연구동향
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Silicon Photonics에 대한 overview
이진민(DGIST 기초학부) · 한상윤 (DGIST 로봇공학)
일반적으로 우리 생활에서 사용되는 정보처리장치라 하면 아래와 같은 전자회로들을 가장 먼저 떠올리기 마련이다.



하지만 21세기 들어 처리해야 할 정보량이 기하급수적으로 늘어나게 되었고 이로 인해 과거보다 훨씬 더 빠른 연산과 정보전달이 필요해졌다.

이에 따라 “기존 전자소자·회로가 차지하던 정보처리과정에서 전자가 아닌 빛을 이용하면 처리속도를 더욱 높일 수 있지 않을까?”라는 생각들을 하게 되었고 이에 대한 대표적인 기술이 바로 ‘Silicon Photonics’이다.



Silicon Photonics는 기존의 분광기, 스위치 등의 큰 면적을 필요로 했던 광시스템을 전자회로와 비슷한 형태로 만들어 작은 면적에 많은 소자를 집적할 수 있도록 하는 기술이다. 전기신호가 아닌 빛 신호를 이용하므로 대역폭은 훨씬 더 넓어지고 전자회로가 할 수 없는 새로운 일들을 할 수 있게 되었다. 이로 인해 데이터 송수신기, 광통신, LiDAR 등 많은 활용분야가 존재한다.



Silicon Photonics라는 이름에서 알 수 있듯이 Silicon Photonics의 대부분의 소자는 Silicon(규소)으로 구성되어 있다. 그런데 사실은 Silicon은 다음의 몇 가지 Photonic material로서의 단점이 있다. 먼저 광통신 파장에서 사용되는 파장은 일반적으로 1.2μm보다 크지만 Silicon의 큰 bandgap으로 인해 1.2μm이상의 파장을 검출하는 photodetector를 만들기 어렵다. photodetection에 사용되기 위해 흡수 파장대를 옮기기 위한 추가의 과정을 거쳐야 한다.

다음으로 Silicon은 굴절율이 크기 때문에, 제작 공정의 etching 과정에서 발생하는 표면 거칠기에 Waveguide가 민감하게 반응하여 높은 광손실이 발생할 수 있다. 높은 광손실은 정보처리에 오류를 야기할 수 있다. 다시 말해 Silicon의 높은 굴절률로 인해 다른 물질에 비해 Silicon이 주변 매질과의 굴절률 차이가 더 크게 되고 이로 인해 산란이 발생한다.

마지막으로 Silicon은 indirect bandgap를 가진다. Indirect bandgap를 이해하기 위해서는 먼저 E-k diagram을 이해할 필요가 있다. 반도체 결정의 경우 결정의 주기성이 완벽하다고 할 수 있다. 이 경우 전자가 자유전자와 달리 움직임에 제약을 받기 때문에 전자의 속도가 전자 파동의 파장에 반비례하고 파수에 비례하는 관계를 가지게 된다.



또한 전자의 운동에너지(E)는 전자의 속도(v)의 제곱에 비례하는 성질을 가졌기 때문에 이상적인 반도체 내에서 E-k diagram은 포물선 형태를 띄게 된다.

반도체는 E-k diagram에서 나타나는 현상에 따라 두가지 형태로 나눌 수 있는데, 이것이 바로 direct band gap과 indirect band gap이다. valence band (원자가띠)와 conduction band (전도띠)의 k값이 서로 같으면 direct band gap, 서로 다르면 indirect band gap이라고 한다.



이때 indirect band gap의 경우 conduction band의 가장 낮은 에너지를 갖는 부분에서 k값이 kF로 바뀌기 위해서는 에너지를 소비해야 한다. (Fig4.) 이때 소비된 에너지는 열에너지 형태로 격자에 흡수되고 이로 인해 indirect band gap은 빛의 방출 및 흡수에서 에너지 효율이 떨어지게 된다. 또한 indirect band gap은 전자 전이시 방출되는 빛의 진동수를 예측하는 것도 거의 불가능하여 light source에 사용하기 힘들다.

이러한 단점 들에도 불구하고 아래와 같은 이유들로 인해 Silicon이 사용된다.

(1) 먼저 Si3N4, Ge 등을 함께 사용하여 사용가능한 파장 대역을 크게 넓힐 수 있다. Silicon에서보다 짧은 파장은 silicon nitride, silicon에서보다 긴 wavelength는 Germanium을 silicon과 함께 사용함으로써 더 많은 wavelength 범위에서 소자가 작동할 수 있게 된다.

(2) 높은 집적률을 가질수있다. Silicon은 매우 높은 굴절률을 지니고 있다. 따라서 빛이 진행하는 통로(waveguide)에서 전반사가 일어나기 더 좋은 환경을 제공할 수 있고 이로 인해 좁은 면적의 기판내에 많은 회로를 만들 수 있다. (waveguide를 보다 더 심하게 꺾는 것이 가능하기 때문이다.)



