포토닉 집적 회로란?

평면 광파 회로 또는 집적 광학 회로라고도 하는 포토닉 집적 회로(PIC)는 두 개 이상의 연결된 요소로 구성된 마이크로칩으로, 빛을 생성, 전송, 수정 또는 측정하는 회로를 만듭니다. 전자 집적 회로는 전자를 사용하는 반면, PIC는 광자를 사용합니다. PIC에 대한 정보는 가시 스펙트럼 또는 근적외선 스펙트럼의 파장을 지닌 빛의 광학 신호로 생성, 수정 및 측정됩니다.

PIC 제조 및 PIC 내 구성 요소 설계의 발전으로 인해 포토닉 장치의 응용 분야가 통신을 넘어 생체 의료기기, 신호 처리, 양자 컴퓨팅, 다양한 센서로까지 확대되었습니다. 설계, 시뮬레이션 및 제조의 발전으로 인해 이 기술은 더 작은 크기, 칩당 더 많은 기능, 속도 및 정확도 향상으로 계속 진보하고 있습니다. 

전자 집적 회로(IC)가 실리콘을 주요 소재로 사용하는 반면, 대부분의 포토닉 칩은 질화규소(SiN), 니오브산리튬, 갈륨비소(GaAs), 인화 인듐(InP)을 비롯한 전기광학 결정의 조합으로 만들어집니다. 실리콘 기반 광학 구성 요소는 실리콘 포토닉스(SiPh)라 하는 표준 CMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) 제조를 통해 SOI(Silicon-On-Insulator) 재료를 사용하여 만들 수 있습니다. 

PIC를 구성하는 회로 소자는 지정된 장치에서 요구하는 작업에 따라 크게 달라집니다. 엔지니어는 포토닉 구성 요소를 배열하여 회로를 통과하는 광 신호를 수정하고 측정합니다. 단일 칩에 포토닉 장치를 집적하면 전력 효율적인 소형 패키지로 고성능 솔루션을 구현할 수 있습니다. PIC의 가치는 단일 칩에 포함된 기능의 수에 따라 증가하므로 회로의 복잡성과 구성 요소의 밀도도 증가합니다. 

각 구성 요소는 일반적으로 소스, 신호 반송파, 증폭기, 변조기 또는 검출기로 분류할 수 있으며, 수동 또는 능동 구성 요소로 그룹화할 수도 있습니다. 수동 구성 요소에는 전기 입력 또는 출력이 없는 반면, 능동 구성 요소에는 각각 광자를 변조하거나 감지하기 위한 전기 입력 또는 출력이 있습니다. 많은 고급 구성 요소는 더 단순한 구성 요소를 결합하여 만듭니다. 

포토닉 I/O 구성 요소

엔지니어가 PIC에 빛을 투입하고 회로에 도입하는 방법에는 여러 가지가 있습니다. 칩에 수직으로 빛을 도입하는 데는 격자 커플러를 사용합니다. 격자 커플러는 회절 격자와 유사한 주기적 구조로 구성되며, 이는 포토닉 칩에 에칭됩니다. 격자 커플러에는 정밀한 정렬이 필요하지 않으며, 칩에 대해 다양한 각도에서 빛을 도입하는 데 격자 커플러를 사용할 수 있습니다. 또는 광섬유 케이블을 칩에 직접 연결하여 빛을 도파관에 직접 삽입할 수 있습니다(일반적으로 엣지를 통해 엣지로 또는 직접 커플러로). 이 접근 방식에는 광원과 PIC 간의 정밀한 정렬과 견고한 결합이 필요합니다.

레이저

PIC의 능동 구성 요소로 레이저 광원을 도입할 수 있습니다. 인화 인듐 기반 PIC는 포토닉스 회로에 레이저 다이오드 형태로 레이저 구성 요소를 추가하는 것을 지원할 수 있습니다. 

Waveguide

도파관은 포토닉 회로의 구성 요소 간 상호연결로, 광 네트워크를 통해 광학 신호를 전달하는 저손실 구성 요소입니다. 도파관은 평면, 릿지(ridge) 또는 슬롯일 수 있습니다. 도파관은 넓은 스펙트럼 범위에서 광학 신호를 지원할 수 있습니다.

Phase Modulator/Shifter

포토닉 회로의 일반적인 기능은 전기 신호를 사용하여 구성 요소 소재의 굴절률을 변경함으로써 광학 신호의 위상을 변조하거나 이동시키는 것입니다. 실리콘에서 변조는 가장 일반적으로 플라즈마 분산 효과에 의해 이루어지며, 여기서 전기적 입력에 의해 자유 반송파 밀도가 변하면 굴절률이 변하고 빛이 변조될 수 있습니다. 

