도파로 광다이오드 개발 - UTC-PD(Uni-Traveling Carrier 포토다이오드)와의 통합을 통한 속도 향상의 과제

데이터 센터 진화를 지원하는 신기술 개발

최근 몇 년 동안 AI 기술의 급속한 발전과 비디오 스트리밍 서비스의 확장으로 인해 글로벌 데이터 트래픽이 급격히 증가했습니다. 동시에 데이터 센터의 전력 소비도 증가했습니다. 이러한 상황을 고려하여 SDGs 관점에서 데이터 센터 전력 소비를 줄이기 위한 노력이 진행되고 있으며, 광 트랜시버와 같은 개별 모듈/장치뿐만 아니라 서버 및 스위치와 같은 데이터 센터 내 전자 장비의 전력 소비를 줄이기 위한 요구가 높아지고 있습니다.

이전 기사에서는 기존의 표면형 포토 다이오드가 직면한 과제와 이러한 문제를 해결할 것으로 기대되는 도파관 포토 다이오드의 기본 구조에 대해 설명했습니다. (" 도파로 Photodiodes: New Technology Supporting Data Center Speed "는 여기에서 볼 수 있습니다.)
이 기사에서는 성능을 더욱 향상시키기 위한 도파관 광 다이오드와 UTC-PD의 조합과 실제 구현을 위한 구체적인 이니셔티브를 소개합니다.

데이터 트래픽 급증과 기존 광전 다이오드의 한계

도파관 포토다이오드의 뛰어난 기능을 이해하는 데 도움이 되도록 먼저 기존 표면형 포토다이오드가 직면한 구조적 문제를 설명하겠습니다. 아래 그림은 pn형과 핀형이라고 하는 기존 표면형 포토다이오드의 개략도를 보여줍니다.
표면형 포토다이오드에서 빛은 부품 상단에서 들어와 광 흡수층에 흡수되어 전류로 변환됩니다. 광 변환 효율을 높이려면 p-layer와 n-layer 사이의 경계에서 광 흡수층을 두껍게 하는 것이 효과적입니다.
그러나 층이 두꺼워짐에 따라 전기를 운반하는 운반체(전자 및 정공)가 이동해야 하는 거리가 늘어납니다. 결과적으로 신호 처리 시간이 더 오래 걸리고 "대역폭"이 감소하는 절충안이 발생합니다.

대역폭은 초당 처리할 수 있는 광 신호의 수를 나타냅니다. 1GHz의 대역폭은 초당 10억 개의 신호를 처리할 수 있는 능력을 의미하며, 대역폭이 클수록 더 짧은 시간에 더 많은 정보를 처리할 수 있습니다. 가까운 장래에 데이터 센터가 더 빠른 속도를 요구함에 따라 클라이언트 측 광 트랜시버에 필요한 통신 속도는 400G, 800G, 1.6T 및 3.2T로 향상될 것으로 예상됩니다.

그러나 기존의 포토다이오드는 "감도를 높이면 속도가 느려져 성능 향상이 제한된다"는 딜레마에 직면했습니다. 이 문제는 더 작은 장치를 필요로 하는 최근의 고속 통신에서 더욱 심각해졌습니다. 이것이 새로운 기술(도파관 포토다이오드 및 UTC-PD)이 필요한 이유 중 하나입니다.

UTC-PD와 도파로 광다이오드 결합

도파관 광다이오드의 가장 큰 특징은 "빛의 흡수 방향과 전기 캐리어의 이동 방향이 거의 수직"이라는 것입니다. 이러한 구조를 통해 흡수되는 빛의 양(감도)과 처리 속도(대역폭)를 개별적으로 설계할 수 있습니다.

도파관 형태의 광흡수층을 "단일 이동 캐리어 포토다이오드 (UTC-PD)" 기술과 결합함으로써 추가적인 성능 향상을 기대할 수 있습니다. 도파로 광다이오드는 빛을 미세한 도파관 면으로 결합하는 특수 기술이 필요하며, 이는 개발 과정에서 중요한 기술적 요소가 됩니다.

UTC-PD와 결합하여 초고속화에 도전

도파관 광다이오드의 대역폭을 더욱 증가시키는 또 다른 기술은 "단일 이동 반송파 포토다이오드 (UTC-PD)"입니다. 빛이 반도체에 닿으면 그 에너지는 음전하와 양전하를 가진 입자, 즉 전자와 정공을 생성합니다. 이 두 입자의 움직임은 전류를 생성하여 광 신호를 전기 신호로 변환하는데, 이것이 광다이오드의 작동 원리입니다.