(3) Silicon은 구하기 쉽고 가격도 싸다.



사실 이 이유가 가장 결정적이고 큰 비중을 차지하는 이유이다.
Silicon은 지각에 두번째로 많이 존재하는 원소기 때문에 다른 금속 원소들에 비해 구하기 매우 쉬우며 쉽게 산화시킬 수 있고 비저항의 범위가 매우 넓어 도핑에 용이하다는 장점이 있다. 이는 기존 전자회로에도 Silicon이 많이 사용되는 이유이기도 하다.



1.Light sources

빛 신호를 전달하는 회로이기 때문에 당연히 빛을 제공할 수단이 필요하다. Silicon photonics 회로에서 이 역할을 하는 소자가 바로 light source이며 주로 laser를 사용한다.

Light source가 가져야 할 가장 중요한 특징은 일정한 파장의 빛을 방출하는 것이다. 광회로에는 동시에 많은 광신호가 전달되고 이 신호들은 파장으로 구별된다. 따라서 다른 신호들과의 구별을 위해 일정한 파장의 빛을 방출해야 한다.

앞에서 말했듯이 Silicon은 indirect-band를 가지기 때문에 그 자체로는 light source로서 적합하지 않다. 따라서 laser를 만드는 가장 흔한 방법은 InP와 같은 3족과 5족의 화합물 반도체를 silicon에 bonding하여 laser를 생성하는 것이다. 또 다른 방법은 Ge을 Silicon 기판위에 성장시키는 것이다. Ge 역시 indirect band gap을 가지지만, Silicon보다 더 작은 band gap을 가지기 때문에 strain을 가해 band 구조를 변화시켜서 light source로 사용할 수 있다.


2.Waveguide
Waveguide는 빛을 원하는 소자까지 이동시키는 길의 역할을 한다. 알다시피 빛은 직진성이 있으므로 원하는 방향으로 보내기 위해서는 waveguide가 필요하다. Waveguide의 원리는 우리가 흔히 아는 광섬유의 원리와 같다.



굴절률이 큰 매질에서 작은 매질로 빛이 진행하면 매질 간 표면에서 굴절각이 입사각보다 더 커지는 현상이 발생한다. 이때 입사각을 점점 크게 하면 어느 순간 굴절각이 90°가 되고 더 크게 하면 모든 빛이 매질 간 표면에서 반사되는 데 이 현상을 전반사라고 한다. 전반사가 일어나는 최소한의 각도는 두 매질의 굴절률 차이가 클수록 작아지므로 두 매질의 굴절률 차이가 클수록 전반사는 더 잘 일어난다고 할 수 있다. Silicon의 경우 앞에서 언급한 바와 같이 굴절률이 매우 크므로 waveguide에 사용되기 매우 적합하다.


3.Modulator
Modulator는 전달하고자 하는 신호에 맞게 light source에서 나온 일정한 빛 신호를 광신호로 바꿔주는 소자이다. modulator에는 Mach-Zehnder modulator와 ring resonator modulator의 두가지 종류가 있다.



Waveguide를 구성하는 silicon의 굴절률을 변화시켜 waveguide를 지나는 빛의 위상을 원하는 대로 바꾸는 방법으로 phase modulator를 만들 수 있다. (Fig.8) 굴절률을 변화시키는 방법은 온도를 이용하는 방법, 전자를 주입하는 방법, MEMS를 이용하는 방법의 세가지가 있다.

Ring resonator 방식의 modulator는 뒤에 설명할 ring resonator와 비슷한 소자로 ring에 phase modulator를 달아 modulation을 하는 방식이다.

Mach-Zehnder 방식은 빛을 두 갈래로 나누고 한쪽 길에 달린 phase modulator를 이용해 위상을 변화시킨 후 빛을 하나로 모아 modulation을 하는 방식이다. 두 빛의 위상차에 따라 간섭되는 파동이 보강간섭이 일어날지, 상쇄간섭이 일어날지가 결정된다고 할 수 있으므로 이를 이용해 modulation을 할 수 있다.


4.Ring resonator
Ring resonator는 waveguide를 통해 전달되는 빛 신호중 원하는 파장의 신호를 필터링하는 소자이다. 그 원리는 ‘공진’인데, 공진이란 물체의 파동이 전달되었을 때 그 물체가 큰 진폭으로 진동하는 현상을 이야기한다. Ring resonator에서는 각 고리의 크기에 따라 그 고리에 정상파를 형성하는 파장 영역대를 조정할 수 있고, 이를 이용하여 원하는 파장대의 빛을 필터링할 수 있다.



Fig9.와 같이 아래쪽의 waveguide에 ring resonator의 고유 진동수와 같은 진동수의 빛 신호가 들어오면 위쪽의 waveguide로 전달하는 것을 알 수 있다. 다시 말해 입력되는 빛 신호(아래쪽의 waveguide)중 ring resonator와 공진을 일으키는 파장대만 ring resonator가 받아들여 위쪽의 waveguide로 전달하는 것이다.


