실리콘 포토닉스의 혁신

출처: iStock.com

실리콘 포토닉스 기술

포토닉 플랫폼은 원격 감지에서 초고대역 폭 통신에 이르는 새로운 연구 및 응용 분야를 위한 핵심 기술입니다. 현재 실리콘 포토닉스가 이렇게 발전하게 된 데에는 과거 20년간의 혁신이 있었기에 가능했습니다. 실리콘 포토닉스의 미래는 현재의 우리가 어떻게 현 기술의 대역폭, 크기, 전력을 확장할 수 있을지에 달려있다고 해도 과언이 아닙니다.

광학 기술은 빠른 변화를 겪고 있습니다. 불과 10년 전, 실험실에서 광학 실험을 하거나 광학 프로토타입을 만들기 위해서는 광섬유, 렌즈, 필터 등과 같은 부품을 조립해야 했습니다. 하지만 오늘날에는 광학 설계를 주조 공장에 전송하여 통합 장치를 리소그래피를 이용해 제작함으로써 복잡한 조립 없이 이러한 작업을 수행할 수 있습니다. 현재 실리콘 포토닉스를 기반으로 수백 개의 제품이 개발 및 상용화되고 있고 실리콘 포토닉스의 대량 생산을 위한 주조 공장은 전 세계적으로 생겨나고 있습니다.

 

실리콘 포토닉스의 과거와 현재

실리콘 포토닉스 분야는 고속과 저전력 광자에 대한 필요성이 대두된 오늘날에서야 널리 활용되고 있지만, 사실 빛을 제어하는 데 실리콘 광자를 사용한다는 아이디어는 1980년대에 처음 제기되었습니다. 컴퓨팅의 주요 병목 현상을 해결하기 위해서는 실리콘 칩의 입출력 대역폭을 크게 증가시키고 최소 전력 사용만으로도 칩에서 생성 및 처리되는 데이터 대역폭을 더 많은 전력을 사용했을 때와 동등 수준으로 만들 필요가 있었는데, 실리콘 포토닉스가 이 해결책이 되었습니다. 빛은 사용되는 재료의 공진 주파수보다 훨씬 높은 주파수를 가져 흡수율이 아주 낮기 때문에 낮은 전력 소산으로 높은 데이터 전송률을 갖는 특성을 갖습니다. 이와 동시에 광학 기술에 사용되는 재료 및 공정이 이미 수십억 달러가 투자된 마이크로일렉트로닉스 분야에서 사용되는 재료 및 공정과 호환된다면 그에 의한 가치 창출의 가능성이 매우 높았습니다.

2000년대 초, II-V 및 II-V 반도체 같은 전통적 광학 재료가 사용되고 있던 포토닉스 분야에 실리콘을 사용하는 데에는 몇 가지 우려 사항이 있었습니다. 실리콘이 간접형 밴드갭으로 인해 이득 또는 레이저를 생성할 수 없는 것, 그리고 중심 대칭 구조로 인해 변조기와 같은 능동 소자가 기가헤르츠 전기 신호를 광신호로 변환하는 데 필요한 전기-광학 계수가 없는 것 등이 문제점이었습니다. 하지만 이러한 문제점을 해결할 방법이 개발되었을 때, 실리콘 포토닉스 분야는 폭발적 발전을 거듭했습니다. 2000년대 초반에는 평면 외 그레이팅과 에지-커플링 나노 페이퍼를 사용하여 나노파 가이드에서 전파되는 빛과 큰 섬유에서 전파되는 전파되는 빛을 연결할 수 있다는 것이 밝혀졌습니다. 이는 전자 칩에 전원을 공급하는 소스와 유사한 외부 소스로 마이크로 칩에 데이터를 효율적으로 송출할 수 있다는 가능성을 열어주었고, 따라서 실리콘이 레이저를 생성할 수 없다는 점을 상쇄하였습니다. 곧이어 실리콘 칩을 포함한 이득 재료를 사용한 전자광학 레이저와 증폭기가 시연되어 실리콘의 이득 부족에 대한 우려를 완전히 제거하였습니다. 관련된 분야는 매우 빠르게 발전했고 빛 전파 도파관, 장치 및 시스템은 대규모 시설에서 제작될 수 있었습니다. 거듭된 발전에 실리콘 포토닉스는 10년도 되지 않아 대량으로 상용화되었습니다. 오늘날 실리콘 포토닉스는 주로 광자 시스템의 대량 제품 생산이 가능한 전용 주조 공장에서 처리되며, 금속-산화물-반도체 처리를 이용합니다. 포토닉 소자의 성능을 극대화하기 위해, 메인 가공 단계 및 백엔드 후 제작 단계에서 실리콘 질화물, 압전 재료, 알루미늄 질화물 및 2차원 재료과 같은 새로운 실리콘 호환 재료가 도입되고 있습니다.

 

실리콘 포토닉스 기술의 혁신을 위한 과제

대역폭, 크기 및 전력에서 실리콘 포토닉스 시스템의 확장성을 보장하고 현재 실리콘 포토닉스 분야가 가지고 있는 문제점을 극복하기 위해서는 혁신이 필요합니다. 실리콘 광자는 개별 광자 소자의 성능이 종종 소자의 기하학적 특징 변화에 영향을 쉽게 받기 때문에 제조 공정 변동에 대한 높은 민감도를 갖습니다. 불과 몇 옹스트롬 정도의 작은 변화가 장치의 전송에 큰 영향을 미칠 수도 있습니다. 나노미터 이하의 정밀도가 요구되지만, 웨이퍼의 증착이나 식각 과정에서 이 원자 단위의 변화를 제어하기는 거의 불가능합니다. 실리콘 포토닉스 시스템이 직면한 또 다른 문제점은 삽입 및 전파 손실이 상대적으로 크다는 것인데, 광자 하나하나가 매우 값비싼 양자 광학 같은 분야에서는 비용적인 면에서 치명적인 단점이 됩니다.

실리콘 포토닉스 분야는 협력적 현상과 같은 고체 물리학 개념을 활용하여 이러한 난제 중 일부를 극복할 수 있습니다. 최근 발표된 연구에서는 신중한 설계를 통해 대역폭, 견고성, 풋프린트 및 전력 소산과 같은 속성이 제어할 수 있음을 보여주었습니다. 실리콘 광자는 계속해서 진화하여 새로운 컴퓨팅 시스템, 마이크로파 광자, 감지 및 레이더와 같은 새로운 응용 분야에 적용될 것이며, 광역학, 양자광학 등 새로운 연구 분야에도 활용 가능성이 높습니다. 실험실에서의 기초 연구를 상업적 실현시키려는 노력이 이 분야를 점점 더 발전시켜 나갈 것입니다.

 

* 원본 기사: https://www.nature.com/articles/s41563-022-01363-6