컴퓨팅
통신에서 데이터 센터까지 – 포토닉 집적 회로 혁신이 산업을 뒤흔들다
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새로운 연구에서 무기 화합물 리튬 탄탈레이트(LiTaO3)를 사용한 확장 가능한 포토닉 집적 회로 개발이 밝혀졌으며, 이는 물에 녹지 않는 반자성 고체입니다. EPFL 연구진은 광학 기술에서 중요한 진전을 이루었으며, 상업적 적용 가능성이 넓습니다.
포토닉 집적 회로(PIC)는 트랜지스터, 인덕터, 저항기와 같은 전기 부품 대신 빛 또는 광자를 이용하는 포토닉 부품을 포함한 마이크로칩입니다. 포토닉 칩은 레이저, 파형 가이드, 편광기와 같은 광학 부품을 사용해 광자를 제어합니다.
포토닉 칩은 전자 대신 광자를 활용해 정보를 처리하고 전달합니다. 전기 대신 빛을 사용함으로써 열 발생과 같은 전자 기술의 한계를 극복할 수 있습니다.
이것은 PIC가 낮은 열 효과, 큰 집적 용량, 소형화 및 높은 속도와 같은 장점을 제공하도록 합니다. 동시에 PIC는 기존 공정 흐름과 호환되어 비용 절감, 대량 제조 및 높은 수율을 가능하게 합니다.
그 결과, PIC는 자동차, 천문학, 센싱, 바이오메디컬, 데이터 통신 등 다양한 산업 분야에 적용되고 있습니다. 과학자와 연구자들이 PIC를 지속적으로 개선함에 따라 더 많은 적용 분야가 열리고 새로운 기술 시대를 열게 될 것입니다.
현재까지 PIC는 컴퓨팅 시스템과 광통신을 혁신해 왔습니다. 그러나 실리콘 기반 PIC가 비용 효율성과 기존 반도체 제조 기술과의 통합 능력 때문에 시장을 주도해 왔습니다.
실리콘 기반 PIC의 전기광 변조 대역폭 제한에도 불구하고, 실리콘 온 인슐레이터(SOI) 광 트랜시버 칩은 널리 상용화되었습니다. 그러나 최근에는 고속 광 변조에 필수적인 우수한 포클스 계수를 가진 리튬 나이오베이트 온 인슐레이터(LNOI) 웨이퍼 플랫폼이 주목받기 시작했습니다.
리튬 나이오베이트(LiNbO3) 기반 전기광 PIC는 강한 포클스 계수 덕분에 높은 성능의 컴퓨팅, AI용 포토닉 가속기, 데이터 센터 통신 등에 활용되는 등 광범위한 능력을 보여줍니다.
하지만 리튬 나이오베이트가 아직 널리 채택되고 상업적으로 통합되지 못한 이유가 있습니다. 복잡한 생산 요구사항, 제한된 웨이퍼 크기, 높은 웨이퍼당 비용 등이 산업적 활용을 제한하고 있습니다.
이 기술이 비싼 이유는 실리콘 온 인슐레이터(SOI) 포토닉스의 채택을 가속화한 기존의 대량 적용 사례가 없기 때문입니다.
지난 20년 동안 실리콘 기반 PIC는 학술 연구 단계에서 데이터 센터에 광범위하게 사용되는 단계로 빠르게 전환했으며, 이는 SOI 웨이퍼의 비용 효율성과 대량 공급 덕분입니다. 스마트 컷 기술로 제작된 이 SOI 웨이퍼는 실리콘 포토닉스 제조를 가능하게 했으며, 무엇보다도 소비자 마이크로 전자 제품에 널리 활용되고 있습니다.
맥락을 잡자면, 전 세계적으로 매년 직경 300mm인 SOI 웨이퍼가 300만 개 이상 생산됩니다.
하지만 최신 연구에서 전기광 PIC에 리튬 탄탈레이트(LiTaO3)를 사용함으로써, 상황이 결국 변화할 가능성이 있습니다.
LiTaO3는 LiNbO3와 유사한 결정 구조를 가지고 있지만, 무거운 Ta 원자가 Nb를 대체하여 질량 밀도가 높고 화학 결합이 강해 강도와 화학적 안정성이 향상됩니다. 또한 더 큰 광학 밴드갭으로 가시광선 및 자외선 파장 영역까지 비선형 광 변환이 가능하며, 광학 이방성이 크게 감소해 모드 혼합을 억제합니다.
