광 집적 회로

광 집적 회로(photonic integrated circuit, PIC) 또는 집적 광학 회로는 기능 회로를 형성하는 두 개 이상의 광자 구성 요소를 포함하는 마이크로칩이다. 이 기술은 빛을 감지, 생성, 전송 및 처리한다. 광 집적 회로는 전자 집적 회로에서 사용되는 전자와 달리 광자(또는 빛 입자)를 사용한다. 둘 사이의 주요 차이점은 광 집적 회로가 일반적으로 가시광선 스펙트럼 또는 근-적외선 (850–1650 nm)의 광학 파장에 부과된 정보 신호에 대한 기능을 제공한다는 것이다.

광 집적 회로에 가장 상업적으로 활용되는 재료 플랫폼 중 하나는 인듐 인화물(InP)이며, 이는 동일한 칩에 다양한 광학적으로 활성 및 수동 기능을 통합할 수 있게 한다. 광 집적 회로의 초기 사례는 두 개의 독립적으로 제어되는 장치 섹션(이득 섹션 및 DBR 미러 섹션)으로 구성된 단순한 2섹션 분산 브래그 반사경(DBR) 레이저였다. 결과적으로 모든 현대의 단일 조절 가능 레이저, 광범위하게 조절 가능 레이저, 외부 변조 레이저 및 송신기, 통합 수신기 등은 광 집적 회로의 예이다. 2012년 현재, 장치는 수백 가지 기능을 단일 칩에 통합한다.^[1] 이 분야의 선구적인 연구는 벨 연구소에서 수행되었다. InP에서 광 집적 회로의 가장 주목할 만한 학술 우수 센터는 미국 산타바바라 캘리포니아 대학교, 아인트호벤 공과대학교 및 네덜란드 트벤테 대학교이다.

2005년의 개발^[2]은 규소가 간접 밴드갭 물질임에도 불구하고 라만 비선형성을 통해 레이저 빛을 생성하는 데 사용될 수 있음을 보여주었다. 이러한 레이저는 전기적으로 구동되지 않고 광학적으로 구동되므로 여전히 추가적인 광학 펌프 레이저 소스가 필요하다.

역사

광자학은 광자의 감지, 생성 및 조작 이면의 과학이다. 양자역학과 알베르트 아인슈타인이 1905년에 처음 제안한 파동-입자 이중성 개념에 따르면, 빛은 전자기파와 입자 둘 다로 작용한다. 예를 들어, 광섬유 내의 전체 내부 반사는 도파관 역할을 할 수 있게 한다.

전기 부품을 사용하는 집적 회로는 1940년대 후반과 1950년대 초반에 처음 개발되었지만, 상업적으로 사용 가능하게 되기까지는 1958년까지 걸렸다. 1960년대에 레이저와 레이저 다이오드가 발명되면서, "광자학"이라는 용어는 이전에 전자 공학을 사용하여 달성되었던 응용 분야를 대체하기 위해 빛의 응용을 설명하는 데 더 일반적으로 사용되었다.

1980년대에 광자학은 광섬유 통신에서의 역할로 인해 주목받기 시작했다. 그 10년의 시작에, 델프트 공과대학교의 새로운 연구 그룹의 조교인 메인트 스미트(Meint Smit)는 통합 광자학 분야에서 선구적인 연구를 시작했다. 그는 인터넷과 전화의 현대 디지털 연결의 핵심 구성 요소인 배열 도파관 격자(AWG)를 발명한 것으로 인정받는다. 스미트는 ERC 어드밴스드 그랜트, 광전자 공학 랭크상, LEOS 기술 성과상 등 여러 상을 받았다.^[3]

2022년 10월, 코펜하겐의 덴마크 공과대학교에서 열린 실험에서 광자 칩은 7.9km가 넘는 광섬유 케이블을 통해 초당 1.84 페타비트의 데이터를 전송했다. 먼저 데이터 스트림은 37개 섹션으로 분할되었고, 각 섹션은 광섬유 케이블의 별도 코어를 따라 전송되었다. 다음으로, 이 채널 각각은 스펙트럼 전체에 걸쳐 등간격으로 분포된 빛의 스파이크에 해당하는 223개 부분으로 분할되었다.^[4]

