도파로 광다이오드: 데이터 센터 속도를 지원하는 새로운 기술

데이터센터 및 광 트랜시버의 진화

전 세계 데이터 센터 트래픽이 빠르게 증가하고 있습니다. 이러한 성장은 AI/ML 개발 및 구현, 클라우드 서비스 확산, 그리고 비디오 스트리밍 및 AR/VR 콘텐츠 사용자 기반 증가에 의해 주도되고 있습니다. 이러한 추세는 앞으로도 지속될 것으로 예상됩니다. 이러한 상황을 해결하기 위해서는 백본 광통신망의 용량 및 전송 속도 향상이 더욱 필요합니다.

사용자에게 안정적인 광통신 서비스를 제공하기 위해 인프라 네트워크와 데이터 센터에는 최소한의 지연으로 더 빠른 속도로 작동하는 네트워크가 필요합니다. 광 트랜시버는 이 과정에서 중요한 구성 요소입니다. 전통적으로 광 트랜시버는 100Gbps에서 표준으로 작동했지만 네트워크 가속 요구 사항에 따라 400G 및 800G의 고속 제품이 2014년경에 시장에 출시되기 시작했습니다. 앞으로 광 트랜시버에 필요한 속도는 1.6T 및 3.2Tbps에 이를 것으로 예상됩니다.

포토다이오드 기본 구조 및 과제

광 트랜시버는 전기 신호와 광 신호를 상호 변환하는 장치입니다. 송신기 섹션에서 반도체 레이저 다이오드는 전기를 빛으로 변환합니다. 수신기 섹션에서 포토다이오드(PD)는 광 신호를 전기 신호로 변환합니다.
광 다이오드의 기본 구조와 작동 원리는 이전 기사에서 자세히 설명했지만 이 기사에서는 고속 작동과 관련된 기술적 과제를 구체적으로 다룹니다.

도파로 광다이오드는 광섬유를 통해 전송되는 광 신호를 전기 신호로 변환하는 장치이기도 합니다. 이름에서 알 수 있듯이, 광다이오드는 빛을 유도하는 "도파관" 경로와 빛을 전기로 변환하는 "광다이오드"를 결합한 부품입니다. 광다이오드의 기본 구조와 작동 원리는 이전 글에서 자세히 설명했습니다. 이 글에서는 특히 고속 동작과 관련된 과제에 중점을 둡니다. 기존 광다이오드와 도파관 광다이오드의 주요 차이점은 물리적 구조에 있습니다.

아래 그림은 일반적인 포토 다이오드(pn type)의 구조를 보여줍니다.

기존의 pn형 광다이오드는 정공(양전하를 띤 입자)이 많은 p형 반도체 층이 위에 있고, 음전하를 띤 전자가 많은 n형 반도체 층이 아래에 있는 구조를 가지고 있습니다. 이들의 접합부에 '공핍층'이라는 층이 형성되며, 빛은 주로 이 영역 근처에서 흡수됩니다.

Pn형 포토다이오드는 비교적 간단한 구조를 가지고 있어 제조가 비교적 쉽습니다. 그러나 이 간단한 구조로 인해 고속 성능을 달성하는 데 어려움이 있습니다.

포토다이오드의 고속 동작에서 핵심적인 요소는 '대역폭'이다. 대역폭은 초당 처리할 수 있는 신호의 수를 나타내며, 대역폭이 클수록 더 짧은 시간에 더 많은 정보를 처리할 수 있습니다. 예를 들어, 1GHz의 대역폭에서는 초당 10억 개의 신호 동작이 가능합니다.

pn형 포토다이오드에서는 효율적인 광 흡수를 위해 흡수 영역(공핍층)이 두꺼워야 합니다. 빛이 반도체를 통과하는 거리가 길어질수록 더 많은 빛을 흡수할 수 있기 때문입니다. 그러나 공핍층이 두꺼워지면 빛에 의해 생성되는 전자와 정공의 이동 거리가 증가하여 장치 응답 시간이 느려집니다.

도파로 광다이오드의 혁신적인 구조

이 문제를 해결하기 위해 새로운 구조의 도파관 광다이오드가 고안되었습니다. 효율적인 광 흡수와 캐리어 이동을 가능하게 하는 설계를 통해 도파관 광다이오드는 고속 동작과 고감도를 모두 달성할 수 있습니다.

기존 포토다이오드에서는 빛이 부품 상단에서 들어오고, 공핍층과 같이 빛을 흡수하는 반도체층이 그 빛을 전기로 변환합니다. 대조적으로, 도파관 포토다이오드의 경우 빛이 측면에서 들어와 화합물 반도체로 만들어진 "도파관"이라고 하는 수평으로 길쭉한 층을 통과하면서 점차적으로 흡수되어 전기로 변환됩니다.
이 개념은 위에서 지면으로 직접 떨어지는 비(기존 포토다이오드)와 긴 수평 파이프(도파관 유형)를 통해 흐르는 물(또는 실제로는 빛)에 비유할 수 있습니다. 이 수평 광 전파 기능을 통해 빛은 흡수층 내에서 수십 마이크로미터에서 수백 마이크로미터의 거리를 이동할 수 있어 광 흡수 효율을 크게 향상시킬 수 있습니다. 얇은 도파관 층을 생성하는 기능도 중요한 이점입니다. 더 얇은 도파관 층을 사용하면 빛에 의해 생성된 전자와 정공이 전극에 도달하는 이동 시간이 줄어들어 더 빠른 응답이 가능합니다. 또한 더 얇은 장치를 만들 수 있는 능력은 동일한 기판에 있는 다른 광학 부품과의 통합을 용이하게 하여 부품 소형화에 기여합니다.

따라서 도파관 광다이오드는 높은 광 흡수 효율과 빠른 응답 속도를 모두 달성할 수 있는 기술입니다. 그러나 실제 구현에는 빛을 미세 도파관에 효율적으로 결합하는 것과 같은 몇 가지 과제가 여전히 남아 있습니다. 후속 기사에서는 이러한 과제를 해결하기 위한 저희의 노력을 소개하고 더 자세한 응용 사례를 제시합니다.

덱세리얼즈는 도파관 광 다이오드 개발을 통해 차세대 고속 광 통신을 실현하기 위해 노력하고 있습니다.