게다가 두 물질의 변조 효율은 거의 동일할 것으로 예상되지만, LiTaO3의 더 높은 광학 손상 임계값은 고출력 응용 분야에서 매우 중요합니다.
이미 상업용 5G 무선주파수 필터에 널리 사용되고 있는 LiTaO3는 연간 75만 개의 리튬 탄탈레이트 온 인슐레이터(LTOI) 웨이퍼 생산 능력에 도달할 것으로 예상되며, 이는 LiTaO3 기반 PIC의 저비용 확장 제조를 가능하게 할 수 있습니다.
확장 가능한 제조를 위한 LiTaO3 PIC
최신 연구는 게재되었으며 스위스 국립 과학 재단(SNSF)과 유럽 연구 위원회(ERC)의 지원을 받아 대량 및 저비용 전기광 PIC의 확장성을 달성하는 데 진전을 보이고 있습니다. 이는 향후 세상을 더 나은 방향으로 지원할 고급 기술입니다.
이는 리튬 탄탈레이트의 도움으로 가능했으며, 리튬 나이오베이트(LN)와 밀접한 관계가 있는 물질로, 산소, 리튬, 나이오븀으로 구성된 다기능 강유전체 결정이며 현대 포토닉스의 기반이자 광 변조기, 모바일 폰, 광 파형 가이드, 압전 센서의 핵심 재료입니다.
리튬 나이오베이트(LiNbO3)와 마찬가지로, 리튬 탄탈레이트(LiTaO3)도 뛰어난 전기광 특성을 가지고 있지만, 비용 및 확장성이라는 추가적인 장점이 있습니다. LiTaO3는 훨씬 낮은 복굴절을 보여주어 LiNbO3에 비해 고밀도 회로와 모든 통신 대역에서의 광대역 작동을 가능하게 합니다.
통신 산업이 이미 5G 무선주파수 필터에 이 물질을 광범위하게 사용하고 있다는 점을 고려하면, LiTaO3는 리튬 나이오베이트의 장벽을 극복하는 데 도움이 될 수 있습니다.
따라서 EPFL의 과학자들은 토비아스 J. 키펜버그 교수와 상하이 미시시스템 및 정보기술 연구소의 교수인 신오와가 이끌어 리튬 탄탈레이트 기반 PIC 플랫폼을 만들었습니다.
이 새로운 PIC는 LiTaO3 고유의 특성을 활용해 고품질 PIC를 보다 경제적으로 구현함으로써 전기광 PIC 분야를 혁신했습니다. 연구에서는 리튬 탄탈레이트를 에칭하여 저손실 PIC를 만들 수 있음을 보여주었으며, 이는 심자외선(DUV) 스테퍼 기반 제조 공정과 리튬 탄탈레이트 마흐-젠더(MZM) 변조기를 사용한 것입니다. 또한 이 플랫폼은 솔리톤 마이크로콤프 생성도 지원하는데, 이는 포토닉 기반 마이크로파 신호 합성에 유망한 새로운 접근법입니다.
이러한 위대한 성과를 달성하기 위해 팀은 리튬 탄탈레이트용 웨이퍼 본딩 방식을 개발했으며, 이는 SOI 생산 라인과 호환됩니다.
연구진은 LiNbO3를 리튬 나이오베이트 온 인슐레이터(LNOI) 구조로 제작해 극히 높은 속도와 낮은 전압을 갖는 완전히 새로운 전기광 PIC 클래스를 제공했습니다. 연구에 따르면 이러한 PIC는 미래의 에너지 효율적인 통신 시스템의 핵심 요소가 될 수 있습니다.
제조는 스마트 컷 기술을 사용해 수행되었습니다. LTOI 제조는 SOI 웨이퍼의 대량 상업 생산과 더욱 밀접하게 연계되어 효율성을 높이고 생산 비용을 낮춥니다.
