◆…이미지:중국과학원
중국 연구진이 리튬 탄탈레이트와 실리콘 질화물 기반 광자 칩을 웨이퍼 수준에서 결합한 이종 집적 기술을 개발했다고 발표했다.
중국과학원 산하 상하이 마이크로시스템 및 정보기술연구소의 우신(Ouxin) 교수 연구팀은 스위스 로잔 연방공과대학교의 토비아스 J. 키펜베르크 교수 연구팀, 독일 카를스루에 공과대학교의 크리스티안 코스 교수 연구팀과 공동 연구를 통해 박막 리튬 탄탈레이트(LiTaO₃)와 질화규소(Si₃N₄) 기반 광자 칩의 웨이퍼 스케일 이종 집적 기술을 구현했다고 12일 밝혔다.
이 기술은 초저 광손실 특성을 지닌 질화규소 포토닉 플랫폼에 선형 전기광학(포켈스) 효과를 활용한 변조 기능을 결합한 새로운 광전자 플랫폼으로 초고속 전기광학 변조 기능과 초저손실 광전파 특성을 동시에 구현해 차세대 광통신과 광 컴퓨팅 시스템의 핵심 플랫폼으로 활용될 가능성이 제기된다.
실험 결과 연구진이 개발한 장치는 4.08 V·cm 수준의 변조 효율과 약 100GHz 전기광학 응답 3dB 대역폭을 달성했으며 특히 고속 통신 시연에서는 강도 변조 및 직접 검출(IMDD) 방식에서 최대 333Gbps, 코히런트 IQ 변조 방식에서는 최대 581Gbps의 순 데이터 전송 속도로 유사한 집적 광자 플랫폼에서 보고된 전송 속도 가운데 최고 수준을 기록했다.
이번 연구의 핵심은 질화규소 포토닉 플랫폼의 장점과 리튬 탄탈레이트의 전기광학 특성을 결합한 방식으로 초저 광전파 손실, 높은 전력 내성, CMOS 공정 호환성 등 장점이 있지만, 자체적으로는 포켈스 전기광학 효과가 없어 고속 변조 기능 구현에 한계가 있었다.
이에 따라 기존 질화규소 기반 변조기는 열 광학 또는 음향 광학 효과에 의존해 왔으며 대역폭과 효율 측면에서 제약이 있었다. 연구진은 이러한 한계를 극복하기 위해 박막 리튬 탄탈레이트 기반 전기광학 특성을 질화규소 도파관 구조에 결합했다.
다마신 공정 기반 질화규소 제조 기술과 웨이퍼 접합 공정을 활용해 4인치 LT-on-Si₃N₄ 이종 웨이퍼를 구현했으며 심자외선(DUV) 리소그래피 공정에서 약 100%에 가까운 박막 무결성을 확보했다.
마이크로링 공진기를 활용한 특성 분석에서는 광 손실이 약 14.2dB/m 수준으로 나타나 기존 유사 구조보다 우수한 성능을 보였으며 리튬 탄탈레이트 박막과 질화규소 도파관으로 구성된 마흐-젠더 변조기(MZM) 구조를 적용해 안정적인 전기광학 변조 동작이 나타났다.
소자 분석 결과 광 모드 에너지의 약 48%가 리튬 탄탈레이트 박막 내부에 집중되는 것으로 나타나 강력한 광 구속 효과와 전기장·광장 간 효율적인 상호작용이 확인됐다. 측정된 반파 전압은 약 6V였으며 반사 손실은 –15dB 이하로 유지돼 우수한 임피던스 및 속도 정합 특성을 보였다.
연구팀은 장기 안정성 측면에서도 의미 있는 결과를 확인, 포토닉 칩 패키징 후 직교 동작점에서 변조기의 출력 강도를 측정한 결과 1시간 동안 전력 드리프트가 0.5dB 이하로 유지됐다.
연구진은 이번 기술이 고속 광 인터커넥트, RF 포토닉스, 아날로그 광신호 처리 및 온칩 광컴퓨팅 시스템 구축에 활용될 수 있을 것으로 기대하고 있다. 특히 데이터센터와 AI 인프라에서 광 기반 고속 인터커넥트 수요가 증가하는 가운데 확장 가능한 웨이퍼 기반 제조 방식을 제시했다는 점에서 산업적 의미가 있다고 평가했다.