5.Photodetector
Photodetector는 빛 신호를 감지하여 이를 전기신호로 변환해주는 소자이다. 저마늄(Ge)은 규소(Si, Silicon)에 비해 매우 낮은 band gap을 가지므로 전파를 비롯한 빛 감지에 유리해 Photodetector 소자에 이용된다.

또한 광 신호를 전자 신호로 변환하기 위해서 PN접합이 필요한데, 이 과정에서 3,5족 원소간 화합물도 silicon 대신 사용된다. 이 화합물은 빛이 감지되었을 때 흡수된 광자가 전자-정공 쌍을 만들도록 하여 전류로 변환해주는 역할을 한다.

이 silicon photonics의 기본적인 소자들에 더불어 회로의 목적에 따라 다른 소자들이 사용될 수 있다. 광신호를 다루기 위한 위의 소자들을 활용한 회로를 구상하였다면 이를 실제로 만드는 공정작업이 필요하다. 일반적인 반도체 공정 과정은 Fig10과 같은데, Silicon photonics 제작 공정도 이와 매우 유사하다.



먼저 감광액(Photo Resist)를 웨이퍼 표면에 균일하게 코팅하고 회로 패턴이 그려진 마스크에 빛을 통과시켜 웨이퍼에 회로를 그려 넣는다. 이때 노광된 영역을 제거하게 하는 감광액을 양성 감광액, 노광된 영역만 남게 하는 감광액을 음성 감광액이라고 한다.



위와 같은 과정을 거쳐 자신이 구상한 새로운 회로를 만들 수 있고 이를 이용해 빛 프로세싱 과정이 설계한 바와 같은지를 측정하는 단계를 거쳐 자신만의 소자를 개발하게 된다.

우리 지능형 나노광학 연구실은 Silicon Photonics를 이용하여 다양한 기능을 수행하는 회로를 만드는 연구를 진행하고 있다. 특히 빛을 이용한 다양한 연산과 수행을 저전력으로 효율적으로 하는 연구를 진행하고 있다.




먼저 Ising machine(Fig. 12(a))은 컴퓨터 작동의 NP 문제를 푸는 회로이다. 여기서 NP문제란 시스템 전체의 에너지 크기를 최소화하는 model의 각 구역의 자성(+,-)을 정하는 문제를 말한다. 자석의 개수가 한두개일때는 이를 푸는 것이 쉽지만 자석의 개수(n)가 늘어날수록 경우의 수는 2N개로 늘어나므로 이를 푸는 것이 어려워진다. 이 문제를 푸는 소자가 바로 Ising machine이다. Ising machine은 2020년 삼성미래기술육성사업 과제로 선정되어 많은 지원을 받으며 연구 중 이다.

Programmable photonics(Fig. 12(b))는 원하는 회로를 마음대로 코딩하여 바로 구성할 수 있는 칩으로 전자회로의 FPGA와 비슷한 개념이라고 할 수 있다. 한상윤 교수(DGIST 로봇공학)는 이 칩을 세계에서 가장 작은 구동전력으로 작동시킨 기록을 보유하고 있다. 

Optical switch(Fig. 12(c))는 들어온 빛 신호를 원하는 곳으로 보내주는 소자이다. 예를 들어 원하는 곳으로 전화를 걸면 그 신호들이 중간매개체로 간 후 그 중간매개체가 지정된 곳으로 신호가 전달되게 해주는데 이때의 중간매개체 역할을 한다고 할 수 있다.
Matrix multiplier(Fig. 12(d))는 말그대로 matrix(행렬)를 곱셈해주는 소자이다. Waveguide와 빛을 모아주거나 나눠주는 장치를 적절히 조합하면 원하는 방향으로 원하는 양만큼의 빛을 보낼 수 있는데 이를 이용하여 행렬계산을 할 수 있다.

전기광학 방식을 이용하면 나노초 정도의 반응속도를 가지는 스위치를 만들 수 있지만, 전기광학 방식은 광손실이 매우 커서 대규모의 스위치를 구성하기는 어렵다. 일반적인 실리콘 포토닉스 스위치는 마이크로초 정도의 반응 속도를 가지는 열광학 방식으로 굴절율의 섭동을 조절하여 동작하는데,  섭동의 크기가 작아 소자의 크기가 커지고 대규모의 광회로를 구현할 경우 큰 광손실이 발생한다. 이에 비해 MEMS 액추에이터를 이용해 도파관을 움직이는 방식은 빛의 경로를 쉽게 재구성 할 수 있어 더 작고 광손실이 현저히 감소된 (열광학 방식에 비해 10배 감소) 스위치를 수백 나노초 속도로 구현이 가능하다. 이에 본 연구실에서는 MEMS 액추에이터를 실리콘 포토닉스 기술에 접목하여 저손실의 광스위치를 대규모로 구현하는 연구를 진행하고 있다.



 

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