실리콘포토닉스

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1초에 1000개의 8K 동영상을 전송하는 초광속 통신 [실리콘 포토닉스] [2022 ETRI Technology Report ⑥]

실리콘 포토닉스는 기존 반도체 제조 공정인 CMOS를 활용하여 다양한 광소자를 하나의 칩에 통합하는 차세대 광반도체 기술입니다. 이 기술은 전자의 이동 대신 빛을 이용해 데이터를 전송함으로써 전력 소모를 획기적으로 줄이면서도 데이터 처리 속도는 대폭 높일 수 있다는 강력한 이점이 있습니다. 이러한 특성 덕분에 대규모 데이터센터는 물론 인공지능(AI) 네트워크와 고성능 컴퓨팅 환경에서 핵심 인프라로 자리 잡고 있습니다. 최근에는 통신 분야를 넘어 스마트 기기의 바이오센서나 자율주행차의 라이다(LiDAR) 등 다양한 산업으로 그 적용 범위가 확장되는 추세입니다. 현대 사회는 정보 통신 기술의 급격한 발달로 인해 전 세계적으로 처리해야 할 데이터의 양이 기하급수적으로 늘어나는 추세에 직면해 있습니다. 이러한 변화는 대규모 인프라의 증설과 그에 따른 막대한 에너지 소비 문제를 야기하고 있으며, 이를 해결할 저비용·고효율의 연결 기술 확보가 그 어느 때보다 중요해졌습니다. 현재 글로벌 기업과 해외 스타트업들이 관련 기술 선점에 박차를 가하고 있는 만큼, 우리나라도 기술 종속에서 벗어나 원천 기술의 자립 기반을 마련해야 합니다. 이는 단순히 기술 확보를 넘어 국가의 미래 통신 경쟁력을 결정짓는 중대한 사안입니다. 국내 연구진은 세계적 수준인 100Gbps급 광트랜시버를 개발하며 실리콘 포토닉스 분야에서 의미 있는 성과를 거두었습니다. 이는 8K 고해상도 영상을 단 1초 만에 1,000개나 전송할 수 있는 수준으로, 향후 단일 파장당 전송 속도를 200Gbps까지 높여 최종적으로 1Tbps급 기술을 구현하는 것을 목표로 하고 있습니다. 이러한 독보적인 기술력이 국내 유망 중소기업들에게 성공적으로 이전된다면, 우리 기업들이 글로벌 시장을 선도하는 조 단위 매출 기업으로 성장하는 발판이 될 것입니다. 앞으로도 연구진은 대한민국이 광통신 강국으로서의 입지를 공고히 하도록 연구 개발에 매진할 계획입니다.

한국전자통신연구원ETRI 테크놀로지 리포트

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ETRI CONFERENCE 2022 [1일차 TRACK 2] 기술세미나3,4