다음으로 팀은 탄소 마스크를 사용해 웨이퍼를 마스크한 뒤, 고품질의 변조기, 광 파형 가이드 및 팩터 마이크로공진기를 에칭하기 시작했습니다. 웨이퍼 에칭에는 두 가지 기술을 결합했으며: 제어된 빛을 이용해 패턴을 만드는 DUV 포토리소그래피와 이온에 노출시켜 물질을 제거하는 건식 에칭입니다. 처음에는 리튬 나이오베이트용으로 개발된 이 에칭 공정은 이후 더 단단하고 관성적인 리튬 탄탈레이트를 에칭하도록 적용되었습니다.
에칭은 광 손실을 최소화하도록 조정되었으며, 이는 포토닉 회로에서 높은 성능을 달성하는 데 핵심적입니다.
그 결과 연구진은 리튬 탄탈레이트 PIC를 성공적으로 제작했으며, 이는 매우 효율적이고 통신 파장에서 광 손실률이 단 5.6 dB/m에 불과합니다.
위에서 언급했듯이, 현재 고속 광섬유 통신에 사용되는 전기광 MZM은 이번 연구의 또 다른 하이라이트였습니다. 리튬 탄탈레이트 MZM의 전기광 대역폭은 40 GHz에 도달했으며, 반파 전압-길이 곱은 1.9 V·cm였습니다. 연구에 따르면:
“우리 공정은 완전한 웨이퍼 규모이며 심자외선 포토리소그래피 기반으로, 5G 필터용 LTOI 웨이퍼 제작 규모를 활용할 수 있는 고성능 전기광 PIC의 확장 제조 기반을 마련합니다.”
이러한 방식으로 연구의 LTOI PIC는 데이터 센터 인터커넥트, 장거리 광통신, 양자 포토닉스 등에 큰 잠재력을 가진 기존 LNOI 기술과 유사한 손실 및 전기광 성능을 달성합니다. 연구 저자인 청리 왕에 따르면:
“연구는 고효율 전기광 성능을 유지하면서 솔리톤 마이크로콤프를 생성할 수 있었습니다. 이 솔리톤 마이크로콤프는 다수의 코히런트 주파수를 특징으로 하며, 전기광 변조 기능과 결합될 때 병렬 코히런트 LiDAR 및 포토닉 컴퓨팅과 같은 응용에 특히 적합합니다.”
리튬 탄탈레이트 PIC의 광범위한 실제 적용 사례
리튬 탄탈레이트(LiTaO3)를 이용한 포토닉 집적 회로(PIC)의 개발은 다양한 분야에서의 다수의 실제 적용 가능성을 고려할 때 큰 성과입니다. 이 혁신으로 혜택을 받을 수 있는 주요 분야 중 하나는 데이터 센터이며, 이들은 PIC를 활용해 방대한 데이터 트래픽을 관리하고 지연 시간을 줄일 수 있습니다.
통신 분야에서는 리튬 탄탈레이트가 이미 사용되고 있습니다. 이를 PIC에 통합함으로써 최첨단 무선 통신 시스템으로의 전환을 원활히 할 수 있습니다. 동시에 MZM은 광섬유 네트워크의 데이터 전송 속도를 향상시킬 수 있습니다.
컴퓨팅은 이러한 PIC가 제공하는 초고속이 처리 능력을 향상시킬 수 있는 또 다른 분야이며, 양자 컴퓨팅은 리튬 탄탈레이트 PIC의 높은 효율성과 낮은 복굴절로 혜택을 받을 수 있습니다. 소비자 전자 제품 역시 리튬 탄탈레이트 PIC를 활용해 장치 성능을 개선할 수 있는 분야입니다.
또한 라이다(LiDAR)는 자율 주행 차량, 농업, 기상, 항법, 생물다양성, 지도 작성 등 다양한 분야에서 보다 정확하게 활용될 수 있습니다.
그 외에도 의료, 산업, 환경 모니터링에 활용되는 센서와, 고급 PIC가 조기 진단 및 치료 계획에 도움을 줄 수 있는 의료 분야가 이익을 얻을 수 있습니다.
보시다시피, 리튬 탄탈레이트의 고유한 특성을 활용하면 PIC는 향상된 성능, 확장성 및 비용 효율성을 제공할 수 있습니다. 이러한 장점은 고속·고효율 광 솔루션을 요구하는 다양한 응용 분야에 리튬 탄탈레이트 기반 PIC가 매우 적합함을 의미합니다.