기존의 핀형 광전 다이오드에서는 전자와 정공 모두 유사한 방식으로 이동하여 전류를 생성합니다. 그러나 이 방식에는 심각한 단점이 있습니다. 정공은 전자보다 훨씬 느리게 움직입니다. 전자는 초당 10만 미터의 속도로 이동할 수 있는 반면, 정공은 그 속도의 절반도 채 되지 않습니다. 이러한 '느린 정공'의 이동은 고속 광통신 구현에 큰 제약이었습니다. UTC-PD는 이러한 '느린 정공' 문제를 해결하기 위해 설계된 혁신적인 기술입니다.

UTC-PD에서 광흡수층은 P형 반도체로 구성됩니다. P형 반도체는 의도적으로 특수 원자(불순물)를 반도체에 혼합하여 많은 정공을 생성함으로써 만들어집니다. 다수 캐리어인 정공은 "유전체 완화"라는 물리적 현상으로 인해 "집단"으로 매우 빠르게 이동할 수 있습니다. 이는 마치 물방울이 개별적으로 움직이는 것이 아니라 모여서 파동을 형성하고 동시에 흐르는 것과 같습니다. 이는 정공의 느린 이동 문제를 해결합니다.

또한, UTC-PD는 p형 반도체 광흡수층 옆에 빛을 흡수하지 않는 "캐리어 수송층"을 포함합니다. 전자만이 주요 역할을 하므로, 정공과 전자가 공존할 때 발생하는 "공간 전하 효과"(전기장이 약해지고 출력이 포화되는 현상)를 억제할 수도 있습니다. 기존의 핀 타입 포토다이오드를 빠른 차(전자)와 느린 차(정공)가 같은 차선을 공유하는 고속도로라고 생각해 보세요. 이러한 구성은 교통 체증과 비효율성을 초래할 수 있습니다. 이와는 대조적으로, UTC-PD는 느린 차들을 위한 별도의 차선을 만들어 빠른 차들이 전용 차선에서 원활하게 주행할 수 있도록 하는 것과 같습니다.

이러한 구조적 혁신을 통해 UTC-PD는 300GHz를 초과하는 초고속 동작과 기존 핀 포토다이오드보다 약 10배 큰 출력 전류를 가능하게 합니다. UTC-PD 기술을 도파관 구조와 통합함으로써 차세대 고속 광통신에 필수적인 초고속 및 고용량 신호 변환을 달성할 수 있을 것으로 믿어집니다. 그러나 이 기술을 상용화하기 위해서는 빛을 미세 도파관에 효율적으로 결합하는 것과 같은 몇 가지 과제를 해결해야 합니다. 특히 초소형 반도체 도파관으로 빛을 효율적으로 유도하는 방법은 중요한 기술적 포인트이며, 우리는 이 문제를 해결하기 위해 시행착오를 반복하고 있습니다.

시뮬레이션을 활용한 최적화와 고도의 제조·평가 설비에 의한 실증

도파관 광다이오드의 실제 구현을 위해, "TCAD(Technology Computer Aided Design) 시뮬레이션"이라는 컴퓨터 분석을 활용하여 소자 구조와 소재를 변경하여 최고 속도로 동작하는 설계를 탐색합니다. 또한, "FDTD(Finite-Difference Time-Domain) 시뮬레이션"을 통해 도파관 결합 효율과 흡수층 흡수율을 분석하고, 이를 통해 구조 최적화를 목표로 합니다.

도파관 광다이오드를 개발할 때는 시뮬레이션 기반 최적화뿐 아니라 실제 제조 공정의 정밀한 제어도 필수적입니다. 저희 회사는 최첨단 장비를 활용하여 개발 및 양산을 추진하고 있습니다.

• SiO ₂-CVD 장치
• 레이저 드로잉 장비
• SiN-CVD 장치
• 금속 EB 증착 장치
• CCP-RIE 장비
• 리프트 오프 장치
• ICP-RIE 장비

이러한 장치를 사용하여 정밀한 제조 공정을 제어하고, 도파관 구조를 형성하고 층 두께를 제어합니다.

UTC-PD와 결합하여 초고속화에 도전

현재 덱세리얼즈의 연결 자회사인 덱세리얼스 포토닉스 솔루션즈는 60GHz 초과 및 100GHz 이상의 대역 특성을 달성하기 위해 프로토타입을 실시하고 있습니다.

개발 로드맵은 2026년까지 200Gbps/lane waveguide Photodiode의 상용화를 목표로 하고 있습니다. 2030년을 내다보며 CPO(Co-Packaged Optics) 모듈을 위한 400Gbps/lane 포토다이오드 개발도 구상하고 있습니다.
또한 전력 소비를 줄이기 위해 DSP가 없는 광 트랜시버(예: LPO/LRO) 사용, CPO(Co-Package) 설계로 전환, 차세대 레이저 다이오드(LD) 및 변조기 개발과 같은 솔루션을 모색할 계획입니다.

이러한 발전을 통해 당사는 400Gbps에서 1.6T, 3.2T까지 초고속 광통신을 가능하게 하는 도파관 포토 다이오드를 실현하기 위한 연구를 계속해 나갈 것입니다.