[테마특강] 전문가에게 듣는다;FTTH의 과제

박인식 *1958연 출생 *서울대 금속공학과및 동대학원 졸업 *U.C.버클리 반도체재료 박사미 로렌스 버클리연구소 연구원 *Infrared Detector 개발 *1992년 GaAs(갈륨비소)반도체 개발 *1993연 광소자 개발 1966년 STL의 카오에 의해 유전체 도파관인 실리카 글라스가 광전송매체로 사용될 수 있다는 가능성이 제시된 이후 광섬유에 대한 개발이 급격하게 진전되었고 지난 70년대에는 실리카 광섬유의 저손실 파장 영역대에서 반도체 레이저의 상온 연속발진에 성공함으로써 본격적으로 광통신의 실용화연구가 시작되었다. 이후 눈부신 발전을 거듭하여 현재 광통신기술은 고속의 정보전 송이 가능한 5Gbps급의 상용화단계를 지나 10Gbps급의 완성을 눈앞에 두고 있으며 EDFA(Erbium-doped Fiber Amplifier)등의 광증폭기를 이용한 광 직접 증폭기술까지 발전하였다.

이와 같은 광소자 및 광전송기술의 획기적인 발전을 바탕으로 미국의 NII(Na tional Information Infrastructure), 일본의 VI&P(Visual Intelligent and Personal)등의 계획을 위시하여 세계 각국에서는 국가적인 차원에서의 광통 신망을 구성하여 고도의 정보화사회를 이루어가려는 노력에 한층 힘을 쏟고있으며 우리나라에서도 정부차원에서 2015년까지 총45조원의 재원을 투입하여 초고속 정보통신망을 구축하려는 계획이 이미 추진되고 있음은 주지의사 실이다. 이러한 정보통신망의 구축은 궁극적으로 각 사무실 및 가정까지를 광통신망 으로 연결하여 필요한 데이터 및 영상정보를 공급, 본격적인 멀티미디어서비 스를 제공하여 고도의 정보화사회를 달성하는 것이 목표이다. 이 정보통신망 은 방송국 또는 전화국에서 다른 전화국 등을 연결하는 2.5Gbps급이상의 국간전송망과 전화국에서 각 가입자까지를 연결하는 1백55Mbps급의 가입 자망으로 구분할 수 있다. 그림은 지난 94년 일본 우정성에서 각 가입자까지 를 광으로 연결하는데 필요한 비용을 계산하기 위하여 제시한 가입자망 구성 방식이다. 최종 단계에서는 교환기와 각 가입자를 1대1로 연결하는 SS(Single Star) 방식을 목표로 하고 있으나 많은 비용이 소요되는만큼 그 중간 단계로서 16 분기 광커플러를 이용하여 가입자들이 전송망을 일부 공용하여 경제성을 높인 PDS(Passive Double Star)방식이 혼용될 것으로 예상되고 있다.

2010년까지 FTTH(Fiber To The Home)을 완료하려는 일본의 경우 위의 SS와 PDS방식이 혼용될 경우 가입자망의 완료까지 약 32조엔, SS방식만 으로 망이 구성될 경우 약 52조엔의 비용을 생각하고 있다. 이러한 비용의 많은 부분은 각 가입자들이 보유하게 되는 전송장치가 차지하게 되며, 수많은 가입자가 비용을 분담하게 되는 국간 전송과는 달리 가입자망 장치는 각 가입자가 단독으로 부담하는 비용이다. 따라서 초고속 정보통신망 구축에 필요한 여러가지 기술 가운데서도 각 가정에서 경제적인 부담없이 사용할 수있는 저가격의 신뢰성 있는 광전송장치(가입자용 광송수신 모듈)의 개발은 광가입자망의 본격 보급을 위한 가장 중요한 요소라 할 수 있을 것이며 전송 장치의 핵심 부품인 반도체 레이저의 고신뢰화.저가격화는 현재 모든 광통신 관련 연구기관들의 가장 큰 관심사가 되고 있다. 필자는 이러한 반도체 레이저의 특성 및 제조공정, 그리고 저가격화를 위한 노력이 어떻게 진행되고 있는지에 대하여 논하고자 한다.