Coupler and Splitter

포토닉 회로의 신호는 두 개 이상의 입력 도파관을 가져와 신호를 단일 출력으로 결합하는 커플러에서 결합됩니다. 또는 다중화된 신호는 흔히 파장에 따라 별도의 도파관으로 분할될 수 있습니다.

다중화된 신호를 분리하는 한 가지 일반적인 예는 AWG(Arrayed Waveguide Grating) 장치입니다. 이 장치는 파장 분할 다중화기(WDM)로, 배열로 정렬된 다양한 길이의 격자를 사용하여 들어오는 다중화된 신호를 개별 파장으로 분리합니다.

Filter

Mach-Zehnder 간섭계 또는 Micro-ring resonator와 같은 간섭계 구조를 사용하여 원하는 파장을 차단하거나 통과시킬 수 있습니다. 필터는 대역 통과 필터 또는 노치 필터로 분류할 수 있습니다. 

Optical Amplifier

PIC에서 일반적으로 필요한 것은 광학 신호를 변경하지 않고 증폭하는 것입니다. 다양한 증폭기 구성 요소(일부는 전기광학적, 일부는 순수 광학적)를 사용하여 빛의 진폭을 증가시킬 수 있습니다. 

Photo Detector

회로 설계의 어느 시점에서는 PIC에서 전송되고 수정되는 광학 신호를 측정해야 합니다. 광검출기는 광전 효과를 기반으로 광자의 에너지를 전기 신호로 변환합니다.  

포토닉 집적 회로는 전자 집적 회로와 유사한 장점이 있습니다. 포토닉 집적 회로는 별개의 여러 포토닉 구성 요소를 단일 칩에 결합하여 크기, 효율성, 성능을 개선하는 동시에 비용을 절감하고 대량 생산을 지원하는 기능을 제공합니다. 다음은 가장 중요한 장점 중 일부입니다.

• 전력 소비 ‍‍‍‍절절감: 포토닉 회로는 본질적으로 전자 회로보다 더 효율적입니다. 전기 회로는 저항으로 인해 PIC보다 열이 더 많이 발생하고 신호 강도 손실도 더 큽니다. 
• 비용 절감: PIC는 파운드리의 공유 리소스를 포함한 표준 반도체 제조 기술을 사용하여 대량 생산의 비용 이점을 활용할 수 있습니다. 
• 크기 감소: 개별 포토닉 기술과 비교할 때 PIC는 포토닉 장치의 설치 공간이 훨씬 더 작습니다. 이러한 이점으로 데이터 통신 장비의 비용과 설치 공간을 줄일 수 있습니다. PIC를 센서로 사용하면 아주 작은 장치를 장비에 쉽게 장착하거나 웨어러블 기기에 내장할 수 있습니다. 
• 통합: 포토닉 집적 회로를 실리콘 기반 마이크로일렉트로닉스와 혼합하는 기능은 더욱 강력한 장점 중 하나입니다. 전자 회로와 포토닉 회로를 동일한 모놀리식 마이크로칩에 결합하거나 첨단 반도체 패키징 기술을 사용하여 첨단 광전자 패키지 내에서 연결할 수 있습니다. 
• 신뢰성: 개별 포토닉 기술과 비교했을 때 구성 요소를 단일 칩에 집적하면 잠재적 고장 모드가 줄어들거나 완전히 제거됩니다. 또한 반도체 제조의 정밀도는 소재 및 치수 변동성을 제어할 수 있습니다. 

엔지니어들은 포토닉 집적 회로를 위한 새로운 응용 분야를 끊임없이 개발하고 있습니다. 작은 크기와 더불어 빛으로 데이터를 생성하고 수정하며 읽을 수 있는 기능으로 인해 포토닉 집적 회로는 통신, 컴퓨팅, 감지, 데이터 처리를 포함한 광범위한 산업에 적합합니다. 

가장 일반적인 응용 분야는 다음과 같습니다.

광통신

PIC의 가장 일반적인 용도는 다양한 유형의 통신입니다. PIC 기반 트랜시버는 Li-Fi(Light Fidelity)를 통해 데이터 센터, 무선 셀 기지국 또는 여러 차량의 컴퓨터를 연결합니다. PIC는 고속 광섬유 네트워크를 통해 데이터 전송을 지원하는 증폭기 및 다중화기로 사용되거나 고성능 컴퓨팅 애플리케이션에서 프로세서를 연결하는 데 사용됩니다. 

