대용량 병렬 컴퓨터와 같은 차세대 정보 시스템 및 1Tb/s 급 이상의 ATM 스위칭 시스템 내에서 이루어지고 있는 보드간, 백플레인간 전기적인 접속은 한계에 직면하고 있다. 금속 케이블을 광섬유 케이블로 대체한 광접속 기술은 전기적인 접속 기술에서 나타나고 있는 한계를 극복할 수 있는 가장 유력한 방법 중에 하나이다. 광접속 기술은 전기적인 접속에 비하여 실장밀도가 상당히 높고, 선로 접속에서 그라운드 문제가 없으며, 전기적 신호처리 속도가 증가하면서 요구되는 복잡한 아날로그 신호처리가 필요 없다. 특히, 병렬 광접속 기술은 높은 처리용량, 손쉬운 시스템 집적화 등의 장점을 가지고 있기 때문에 현실적으로 가장 좋은 방안으로 기대되고 있다.보드간/랙간 접속, 초대용량 컴퓨터의 CPU 병렬처리, SONET OC-192/OC-768 VSR, 인피니밴드(Infiniband), 파이버 채널(Fibre Channel), 10GbE, SNAP12 MSA 등에서 적용되고 있는 광접속 모듈 기술은 인피니언, 자링크, 피코라이트, 고어, 애질런트 등에서 12ch×3.34Gb/s 급의 상용화 단계에 있으며, IBM 등에서는 고속 대용량 전송을 위한 채널 전송속도는 10Gb/s 이상과 총 전송량은 100Gb/s 급 또는 그 이상을 목표로 연구를 진행 중에 있다. 채널당 전송속도의 상승으로 광접속 모듈 패키징의 전기적인 데이터 입출력 핀의 구조가 SMD 형에서 BGA 형으로 연구가 되고 있다.광도파로 또는 광섬유를 내장한 백플레인에 광슬롯을 구비하여 시스템보드를 결합시키는 광 PCB도 최근 이슈화 되고 있고, 인텔에서는 일반 PC 내 CPU와 메모리간 연결에서 조만간 다가올 전기적인 접속의 한계를 극복하기 위해서 실리콘 포토닉스(Si photonics) 및 FTTP(fiber-to-the-processor) 기술 개발 연구와, 조지아 텍(Georgia Tech)에서는 SoP(system-on-a package) 내 디지털-RF간 3D 광인터커넥션에 관한 연구 등을 하고 있다.이 글에서는 고속 대용량 광접속 모듈 기술에 대한 전반적인 내용과 구성 요소별로 나누어 기술동향을 알아본다. 광접속 모듈 기술에서 중요시 요구되는 광도파로 및 광커넥터 기술, 광접속 및 광결합 기술, 모듈의 저 소비전력화 방안, BER(bit error rate) 향상방안 등과 국내외 연구기관에서 발표한 연구내용을 간단하게 소개한다. 마지막으로, 광접속 모듈의 기술전망 및 시장전망을 살펴보고자 한다.광접속 모듈 기술고속 대용량 광접속 기술은 여러 채널의 리본 광섬유 또는 광도파로를 이용해 수 센티미터 또는 수백 미터의 전송거리에서 고속으로 대용량의 광신호를 병렬로 전달하는데 사용되며, 데이터 전송속도, EMI(electro-magnetic interference), 채널간 누화(crosstalk), 스큐(skew) 등의 전기적 접속의 병목현상을 해결할 수 있는 유일한 대안 기술의 하나이다. 그림 2 및 그림 3에서는 고속 병렬 광접속 모듈의 개념도 및 블록 다이어그램을 묘사하고 있다. 한 PCB 위에 VCSEL(vertical-cavity surface-emitting laser) 광원 또는 PIN-PD(photo detector) 광검출기, 폴리머 광도파로 및 다채널 광커넥터와, 전기회로 부분인 VCSEL/PD 구동회로가 서로 연결되는 구조와 패키징되는 관계를 보인다.