광통신용 반도체 레이저란 전기신호를 빛신호로 바꾸어주는 소자로서 대표적 인 화합물 반도체인 InGaAsP/InP계통의 재료로 주로 만들어지고 있다. 이는레이저 빛을 발광하는 활성층(Active Layer)을 이루는 InGaAsP반도체의 에너지갭이 0.75~1.3eV로서 실리카 광섬유의 전송손실이 가장 낮은 영역인 1.

3㎙및 1.55㎙파장대에 가장 적절하기 때문이다. 광통신용 반도체 레이저의 구조는 크게 FP(Fabry-Perot)형, DFB(Distributed Feedback)형, DBR (Distributed Bragg Reflector)형으로 구분할 수 있으며 가입자용으로 사용되는 반도체 레이저는 전송망 분배장치에서 각 가입자까지 필요한 데이터 및영상정보를 전달하기 위하여 1백55Mbps 또는 6백22Mbps 정도의 전송 속도를 필요로 하며 이러한 레이저는 보통 PBH(Planar Burried Het-erostruc ture)라 불리는 구조를 갖는 Fabry-Perot형 레이저이다.

이러한 반도체 레이저의 제조공정은 크게 반도체 칩 제조공정과 광섬유와 칩을 정렬시켜주는 패키징 및 모듈화 공저으 그리고 10년 정도의 장기간 동작 시에도 안정성을 보장해 줄 수 있는 신뢰성 시험공정등으로 구분할 수 있다.

먼저 반도체 칩의 제조공정는 InP 웨이퍼 위에 InGaAsP 박막층을 성장시킨후 조립공정을 거쳐 레이저 칩을 제조하는 것으로 박막층을 성장하는 방법으로는 MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)방법과 LPE(Liquid Phas e Epita.y)방법이 사용되고 있다. 이 두가지 방법은 모두 각각의 장점을가지고 있으나 재현성, 균일성, 그리고 미세한 두께 조정이 용이하다는 점에서 MOCVD 방법이 보다 선호되고 있고 사용이 증가되고 있는 추세이다.

이와같이 만들어진 칩은 칩에서 나오는 빛이 광신호의 전송매체인 광섬유에 잘 들어갈 수 있도록 적절한 구조를 갖는 패키지에 장입하여야 하는데 이러한 공정이 패키징 및 모듈화 공정이다. 이 공정에서는 광섬유와 레이저 칩에서 발생되는 빛의 광결합 효율을 향상시키기 위해 주력하고 있다. 반도체칩 에서 광을 발생시키는 활성층의 두께는 0.1~0.2㎙정도이므로 극히 얇은 층에서 광이 수평 및 수직 방향으로 30~50도정도의 각도로 퍼져 나오며 단일모드 광섬유의 코어 지름은 9~10㎙정도이므로 레이저의 광을 최대한 광섬유의 코어 부분에 집중시키기 위해 GRIN(Graded-Inde.)렌즈 또는 볼렌즈 등을 사용하거나 광섬유의 끝단을 렌즈 형태로 가공하는 방법 등이 고안되었고, 또한 레이저 칩과 광섬유를 정렬하여 고정시키는 방법으로서는 신뢰성 및 재현성 의 확보를 고려하여 고출력 YAG 레이저 등을 이용한 용접방법이 보편화되고 있는 실정이다.

이렇게 제작된 반도체 레이저는 10년 이상 안정적으로 동작되도록 요구되기 때문에(해저용 광케이블 및 전송장치의 경우 25년간 2회 이하의 고장이 용납 됨) 그 신뢰성을 확보하는 일이 중요하며 이를 위한 공정이 신뢰성 시험공정 으로서 70℃에서 5천시간 이상 동작시킨 후 여러가지 소자의 특성 검사를 하기도 하고 -40℃에서 70℃사이를 50회 정도 온도 왕복한 후 소자의 특성검사 를 하는 등 여러가지 까다로운 조건을 만족시키는 테스트를 하는 공정이다.