전자 집적과의 비교

규소가 지배적인 재료인 전자 집적과 달리, 시스템 광 집적 회로는 나이오브산 리튬과 같은 전기 광학 결정, 실리콘 위에 실리카, 실리콘 온 인슐레이터, 다양한 폴리머, 그리고 반도체 레이저를 만드는 데 사용되는 비소화 갈륨과 인듐 인화물과 같은 반도체 재료를 포함한 다양한 재료 시스템으로 제조되었다. 다양한 재료 시스템은 통합될 기능에 따라 각각 다른 장점과 한계를 제공하기 때문에 사용된다. 예를 들어, 실리카(이산화 규소) 기반 PIC는 상대적으로 낮은 손실과 낮은 열 민감도 덕분에 AWG(아래 참조)와 같은 수동 광자 회로에 매우 바람직한 특성을 가지며, GaAs 또는 InP 기반 PIC는 광원 및 트랜지스터 기반 전자 장치의 광학 장치 공동 통합을 가능하게 한다.^[5]

제작 기술은 포토리소그래피를 사용하여 식각 및 재료 증착을 위해 웨이퍼를 패턴화하는 전자 집적 회로에서 사용되는 것과 유사하다. 주요 장치가 트랜지스터인 전자 공학과는 달리, 단일 지배적인 장치는 없다. 칩에 필요한 장치 범위에는 저손실 상호 연결 도파관, 전력 분배기, 광 증폭기, 광 변조기, 필터, 레이저 및 감지기가 포함된다. 이러한 장치는 다양한 재료와 제작 기술을 필요로 하므로 이들 모두를 단일 칩에 구현하기 어렵다.

공진 광 간섭계를 사용하는 새로운 기술은 훨씬 저렴한 비용으로 UV LED를 광 컴퓨터 요구 사항에 사용하게 함으로써 페타헤르츠 가전 제품의 길을 열고 있다.

광 집적 회로의 예시

광 집적 회로의 주요 응용 분야는 광섬유 통신 분야이지만, 생체 의학^[6] 및 광 컴퓨터와 같은 다른 분야에서도 응용이 가능하다.

파장 분할 다중화(WDM) 광섬유 통신 시스템에서 광학 (역)다중화기로 일반적으로 사용되는 배열 도파관 격자(AWG)는 이전의 다중 개별 필터 요소를 활용했던 다중화 방식을 대체한 광 집적 회로의 한 예이다. 광학 모드를 분리하는 것은 양자 컴퓨터에 필요한 기능이므로, 이 기술은 양자 컴퓨터를 소형화하는 데 도움이 될 수 있다(선형 광학 양자 컴퓨터 참조).

오늘날 광섬유 통신 시스템에서 널리 사용되는 광 집적 칩의 또 다른 예는 분산 피드백 레이저 다이오드와 전기 흡수 변조기를 단일 인듐 인화물 기반 칩에 결합한 외부 변조 레이저(EML)이다.^[7]

응용

글로벌 데이터 소비가 증가하고 더 빠른 네트워크에 대한 수요가 계속 증가함에 따라, 세계는 에너지 위기와 기후 변화에 대한 보다 지속 가능한 해결책을 찾아야 한다. 동시에, 무인 자동차의 라이다와 같은 센서 기술을 위한 더욱 혁신적인 응용 분야가 시장에 등장하고 있다.^[8] 기술적 과제에 발맞춰 나갈 필요가 있다.

5세대 이동 통신 데이터 네트워크 및 데이터 센터의 확장, 더 안전한 자율 주행 차량, 그리고 더 효율적인 식품 생산은 전자 마이크로칩 기술만으로는 지속 가능하게 충족될 수 없다. 그러나 전기 장치와 통합 광자학을 결합하면 데이터 네트워크의 속도와 용량을 늘리고, 비용을 절감하며, 다양한 산업 분야에서 점점 더 다양해지는 요구 사항을 충족하는 보다 에너지 효율적인 방법을 제공한다.

데이터 및 통신

PIC의 주요 응용 분야는 광섬유 통신 분야이다. 파장 분할 다중화(WDM) 광섬유 통신 시스템에서 광학 (역)다중화기로 일반적으로 사용되는 배열 도파관 격자(AWG)는 광 집적 회로의 한 예이다.^[9] 광섬유 통신 시스템의 또 다른 예는 분산 피드백 레이저 다이오드와 전기 흡수 변조기를 결합한 외부 변조 레이저(EML)이다.