라이다

라이다(LiDAR, Light Detection And Ranging)는 레이저 광 펄스를 사용하여 물리적 물체의 위치를 매핑하는 센서 기술입니다. PIC는 라이다 센서에서 내보내는 특정 광 펄스를 생성하고 되돌아오는 광 시그니처를 정확하게 측정하는 데 매우 중요합니다. 자율주행 차량의 성장으로 라이다 기술이 대규모로 채택되고 있습니다. 

속성 측정

PIC를 포함하는 광 감지 장치는 온도, 화학적 조성, 위치, 속도, 가속도, 압력, 진동, 표면 마감을 매우 정확하게 측정할 수 있습니다. 일부 센서는 빛을 사용하여 물리적 특성을 측정하고, 다른 센서는 분광계와 함께 PIC를 사용합니다. 

Lab on a Chip

칩에 광학 구성 요소를 집적하여 의료 감지 분야에서 활용하면 전자 및 포토닉 집적 회로가 포함된 매우 작은 단일 패키지로 화학 실험실을 소형화할 수 있습니다. 여러 진단 장치를 통해 처리하도록 샘플을 실험실로 보내는 대신 진료 지점에서 직접 환자의 체액 샘플을 측정하는 데 빛을 사용합니다. 

양자 컴퓨팅

양자 컴퓨팅은 광자의 양자 거동을 사용하며, PIC는 빠르게 발전하는 이 기술을 뒷받침하는 핵심 기술입니다. 포토닉 회로는 포토닉 양자 상태를 제어하고 측정하는 데 필요합니다. 또한 여러 양자 컴퓨터 간의 양자 네트워킹에 사용되거나 디지털 컴퓨터에 연결하는 데 사용됩니다. 

인공지능 및 머신러닝(AI/ML)

포토닉 집적 회로는 AI 응용 분야의 폭발적인 성장에서도 중요한 역할을 하고 있습니다. 현재 주요 응용 분야는 컴퓨터 내부 또는 컴퓨터 간의 광통신입니다. 연구원들은 특정 AI 알고리즘, 특히 신경망이 PIC에 적합하다는 사실을 깨닫고 있습니다. 또한 AI/ML을 활용해 AI/ML 애플리케이션에 사용할 PIC를 설계하여 기술적 선순환을 만들고있습니다. 

포토닉 집적 회로는 설계에 엄격하고 세부적인 엔지니어링이 필요한 복잡한 장치입니다. 광자의 거동, 광자와 소재의 상호작용, 광 신호의 주파수, 크기 및 위상의 수정에는 복잡한 물리학이 포함됩니다. 이로 인해 포토닉 회로 설계는 시뮬레이션하는 데 완벽하게 활용할 수 있는 응용 분야이며, 엔지니어는 이러한 시뮬레이션으로 설계 결정을 내리고 설계의 성능과 견고성을 최적화할 수 있습니다. 

엔지니어는 Ansys Lumerical INTERCONNECT 소프트웨어와 같은 툴을 사용하여 회로 수준 시뮬레이션부터 시작할 수 있습니다. 엔지니어는 고전적 포토닉 집적 회로와 양자 포토닉 집적 회로를 모두 구성 요소로 배치하고, 입력 신호로 시뮬레이션을 실행하며, 모델의 어느 지점에서나 신호를 볼 수 있습니다. INTERCONNECT 소프트웨어는 주요 파운드리에서 제공하는 장치 라이브러리와 호환됩니다. 또한 주요 전자 설계 자동화(EDA) 툴 및 워크플로와 함께 작동하며 파라메트릭 특성으로 인해 통계적 연구를 수행하기 쉽습니다.

회로의 각 구성 요소는 Ansys Lumerical FDTD 소프트웨어 및 Ansys Lumerical MODE 소프트웨어와 같은 툴을 사용하여 시뮬레이션하고 최적화할 수도 있습니다. FDTD 소프트웨어는 구성 요소의 포토닉스를 3D 개체로 정확하게 모델링하는 전자기 솔버입니다. MODE 소프트웨어는 도파관 및 커플러의 세부적인 동작을 살펴보는 데 사용됩니다. 설계를 완료하면 결과를 INTERCONNECT 소프트웨어와 같은 시스템 수준 툴에서 사용할 수 있도록 업계 표준 형식의 컴팩트 모델 라이브러리 표현으로 변환할 수 있습니다. 

또한 엔지니어는 열 생성 및 전하 전송이 포토닉 구성 요소에 미치는 영향을 고려해야 합니다. Ansys Lumerical Multiphysics 소프트웨어와 같은 툴을 사용하면 온도와 전하 분포의 변화가 구조의 재료 지수 변화를 어떻게 일으키는지 그리고 이에 따라 포토닉 성능에 어떤 영향을 미치는지 측정할 수 있습니다.

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