이공정에서 얻어진 결과들은 앞의 공정을 개선하도록 피드백시켜주는 역할 도 담당하고 있다.

이렇게 만들어지는 가입자용 통신용 반도체 레이저에서 현재 세계 각 기업이 해결을 목표로 하는 가장 큰 과제는 저가격 언쿨드(Uncooled)레이저의 개발 이다. 언쿨드레이저란 일반적으로 반도체 레이저에서 발생되는 열을 방출시키기 위하여 사용되는 TEC(Thermoelectric cooler)등의 추가 부품이 필요없는 반도체 레이저를 의미한다. 반도체 레이저는 대표적인 액티브 디바이스로 서 외부의 바이어스에 의해 전기신호를 광신호로 변환하여 주며 이 과정에서두께 1㎙ 미만인 발광층에 열이 발생하여 칩 자체 온도가 올라가게 된다. 온도의 변화에 의하여 반도체의 에너지 갭이 변함은 물론 내부의 굴절률 및 전자의 이동속도 등 여러가지의 변수가 바뀌게 되어 레이저 자체의 특성이 달라진다. 이러한 변화는 레이저 발열뿐 아니라 주위 온도의 변화에 의하여도 같은 과정을 겪게 되기 때문에 레이저의 안정적인 특성 및 장기적 신뢰성을 확보하기 위해서는 이러한 온도 변화에 대한 대응이 필요하게 된다. 특히 통신용 반도체 레이저에 사용되는 InGaAsP/InP재료의 경우 온도 의존성을 나타내는 characteristic temperature To 반도체 레이저 특성의 온도 의존도 는 characteristic temperature, To,로 표시하게 되는데 즉 레이저 발진임 계전류의 온도 의존성은 I=Io e.p(T/To)로 나타나므로 To가 높을수록 온도의존성이 적다는 것을 의미함 가 1백K정도로 정보처리용 또는 표시용 반도체 레이저에 사용되는 AlGaAs/GaAs재료(50K)에 비하여 훨씬 높아서 온도변화 에 따라 레이저의 특성에 많은 변화가 생기게 된다.(InGaAsP의 에너지 갭이G aAs또는 AlGaAs의 에너지 갭보다 작기 때문에 일어나는 여러가지 현상에 기인하는 것으로 알려져 있음) 이러한 온도 의존성이 높은 반도체 레이저를 전 소용 광원으로 사용하였을 때 주위 온도 변화나 자체 발생열에 의한 온도 변화에 의하여 전송신호의 왜곡을 가져오게 된다.

이를 방지하기 위하여 레이저의 패키지 내부에 TEC등의 부품을 사용하게 되는데 이러한 추가부품 및 주변회로 등을 사용함으로 인하여 광송신용 모듈의 가격이 올라가게 되며 또한 이들 부품에 대한 신뢰성까지를 별도로 고려해야 하므로 레이저 자체로서 온도변화에 안정적으로 작동하는 특성을 갖는 -언쿨드레이저를 제작하는 것이 무엇보다도 저가격의 관건이라 하겠다. 이러한 장점을 갖는 언쿨드레이저는 레이저 칩의 구조개선, 온도특성이 뛰어난 재료시스템 등에 의하여 제작이 가능할 것으로 예상되며 이를 위한 노력이 계속 연구되고 있는 중이다.

칩구조의 개선은 우선 활성층을 Quantum well 구조로 제작하는 방법이 있다.

Quantumwell이란 약 1백오옴 이하의 매우 얇은 반도체 층을 형성하여 이층 안에 존재하는 전자들이 양자화되며 동시에 에너지 갭이 작은 층의 외부에에너지 갭이 큰 반도체층을 성장시켜 중간의 에너지 갭이 작은 층이 마치 우물 과 같이 작용, 전자의 밀도가 증가하도록 하는 구조이다. 이와 같은 구조를 통하여 Auger Recombination 및 Invalence Band Absorption(밴드간 흡수)등 을 줄여 특성을 개선시키는 것이 어느 정도 가능한 것으로 보고되고 있다.