광접속 송신 모듈은 물리계층의 전기신호가 다중화된 고속의 데이터를 구동회로를 통하여 VCSEL에서 광신호로 변환해 원하는 장소로 전송한다. 광접속 수신 모듈은 병렬로 입력되는 광신호를 PD에서 전기신호로 변환한 다음 증폭, 재생 및 역다중화하여 물리계층으로 다시 보낸다. 모듈의 응용분야는 그림 4와 같이 (a)점대점 연결용, (b)시스템보드 연결용, (c)칩 연결용 등의 형태로 나뉠 수 있다.광도파로 및 광커넥터 기술광접속 모듈의 광결합용으로 사용되는 고분자 광도파로 기술은 DuPont, AMP, NTT, iMM Allied Signal 등에서 저가형이면서 유연성이 있는 광도파로 제작을 위한 공정 개발 연구가 활발히 진행됐으며, 고속 광대역 통신을 위한 플루오르 화합물 도입 등 저손실 고분자 재료에 대한 연구가 지속적으로 진행되고 있다. 고분자 도파로 제작 공정의 생산성을 높이기 위해서 레이저 직접묘사법(laser direct writing), UV 엠보싱(UV embossing), 핫엠보싱(hot embossing) 등과 같은 다양한 공정 연구가 계속해서 진행되고 있다.광접속 모듈의 다채널화를 가능하게 한 주요 부품중에 하나인 다채널 광커넥터는 광통신 시스템 내에서 병렬 광접속에 사용되는 필수적인 소자로 일본에서 개발된 MT, MPO 커넥터 등의 고분자-실리카 복합소재를 이송성형(transfer molding)해 제조하는 방법과 실리콘 기판을 식각하여 다채널 광섬유를 정렬하여 제조하는 MAC 등이 다채널 일괄접속에 이용되고 있으며, 현재 MT 커넥터는 8채널 및 12채널 뿐만 아니라 2차원 구조의 24채널에서 최대 80채널의 다채널 광커넥터도 연구돼 제품으로 출시됐다.광접속 및 광결합 기술시스템간, 보드간 및 칩간 광접속 기술은 광모듈의 VCSEL 모듈과 PD 모듈 사이를 접속 또는 연결시키는 기술로써 자유공간, 폴리머 광도파로 및 리본 광섬유 등을 이용한 세 가지 방법이 주로 연구되고 있다. 수 센티미터의 아주 가까운 거리에서의 광연결을 위해서는 자유공간 광접속 방법을, 수 센티미터에서 수십 센티미터 정도의 광연결을 하기 위해서는 폴리머 광도파로에 의한 광접속 방법을, 수 미터에서 수백 미터 정도의 광연결을 하기 위해서는 리본 광섬유에 의한 광접속 방법을 이용한다.자유공간 접속방법은 자유공간에서 고속으로 신호의 손실 없이 3차원적인 연결을 달성할 수 있는 이점이 있으나, 광경로 정렬과 패키징에 어려움이 있어 저가격화에 불리하며, 더욱이 채널간 누화 없이 수십 센티미터 이상 연결하는 데는 어려운 점이 있다. 폴리머 광도파로 접속방법은 수십 센티미터까지의 칩간, 보드간 연결에 적합하고, 특히 제작비가 저렴해 광접속 모듈을 실용화하기에 유리하다. 리본 광섬유 접속방법은 수십 센티미터에서 수백 미터의 비교적 먼 거리까지 적은 손실로 점대점 연결을 유지할 수 있는 장점이 있다. 따라서, 보드-보드 사이, box-box 사이, 또는 시스템-시스템 사이의 광연결에 유리하다.