PIC는 또한 소수 모드 광학 평면 도파관을 배치하여 대역폭과 데이터 전송 속도를 높일 수 있다. 특히, 모드를 기존 단일 모드 평면 도파관에서 소수 모드 도파관으로 쉽게 변환하고 원하는 모드를 선택적으로 여기할 수 있다면 더욱 그렇다. 예를 들어, 양방향 공간 모드 슬라이서 및 결합기^[10]는 원하는 상위 또는 하위 모드를 달성하는 데 사용될 수 있다. 그 작동 원리는 V-형 및 M-형 경사 지수 평면 도파관의 캐스케이딩 단계에 달려 있다.

PIC는 대역폭과 데이터 전송 속도를 높일 뿐만 아니라, 서버 냉각에 많은 에너지를 소비하는 데이터 센터의 에너지 소비를 줄일 수 있다.^[11]

의료 및 의학

첨단 바이오센서를 사용하고 보다 저렴한 진단 생체 의학 장비를 개발함으로써, 통합 광자학은 랩온어칩(LOC) 기술의 문을 열어 대기 시간을 줄이고 진단을 실험실 밖으로 꺼내어 의사와 환자의 손에 맡긴다. 초민감성 광자 바이오센서를 기반으로 하는 SurfiX Diagnostics의 진단 플랫폼은 다양한 현장 진료 테스트를 제공한다.^[12] 마찬가지로 Amazec Photonics는 신체 내에 온도 센서를 삽입하지 않고도 고해상도 온도 감지(0.1밀리켈빈의 일부)를 가능하게 하는 광자 칩이 있는 광섬유 감지 기술을 개발했다.^[13] 이로써 의료 전문가들은 신체 외부에서 심박출량과 순환 혈액량 모두를 측정할 수 있다. 광학 센서 기술의 또 다른 예는 EFI의 "OptiGrip" 장치로, 최소 침습 수술을 위한 조직 감각에 대한 더 큰 제어 기능을 제공한다.

자동차 및 엔지니어링 응용

PIC는 라이다(빛 감지 및 범위 측정)와 같은 센서 시스템에 적용되어 차량 주변 환경을 모니터링할 수 있다.^[14] 또한 와이파이와 유사하지만 빛을 사용하는 라이파이를 통해 차량 내 연결에도 배포될 수 있다. 이 기술은 운전자 안전을 개선하기 위해 차량과 도시 인프라 간의 통신을 용이하게 한다. 예를 들어, 일부 현대 차량은 교통 표지판을 감지하고 운전자에게 속도 제한을 알려준다.

엔지니어링 측면에서, 광섬유 센서는 압력, 온도, 진동, 가속 및 기계적 변형과 같은 다양한 양을 감지하는 데 사용될 수 있다.^[15] PhotonFirst의 감지 기술은 통합 광자학을 사용하여 항공기의 형상 변화, 전기차 배터리 온도 및 인프라 변형과 같은 것을 측정한다.

농업 및 식품

센서는 낭비를 줄이고 질병을 감지하기 위해 농업 및 식품 산업의 혁신에서 중요한 역할을 한다.^[16] PIC에 의해 구동되는 광 감지 기술은 인간의 눈 범위를 넘어 변수를 측정하여 식품 공급망이 과일과 식물의 질병, 숙성도 및 영양소를 감지할 수 있도록 한다. 또한 식품 생산자가 토양 품질과 식물 성장을 결정하고 CO₂ 배출량을 측정하는 데 도움이 될 수 있다. MantiSpectra가 개발한 새로운 소형 근적외선 센서는 스마트폰에 들어갈 만큼 작으며, 우유 및 플라스틱과 같은 제품의 화학 성분을 분석하는 데 사용될 수 있다.^[17]

AI 응용

2025년, 컬럼비아 공과대학 연구원들은 인공지능 하드웨어를 크게 개선할 수 있는 3D 광자-전자 칩을 개발했다. 빛 기반 데이터 이동과 CMOS 전자 장치를 결합하여 이 칩은 인공지능의 에너지 및 데이터 전송 병목 현상을 해결하여 효율성과 대역폭을 모두 향상시켰다. 이 혁신은 고속, 에너지 효율적인 데이터 통신을 가능하게 하여 인공지능 시스템이 최소한의 전력으로 방대한 양의 데이터를 처리할 수 있도록 했다. 800Gb/s의 대역폭과 5.3Tb/s/mm²의 밀도로 이 기술은 인공지능, 자율 주행 차량 및 고성능 컴퓨팅에 큰 발전을 제공했다.^[18]

제조 및 재료 유형

제조 기술은 포토리소그래피를 사용하여 식각 및 재료 증착을 위해 웨이퍼를 패턴화하는 전자 집적 회로에서 사용되는 것과 유사하다.

