한국전자통신연구원 초고속 광통신 실리콘칩 개발 1초에 100기가 데이터 전송

2022년 12월 21일 국내 연구소 한국전자통신연구원(ETRI)이 차세대 데이터센터, 고성능 컴퓨팅 네트워크에서 1초에 100기가 데이터를 전송할 수 있는 실리콘 포토닉스(광전자) 광반도체 칩과 모듈을 개발했다.

1. 기존 초고속 광통신과 차이

광통신은 전자와 광의 융합기술이자 미래 선도기술이다. 실리콘 광통신은 컴퓨터를 비롯한 전자 기기들이 광 정보를 송수신하는데 표준 실리콘을 이용하는 새 기술이다.

광섬유망을 통해 빛의 속도로 광정보가 컴퓨터에 들어오면 느려지는 문제를 개선하기 위한 것이다. 구리선으로 정보를 주고받는 컴퓨터 칩들은 광섬유를 이용한 속도를 낼 수 없기 때문이다.

기존 초고속 광통신 모듈은 여러 개별 광소자를 조립·패키징하는 방식이다. 채널이 증가할수록 비용도 증가하는 데다 전송용량 증대나 장비 소형화에 어려움까지 있었다.

2019년 실리콘 광소자 기술을 기반으로 게르마늄 광소자 기술이 개발되었다. 이에 따라 컴퓨터 내부에서 칩들 사이와 칩들 내부에서 전기신호가 아니라 빛으로 신호를 주고받는 기술이 향상되었다.

기존 초고속 광통신은 전기신호로 데이터를 입출력하는 방식이라 대역폭 한계와 과도한 전력소모까지 일어나 채널당 50기가(Gbps) 속도였고 전송거리도 수십 cm에 그쳤다.

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한국전자통신연구원(ETRI)이 이번에 개발한 실리콘 광송신칩 기술(silicon phtonics)을 활용하면 낮은 비용으로 전송용량과 거리를 획기적으로 늘릴 수 있다. 실리콘 광송신 칩은 크기가 가로 2.9mm, 세로 7.3mm이다.

매우 작기 때문에 기존 개별 광소자 조립방식에 비해 20% 수준으로 소형화까지 가능하다. 여러 광소자를 칩 하나로 집적할 수 있기 때문에 데이터센터, 고성능 컴퓨팅, 인공지능(AI) 네트워크에서 입·출력 성능 확장 문제가 해소된다.

광반도체 성능도 획기적으로 높아졌다. ETRI 광반도체 칩을 이용하면 채널당 100 Gbps

1. 세계 최고 수준의 실리콘 광변조기 구현, 2. 전계 강도(자기장 세기) 확대, 3. 고속 동작 가능한 광검출기 4. 초고속 신호처리 5. 신호 무결성 회로 설계기술이다.

ETRI은 실리콘 광통신 칩기술을 활용해 오이설루션과 공동으로 데이터센터에서 2km 거리 전송이 가능한 100 Gps 광 트랜시버 모듈을 개발했다. 뿐만 아니라 4개 채널을 연결해 400 Gbps급 성능을 내는 광 인터커넥션 모듈도 개발했다.

이 성과 이전에 2017년 ETRI는 벌크 실리콘(bulk silicon) 기반으로 단일칩 광송수신기를 개발한 바 있다. 실리콘의 문제점은 실리콘이 빛을 쉽게 내지 못하는 점이다. 실리콘 대체물질도 개발중이다.

이번 성과는 광통신 분야 최고권위지인 옵티스 익스프레스에 5개 논문으로 기재되었다. 실리콘 광통신칩 기술은 국내외 특허출원만 해도 35건을 기록했고 3건의 기술이전 성과를 냈다.

김선미 ETRI 네트워크연구본부장은 실리콘 광통신칩 기술은 초고속 대용량 광연결을 구현할 핵심기술이라고 밝혔다. 이 광통신칩 기술은 클라우드, 인공지능과 초실감 미디어 서비스 등에 반드시 필요하다.

ERTI는 광기술을 선도적으로 개발해 향후 테라비트 속도의 빛으로 연결되는 시대를 이끌겠다고 덧붙였다. (출처 한국전자통신연구원, 전자통신)