광접속 모듈 내 VCSEL(또는 PD) 어레이와 다채널 광커넥터와의 결합방식에는 그림 5와 같이 (a)VCSEL/PD를 45° 반사경이 있는 리본 광섬유에 막바로 결합시키는 방식, (b)VCSEL/PD는 45° 반사경이 있는 폴리머 광도파로에 결합시키고 폴리머 도파로는 MT 광커넥터와 연결시키는 방식, (c)VCSEL/PD를 수직으로 폴리머 도파로에 직접 결합시키고 폴리머 도파로는 MT 광커넥터와 연결시키는 방식, (d)플라스틱 패키지에 수동정렬로 고정시킨 VCSEL/PD를 어댑터를 이용해 수직한 리본 광섬유에 직접 결합시키는 방식 등이 있다. (a)방식은 OETC 및 PAROLI, (c)방식은 Optobus 및 POINT, (d)방식은 NEC 및 STAR 등이 채택하고 있으며, 가장 많이 사용되는 방식은 (b)방식으로, POLO, ParaBIT, ETRI 등이 채택하고 있다.저 소비전력 방안광접속 모듈에 대한 저 소비전력화 방안은 첫 번째로, 드라이버/리시버 어레이칩 재질/ 구조 개선과 최적 설계이다. 현재 모듈 내 VCSEL 구동 및 수신회로 IC 칩으로 사용하고 있는 드라이버/리시버 어레이칩의 재질 및 구조를 SiGe BiCMOS에서 Si CMOS로 대체하는 방안으로 이것은 CMOS 공정이 비교적 간단하고 DC 상태에서의 전력 소모가 극히 적은 장점을 가지고 있고, 전체 소비전력을 약 1/2배로 줄일 수 있다. 그러나 현재 전세계적으로 반도체 공정상 3Gb/s 급 이상에서 동작되는 Si CMOS 소자의 제작은 어렵다. 그리고 드라이버/리시버 어레이칩의 최적 설계로, 필요한 기능만 칩에 내장하여 전력소모 최소화하는 방안이 있다. 두 번째로, 현재 세계 표준에서는 전기적 인터페이스 회로를 CML(12채널 2.5Gb/s Working Group, InfiniBand), LVDS(VSR-OC192, SCI, HIPPI 6400 standards 등)로 정하고 있는 추세지만 CML(current mode logic)을 LVDS(low-voltage differential signals)로 대체 사용하는 것은 전기적 인터페이스 회로의 동작전원 최소화로 전체 소비전력을 다소 줄일 수 있다. CML을 LVDS로 대체할 경우 이 부분에 대하여 최대 2.5배 이상의 전력 절감이 가능할 것으로 보인다. 세 번째로, 어레이칩의 완벽한 열방출로 모듈 동작시 드라이버/리시버 및 VCSEL/PD 어레이칩의 열방출을 완벽하게 이루어줌으로써 L-I curve shift 등에 의한 부가적으로 소모되는 전력을 막을 수 있다. 네 번째로, 낮은 문턱전류와 높은 슬롭 효율을 가지는 칩을 선택하는 방안과, 다섯 번째로, 곡면 등과 같은 최적의 반사경 구조 적용하여 광결합 효율의 극대화로 채널당 바이어스/변조 전류량 감소로 전체 소비전력을 최소화하는 방안이 있다.BER 향상 방안광접속 모듈의 3dB 대역폭은 주로 플립칩(flip-chip) 본딩 패드에서 존재하는 기생 정전용량에 의해서 제한되며, VCSEL 어레이의 동시 동작에 의한 열적 누화가 BER 성능 저하에 영향을 끼칠 수 있다. 또한, 수신 신호에 원치 않는 진폭변조로 작용하고 BER 성능을 저하시키는 것은 광결합부의 정렬 부정합에 의해서 발생하는 것으로 알려져 있다.다중모드 광섬유로 연결된 수신기에서 얻어지는 신호 대 잡음비는 모드 잡음 효과에 지배적인 영향을 받고 있다. 이 모드잡음은 광섬유 내에서 나타나는 스펙클(speckle) 패턴이 주원인이며, 이 스펙클 패턴은 시간에 따라 변화하고 커넥터와 같은 불연속점에 의한 공간 필터링이 존재함에 따라 변할 수 있다. 