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이 혁신으로 혜택을 받을 수 있는 기업들
앞서 논의한 바와 같이 최신 PIC 혁신은 깊은 활용 사례를 가지고 있으며, 이제 이 새로운 기술로 혜택을 받을 수 있는 몇몇 기업을 살펴보겠습니다:
#1. Lumentum Holdings Inc. (LITE)
Lumentum은 레이저와 통신 시장을 다루는 Lasers와 OpComms 부문을 통해 광학 및 포토닉 제품을 제공하는 기업입니다. 이 회사의 시가총액은 31억 2천만 달러이며, 주식(LITE: NASDAQ)은 현재 46.28달러로 연초 대비 11.71% 하락했습니다. EPS(TTM)는 -5.26이며, P/E(TTM)는 -8.81입니다.
LITE 가격 차트
최근 분기 실적에 대해 Lumentum은 3억 6,650만 달러의 순매출을 보고했으며, 이는 예상보다 약간 높았습니다. 그러나 전 분기 대비 감소했으며, 이는 부분적으로 통신 고객들의 재고 문제 때문입니다.
비GAAP 순이익은 1,960만 달러였으며, GAAP 순손실은 1억 2,700만 달러였습니다. GAAP 총이익률은 16.2%로 하락했고, 비GAAP 총이익률은 32.6%로 감소했습니다. 회사의 현금, 현금성 자산 및 단기 투자 총액도 8억 7,090만 달러로 감소했으며, 이는 전환 사채 3억 2,300만 달러 상환 때문입니다.
하지만 CEO 알란 로우는 통신 부문의 회복에 대해 낙관적이며, AI 기반 클라우드 데이터 센터에 대한 수요 증가를 활용할 회사의 능력에 자신감을 표명했습니다.
#2. Infinera Corporation (INFN)
Infinera Corporation은 기업, 정부, 통신사 및 클라우드 운영자를 대상으로 첨단 광 반도체와 광 네트워킹 솔루션을 공급합니다. 이 회사의 시가총액은 12억 7천만 달러이며, 주식은 5.46달러에 거래되고 있어 연초 대비 14.95% 상승했습니다. EPS(TTM)는 -0.34이며, P/E(TTM)는 -16.04입니다.
2024년 2분기에, 이 회사는 보고했으며, GAAP 매출은 3억 690만 달러로 전 분기 4억 5,350만 달러보다 감소했습니다. GAAP 총이익률은 36.0%였으며, 이는 2023년 4분기 38.6%와 2023년 1분기 37.5%보다 다시 감소한 수치입니다. 해당 분기의 GAAP 영업이익률은 14%였으며, GAAP 순손실은 6,140만 달러였습니다.
비GAAP 총이익률은 36.6%, 비GAAP 영업이익률은 8.4%, 비GAAP 순손실은 3,830만 달러였습니다. 회사는 영업 현금 흐름 2,400만 달러와 자유 현금 흐름 1,600만 달러를 창출했으며, 분기 말 현금·현금성 자산 및 제한 현금은 1억 9,220만 달러였습니다.
CEO 데이비드 허드는 2024년 1분기를 중요한 분기로 평가했으며, 이는 주요 고객, RFP 및 설계 수주 모멘텀이 크게 증가한 시점이라고 밝혔습니다.
결론적 고찰
실리콘 포토닉스를 기반으로 한 PIC는 수십 년 동안 통신 및 데이터 센터에서 광범위하게 사용되어 세계를 선도해 왔지만, 차세대 PIC가 등장하면서 상황은 더욱 흥미로워질 것입니다.
전기광 재료 기반의 초고속 PIC는 에너지 효율적인 데이터 센터, 5G 및 6G 무선주파수 필터, 광통신, 그리고 무엇보다 AI 워크로드 기반 고성능 컴퓨팅에서 더 큰 역할을 할 것입니다.
물론 이를 실현하려면 확장 가능하고 저비용의 제조가 필요하며, 최신 연구는 LiTaO3를 사용해 이를 달성했습니다. 경우에 따라 LiNbO3보다 우수한 LiTaO3는 기존 생산 라인과 호환되어 이 새로운 방법을 매우 매력적으로 만듭니다. 이는 산업 전반에 걸쳐 광범위하게 적용 가능한 저비용 차세대 전기광 PIC를 약속합니다.