가장 다재다능하다고 여겨지는 플랫폼은 인듐 인화물(InP)과 실리콘 포토닉스(SiPh)이다.

• 인듐 인화물(InP) PIC는 활성 레이저 생성, 증폭, 제어 및 감지를 특징으로 한다. 이는 통신 및 감지 응용 분야에 이상적인 구성 요소이다.
• 질화 규소(SiN) PIC는 넓은 스펙트럼 범위와 초저손실 도파관을 가지고 있다. 이는 검출기, 분광계, 바이오센서 및 양자 컴퓨터에 매우 적합하다. SiN에서 보고된 가장 낮은 전파 손실(0.1 dB/cm에서 0.1 dB/m까지)은 LioniX International의 TriPleX 도파관에 의해 달성되었다.
• 실리콘 포토닉스(SiPh) PIC는 도파관과 같은 수동 구성 요소에 낮은 손실을 제공하며 미니어처 광자 회로에 사용될 수 있다. 이들은 기존 전자 제조와 호환된다.

"실리콘 포토닉스"라는 용어는 실제 재료보다는 기술을 지칭한다. 이는 고밀도 광 집적 회로(PIC)와 상보성 금속 산화물 반도체(CMOS) 전자 제조를 결합한다. 가장 기술적으로 성숙하고 상업적으로 사용되는 플랫폼은 실리콘 온 인슐레이터 (SOI)이다.

다른 플랫폼은 다음과 같다.

• 나이오브산 리튬(LiNbO₃)은 저손실 모드를 위한 이상적인 변조기이다. 낮은 굴절률과 넓은 투명도 창으로 인해 광섬유 입출력과 매우 효과적으로 일치한다. 더 복잡한 PIC의 경우, 나이오브산 리튬은 큰 결정으로 형성될 수 있다. ELENA 프로젝트의 일환으로 LiNbO₃-PIC 생산을 촉진하기 위한 유럽 이니셔티브가 있다. 또한 절연체 위에 나이오브산 리튬(LNOI)을 개발하려는 시도도 이루어지고 있다.
• 실리카는 가벼운 무게와 작은 폼 팩터를 가지고 있다. 이는 평면 광파 회로(PLC)와 같은 광 통신 네트워크의 일반적인 구성 요소이다.
• 비소화 갈륨(GaAS)은 높은 전자 이동도를 가지고 있다. 이는 GaAS 트랜지스터가 고속으로 작동하여 고속 레이저 및 변조기를 위한 이상적인 아날로그 집적 회로 드라이버가 된다는 것을 의미한다.

하이브리드 또는 이종 집적 방식으로 다른 칩 유형(기존 전자 칩 포함)을 결합하고 구성함으로써 각 칩의 강점을 활용할 수 있다. 이러한 보완적인 집적 접근 방식은 점점 더 정교한 에너지 효율적인 솔루션에 대한 수요를 충족시킨다.

현재 상태

2010년 현재, 광자 통합은 미국 국방 계약에서 활발한 주제였다.^[19][20] 이는 100기가헤르츠 광 네트워킹 표준에 포함되도록 광 인터네트워킹 포럼에 의해 제안되었다.^[21] 최근 연구는 전기 반사 변조기를 위한 새로운 2차원 광결정 설계를 제시하며, 기존의 부피가 큰 구조에 비해 크기를 줄이고 효율성을 향상시킨다. 이 설계는 정밀한 각도 제어를 통해 높은 광학 전송률을 달성하며, PIC에서 향상된 성능을 위해 광전자 공학 장치를 소형화하는 데 중요한 과제를 해결한다. 이 구조에서는 횡방향 및 수직 제조 기술이 모두 결합되어 2-차원 설계를^[22] 3차원 구조와 병합하는 새로운 접근 방식을 도입한다. 이 하이브리드 기술은 광 집적 회로 내에서 광자학 구성 요소의 기능과 통합을 향상시키는 새로운 가능성을 제공한다.^[23]

같이 보기

• 집적 양자 광자학
• 광 컴퓨터
• 광스위치
• 실리콘 포토닉스