또한, 다중모드 레이저는 가간섭성이 적기 때문에 광섬유의 길이가 증가함에 따라 스펙클 명암비가 감소하게 된다.따라서, 광도파로의 모드수 및 모드잡음의 최소화, VCSEL/PD와 광도파로(또는 광섬유)간 정렬의 극대화, VCSEL/PD와 광도파로(또는 광섬유)간 광학적 반사손실 최소화, 본딩 패드의 기생 정전용량의 최소화, 열적 및 전기적 누화의 최소화 등을 실현하고 파워 버짓(power budget)을 확보함으로써 BER 전송 특성을 향상시킬 수 있다.국내외 광접속 기술현황국내외 광접속 기술개발 현황을 살펴보면, 인텔에서는 그림 6(a)와 같이 CPU에 광원, 광검출기, 광변조기, WDM 커플러 등을 단일 칩으로 구성하여, CPU와 메모리간 전기적인 접속의 한계를 극복하기 위한 연구 즉, 실리콘 포토닉스 기술 연구를 수년간 해오고 있으며[4], IBM에서는 그림 6(b)와 같이 광송신/수신 기능을 단일 패키지에 집적한 새로운 전기 칩 캐리어를 만들어 1×12ch, 10Gb/s/ch VCSEL 및 1×12ch, 10Gb/s/ch PD 어레이가 혼합된 전기 광 I/O를 개발(각 12채널마다 2층의 폴리머 도파로가 PCB에 내장)했으며[5], 조지아텍(Georgia Tech)에서는 그림 6(c)와 같이 광경로 변경을 위한 거울 또는 렌즈가 사용되지 않고, 광전자소자와 광회로간 결합이 쉬우면서 생산성 있는 EEL(edge-emitting laser) 및 EVPD(edge-viewing photo diode)를 이용하여 EEL 및 EVPD가 정렬 부착된 유연성 있는 광접속 기술을 소개했다[6].국내 ETRI에서는 24채널의 2차원 구조를 가진 60Gb/s 급 광접속 모듈을 개발하였다. 이 모듈은 저가격화가 가능한 24채널의 2D 광접속 모듈을 제공하고, 고효율의 2D 반사경, 핫엠보싱(hot embossing)에 의한 저가의 2D 광도파로, 수동접속의 2D 유니페룰, 수동정렬을 위한 실리콘 광학벤치와 고속동작 가능한 저가의 FR4 PCB로 구성되어 있다. Tx-Rx 링크 모듈의 광전송에서 낮은 지터, 낮은 rise/fall time의 결과를 얻었다[7].또한, ETRI에서는 iTEC, ICU, 삼성전기와 공동으로 광 PCB용 광시스템보드 모듈과 광백플레인 모듈을 개발했다. 고속 대용량 통신시스템의 백플레인에서 직면하고 있는 전기적 배선의 한계를 광접속으로 해결하는 광도파로(또는 광섬유) 내장 광 PCB의 시스템 개발을 위한 광접속 모듈이다. 핵심 문제들을 구체적으로 제시하고 광도파로가 내장된 PCB로 채널당 10Gb/s의 프로세싱 보드와 백플레인간 연결 기능구현을 처음으로 시연함으로써 광 백플레인의 실현 가능성을 보여 주었다[8].그리고 ICU에서는 양방향 광 링크를 위하여 0.18μm 반도체 공정기술에 의한 드라이버-리시버가 결합된 CMOS TRx(transceiver), 광커넥터, 광 PCB를 설계 및 제작하였다. CMOS TRx는 단일 칩에서 송신/수신이 모두 동작하고, 광 PCB에서는 2×6채널 광섬유가 내장되었으며, 광커넥터에는 곡률반경이 3.5mm인 2×12채널 광섬유가 90° 벤딩 돼, 수동정렬이 가능하며 채널 당 2.5Gb/s에서 동작되는 TRx 모듈을 제작함으로써 양방향 광링크의 가능성을 보여 주었다[9].