를 사용하는 세계 최초의 1.6T CPO 시스템을 발표했으며, 관련 실리콘 광 스위치와 광 서브시스템을 출시할 계획입니다.

• 기술 융합: CPO 및 LPO :

  • CPO : 광 엔진을 스위치 칩과 함께 패키징하면 전력 소비와 지연 시간을 더욱 줄일 수 있어 AI 클러스터 스케일업 상호 연결의 고대역폭 요구를 해결하는 핵심 방향이 될 것입니다. NVIDIA 외에도 AMD와 같은 기업들도 인수(예: Enosemi)를 통해 공동 패키징된 광 제품 개발에 박차를 가하고 있습니다.

  • LPO : 신호 컨디셔닝을 간소화하는 선형 구동 플러그형 광학(LPO) 방식 또한 특정 단거리 애플리케이션에서 주목을 받고 있습니다. 실리콘 포토닉스 기술과 결합되어 시장 점유율 확대에 기여하고 있습니다.

• 기술 연구개발 및 산업 협력 진행 상황 :

  • EU STARLight 프로젝트 : STMicroelectronics가 주도하고 유럽 집행위원회가 지원하는 주요 프로젝트입니다. 2028년까지 300mm 실리콘 포토닉스 칩 양산 라인을 구축하고, 채널당 200Gbps 이상의 데이터 전송 속도를 지원하는 기술을 개발하며, 데이터 센터, AI 클러스터, 통신, 자동차 시장에 집중하는 것을 목표로 합니다.

  • 인텔 : 실리콘 포토닉스 기술의 선구자 중 하나인 인텔은 오랫동안 이 분야에 투자해 왔으며, 이를 미래 비전의 핵심 요소로 여깁니다. 플러그형 광 모듈 사업은 매각되었지만, 실리콘 포토닉스 R&D 및 CPO와 같은 미래 지향적 분야에서 축적된 전문성은 여전히 ​​영향력을 발휘하고 있습니다.

  • 시스코 시스템즈 : 실리콘 광자 모듈 분야의 세계적인 선두 기업 중 하나인 시스코는 시장 지위와 기술 투자를 통해 데이터 센터 네트워크에서 실리콘 광자 기술의 응용과 개발을 지속적으로 촉진하고 있습니다.

• 시장 규모 및 점유율 성장 : 시장조사업체 LightCounting은 광 트랜시버 시장에서 실리콘 포토닉스 기술의 시장 점유율이  2025년 30%에서 2030년 60%로 증가할 것으로 예측합니다. Yole Intelligence는 실리콘 포토닉스 모듈 시장의 글로벌 매출이 2029년까지 103억 달러 에 달할 것으로 전망하며   , 연평균 성장률(CAGR)은 최대  45% 에 달할 것으로 예상합니다 .