또한 Quantum well 구조제작시 이웃한 반도체 층간에 약간의 격자정수가 차이가 나도록 하여 Strain을 부여하는 구조에 대한 연구도 진행되고 있다. 이 경우 압축 Strain이나 인장 strain에 의하여 레이저 칩의 밴드 구조가 변화 하게 되어 낙후되어 있던 Light Hole(정공)과 Heavey Ho-le Band가 분리되며이에 따라 Hole의 운동량이 작아져 위의 재결합이나 흡수가 줄어들어 더 좋은 특성을 가질 수 있다는 것이다.

최근들어서 구조의 개선에 의한 온도 특성의 개선 이외에 재료 자체를 변경 하여 특성을 향상시키려는 시도에 대해서도 보고된 바가 있다. 이에 적절한 재료는 InGaAlAsP/InP시스템으로 InGaAsP/InP재료와 마찬가지로 1.3㎙및 1.

55㎙파장대의빛을 생성하나 InGaAsP/InP에 비하여 재료 특성상 Epita.y성장 의 용이성, 컨덕션 밴드(전도대)의 에너지 불연속성이 밸런스 밴드 가전자대 의 불연속에 비하여 크기 때문에 고온 특성이 우수할 것으로 예상되는 점,칩구조 구성의 용이성 및 굴절률이 높음으로써 얻어지는 Optical Confine ment효과 등에서 보다 유리한 것으로 기대되고 있다. 대표적으로 벨코어연구 소에서는 최근들어 Strained-layer Quantum well구조의 InGaAlAs/InP계의 언 쿨드반도체 레이저가 임계발진전류, 양자 효율, 변조 속도 등의 특성이 우수 하여 가입자용 광원으로서 우수한 성능을 가짐을 확인함으로써 신뢰성 있는저가격 반도체 레이저 제조의 가능성을 확인하였다.

아울러 광결합 효율 향상을 위해서는 패키징단계에서 뿐 아니라 레이저 칩의 설계 단계에서도 칩 내부의 도파로 구조 등의 적합화에 의하여 레이저의 Far -field pattern을 개선함으로써 레이저-광섬유간 결합을 용이하게 하고 대량 생산이 가능하게 함으로써 저가격화를 실현할 수 있을 것으로 기대된다.

언쿨드 레이저로 대표되는 저가격 모듈의 개발을 위한 노력들은 이미 지난 70년대말 또는 80년대 초에 1백Mbps급 반도체 레이저의 상용화를 달성하였고 고속.대용량 전송을 위한 2.5Gbps 또는 10Gbps급 통신용 레이저의 본격 상용화를 위해 전력하고 있는 미국의 AT&T.벨코어.일본의 NTT.NEC.후 루카와.미쓰비시.히타치 등 수많은 굴지의 기업들에 의해서도 본격 추진되고 있는 실정이며 국제 전문학회에서도 많은 논의가 진행되고 있다. 이들은 현재 5백~1천달러 정도의 가격인 1백55Mbps급 송신 모듈의 가격을 약1백달러정도로 낮추는 것을 목표로 하고 있으며 이러한 투자 및 노력뒤에는본격적인 광가입자망의 보급에 따르는 가입자용 송신 모듈의 막대한 시장에대한 확실한 기대가 있음은 당연한 사실이다.

세계무역기구(WTO)가입, 통신시장의 개방 등 변화하는 국제 여건 속에서 우리나라도 더 이상 기술 및 자국 상품 보호가 가능하지 않게 될 것으로 보이며 국내외 시장이 하나로 통합되어 감에 따라 선진 외국의 제품과 국내외에 서 본격적인 경쟁을 벌이지 않을 수 없게 되어가고 있다. FTTH의 실현으로 다가오는 고도의 정보화 사회를 대비하는 우리로서 정보통신망을 구성하는 핵심 부품이며 가장 막대한 시장을 형성할 가입자용 광송신 모듈의 국제경쟁 력 있는 제품 개발이 절실한 문제라 하겠다.