광접속 기술전망 및 시장전망최근 1×4 10Gb/s/ch VCSEL 광원 및 PIN-PD 광검출기가 상용화 됨에 따라 기본적으로 채널당 전송속도가 2.5Gb/s에서 10Gb/s로 고속화 되는 추세고, 칩 기술의 한계 극복과 보다 더 많은 용량의 신호를 전달하기 위하여 광도파로 및 광섬유를 집적하는 기술과, 보드 내장형 및 보드 고정식에서 벗어나 유연성 있는 플렉시블 방식 등의 기술이 연구 개발되고 있다. 광접속 기술의 발전추세는 서브 시스템의 전송용량은 2000년도에 500Gbps에서 2005년도에는 1Tbps 급으로, 광접속 방식은 2005년도 전후로 광도파로(또는 광섬유)간 직접연결 또는 2차원 연결 방식으로 발전하고 있다.KT 전화국 사내 대용량 광네트워크 장비(OXC, OADM, 스위치, 라우터 등)간 병렬 광신호 전송과, 삼성전자, 하이닉스 등에서 생산하는 고속 대용량 메모리(DDRRAM, RDRAM 등)의 성능을 시험하는 메모리 테스트 장비 내 광접속 기술의 활용이 기대되고 있으며, 인텔, AMD 등에서 생산하는 CPU와 메모리간 광연결 즉, FTTP에도 활용이 기대되고 있다. 그리고 RF 및 디지털 회로간 상호간섭을 막아주고 부족한 신호 전송로를 확보하며 초고속의 클록 신호를 분배해주기 위해서 임베디드 광소자와 마이크로 몰딩 광도파로 기술을 이용해 RF 소자 및 디지털 소자의 패키지를 수평 및 수직으로 집적화 하는 3차원 광 SoP 기술로 확대 응용될 전망이다.VCSEL 기반의 병렬 광접속 모듈 세계 시장은 2005년에 8.9억 달러, 2009년에 138억 달러 규모로 고속 성장이 예상되며, 이는 최근 기가비트 이더넷(Gigabit Ethernet) 및 파이버 채널이 성공한데 영향을 입은 것이며, 이러한 폭발적인 성장률은 계속될 것으로 보인다. 또한, 디지털 장비의 급속한 대용량화, 마이크로 프로세서의 고속화 및 다병렬화, 광접속 링크의 급격한 저가격화, DWDM의 고팽창화에 힘을 더 얻을 것으로 보인다. 데이터통신 표준이 빠르게 진보하여 응용분야별 광접속 모듈의 시장은 10Gb 이더넷, 10Gbps급 SONET 초단거리 연결, 인트라 시스템에서 병렬 접속, 2~10Gbps 파이버 체널, 군사/항공우주(Military/Aerospace) 순의 규모를 나타내고 있으며, 스위치망 내에 직/병렬 링크에 광접속 모듈을 응용하는 새로운 시도가 보이고 있다. 인트라 시스템 접속(Intra-system Link) 시장은 광접속 및 광백플레인을 포함하는 광접속 모듈이 중심을 이룰 것으로 보인다.맺음말광접속 기술은 고속화(1×4ch 10Gb/s VCSEL/PD 상용화로 채널당 전송속도 증가), 고밀도화(2차원 광도파로 또는 광섬유 이용으로 신호의 전송량 증대), 플렉시블화(휴대전화 디스플레이 연결용, PCB 위 칩간 연결용 등)로 발전되고 있다. 인텔, IBM, 조지아 텍 등에서 주도하고 있는 FTTP 기술은 일반 PC에서 CPU와 메모리간을 광으로 연결하고자 하는 기술로, 짧게는 5년, 길게는 10년 이내에 상용화가 기대되고 있다. SoC, SiP 다음 기술인 SoP 기술에서 RF 소자와 디지털 소자간 상호간섭을 막아주고 부족한 신호 전송로를 확보하며 초고속의 클록 신호를 분배해주기 위한 3D 광인터커넥션 기술이 등장하여 관심을 모으고 있다.
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