중국 연구진이 리튬 탄탈레이트와 실리콘 질화물 기반 광자 칩을 웨이퍼 수준에서 결합한 이종 집적 기술을 개발했다고 발표했다.
중국과학원 산하 상하이 마이크로시스템 및 정보기술연구소의 우신(Ouxin) 교수 연구팀은 스위스 로잔 연방공과대학교의 토비아스 J. 키펜베르크 교수 연구팀, 독일 카를스루에 공과대학교의 크리스티안 코스 교수 연구팀과 공동 연구를 통해 박막 리튬 탄탈레이트(LiTaO₃)와 질화규소(Si₃N₄) 기반 광자 칩의 웨이퍼 스케일 이종 집적 기술을 구현했다고 12일 밝혔다.
이 기술은 초저 광손실 특성을 지닌 질화규소 포토닉 플랫폼에 선형 전기광학(포켈스) 효과를 활용한 변조 기능을 결합한 새로운 광전자 플랫폼으로 초고속 전기광학 변조 기능과 초저손실 광전파 특성을 동시에 구현해 차세대 광통신과 광 컴퓨팅 시스템의 핵심 플랫폼으로 활용될 가능성이 제기된다.
실험 결과 연구진이 개발한 장치는 4.08 V·cm 수준의 변조 효율과 약 100GHz 전기광학 응답 3dB 대역폭을 달성했으며 특히 고속 통신 시연에서는 강도 변조 및 직접 검출(IMDD) 방식에서 최대 333Gbps, 코히런트 IQ 변조 방식에서는 최대 581Gbps의 순 데이터 전송 속도로 유사한 집적 광자 플랫폼에서 보고된 전송 속도 가운데 최고 수준을 기록했다.
이번 연구의 핵심은 질화규소 포토닉 플랫폼의 장점과 리튬 탄탈레이트의 전기광학 특성을 결합한 방식으로 초저 광전파 손실, 높은 전력 내성, CMOS 공정 호환성 등 장점이 있지만, 자체적으로는 포켈스 전기광학 효과가 없어 고속 변조 기능 구현에 한계가 있었다.
이에 따라 기존 질화규소 기반 변조기는 열 광학 또는 음향 광학 효과에 의존해 왔으며 대역폭과 효율 측면에서 제약이 있었다. 연구진은 이러한 한계를 극복하기 위해 박막 리튬 탄탈레이트 기반 전기광학 특성을 질화규소 도파관 구조에 결합했다.
다마신 공정 기반 질화규소 제조 기술과 웨이퍼 접합 공정을 활용해 4인치 LT-on-Si₃N₄ 이종 웨이퍼를 구현했으며 심자외선(DUV) 리소그래피 공정에서 약 100%에 가까운 박막 무결성을 확보했다.
마이크로링 공진기를 활용한 특성 분석에서는 광 손실이 약 14.2dB/m 수준으로 나타나 기존 유사 구조보다 우수한 성능을 보였으며 리튬 탄탈레이트 박막과 질화규소 도파관으로 구성된 마흐-젠더 변조기(MZM) 구조를 적용해 안정적인 전기광학 변조 동작이 나타났다.
소자 분석 결과 광 모드 에너지의 약 48%가 리튬 탄탈레이트 박막 내부에 집중되는 것으로 나타나 강력한 광 구속 효과와 전기장·광장 간 효율적인 상호작용이 확인됐다. 측정된 반파 전압은 약 6V였으며 반사 손실은 –15dB 이하로 유지돼 우수한 임피던스 및 속도 정합 특성을 보였다.
연구팀은 장기 안정성 측면에서도 의미 있는 결과를 확인, 포토닉 칩 패키징 후 직교 동작점에서 변조기의 출력 강도를 측정한 결과 1시간 동안 전력 드리프트가 0.5dB 이하로 유지됐다.
연구진은 이번 기술이 고속 광 인터커넥트, RF 포토닉스, 아날로그 광신호 처리 및 온칩 광컴퓨팅 시스템 구축에 활용될 수 있을 것으로 기대하고 있다. 특히 데이터센터와 AI 인프라에서 광 기반 고속 인터커넥트 수요가 증가하는 가운데 확장 가능한 웨이퍼 기반 제조 방식을 제시했다는 점에서 산업적 의미가 있다고 평가했다.
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