5G와 6G로 이어지는 이동통신 기술의 발전 과정에서 ‘스몰셀’은 초연결 시대를 지탱하는 핵심적인 역할을 수행합니다. 스몰셀은 대형 기지국이 커버하지 못하는 통신 음영 지역을 해소하고, 데이터 트래픽이 밀집된 지역에서 사용자에게 고속의 통신 환경을 제공하기 위해 설치되는 소형 기지국 기술입니다. 이는 단순히 통신 품질을 높이는 것에 그치지 않고, 자율주행차나 스마트 팩토리처럼 고신뢰성 인프라가 필수적인 미래 산업의 실현을 돕는 든든한 조력자로서 그 가치를 한 단계 더 높여가고 있습니다. 데이터센터 내부에서 발생하는 폭발적인 트래픽을 처리하기 위한 광연결 기술 또한 혁신을 거듭하고 있습니다. ‘실리콘 포토닉스’는 기존의 복잡한 광소자들을 반도체 칩 위에 하나로 집적함으로써 장비의 소형화와 저가화를 동시에 달성하는 원천 기술입니다. 이를 통해 테라비트급 전송 속도를 구현하여 초연결 사회의 방대한 데이터를 지연 없이 전송할 수 있는 물리적 기반을 마련합니다. 이는 클라우드 서비스와 인공지능 연산이 일상화된 현대 사회에서 데이터 처리 효율을 극대화하는 중추적인 기능을 담당합니다. 로봇 산업의 확산과 함께 무선 충전 기술은 로봇에게 끊김 없는 생명력을 불어넣는 필수 요소로 자리 잡았습니다. 로봇 스스로 배터리 잔량을 체크하고 충전 스테이션을 찾아가는 자율 충전과, 여러 대의 로봇을 동시에 관리하는 군집 충전 시스템은 산업 효율성을 획기적으로 높여줍니다. 특히 자기 공명 방식을 활용한 고효율 전력 전송은 금속 이물질 탐지와 같은 안전 기술과 결합하여, 물류 현장부터 일상 서비스 영역에 이르기까지 로봇과 인간이 안전하게 공존할 수 있는 미래형 생태계 구축을 가능하게 합니다. 가상현실 체험의 몰입감을 극대화하기 위해서는 사용자의 움직임에 따라 시점이 자유롭게 변하는 ‘6자유도(6DoF)’ 미디어 기술이 필수적입니다. 라이트 필드 기술을 기반으로 실제 공간의 빛 정보를 정밀하게 획득하고, 이를 이용해 가상의 시점 영상을 실시간으로 합성함으로써 사용자는 마치 현장에 있는 듯한 완전한 입체감을 느끼게 됩니다. 이러한 기술은 비대면 문화 공연이나 원격 교육, 실감형 관광 등 다양한 분야에 적용되어 시간과 공간의 제약을 초월한 새로운 형태의 소통 방식과 시각적 경험을 대중에게 선사합니다. 테라헤르츠 기술은 전파의 투과성과 광파의 직진성을 동시에 지니고 있어 보안 검색 및 비파괴 검사 분야의 게임 체인저로 주목받고 있습니다. 신발을 벗지 않고도 위해물품을 탐지하거나 수술 중 암 조직의 경계를 실시간으로 확인하는 등 인간 중심의 안전하고 편리한 기술을 구현하는 데 최적화되어 있습니다. 또한 6G 통신의 초고속 대역폭을 실현하는 물리 계층의 핵심 기술로서, 고도화된 화합물 반도체 칩을 통해 보이지 않는 전파를 정밀하게 제어하며 우리 삶의 안전과 편리함을 동시에 보장하는 잠재력을 보여줍니다. 디지털 전환의 거대한 파고를 뒷받침하는 가장 밑바닥의 힘은 고성능 화합물 반도체 기술에서 나옵니다. 실리콘의 한계를 극복한 질화갈륨(GaN) 등의 소재는 고출력과 고효율이 동시에 요구되는 5G 기지국과 국방용 레이더의 핵심 소자로 활용되고 있습니다. 독자적인 파운드리 인프라를 통해 이러한 핵심 부품을 국산화하고 설계부터 양산까지 지원하는 생태계 구축은 국가 경쟁력을 확보하는 길입니다. 이는 에너지 소모를 줄이면서도 전송 속도를 비약적으로 높여 초지능 사회를 지탱하는 튼튼한 뿌리가 됩니다. 미래 정보 처리 기술의 정점에는 양자역학의 원리를 이용한 양자 컴퓨터가 위치하고 있습니다. 0과 1이 동시에 존재하는 양자 중첩과 얽힘 현상을 활용하여 기존 슈퍼컴퓨터로는 해결하기 어려운 복잡한 난제들을 획기적인 속도로 해결할 수 있습니다. 비록 현재의 암호 체계를 위협한다는 우려도 존재하지만, 역설적으로 이는 양자 내성 암호와 같은 더욱 견고한 보안 기술을 탄생시키는 동력이 됩니다. 지속적인 양자 알고리즘 연구와 하드웨어 개발은 우리가 상상하지 못했던 더 빠르고 안전한 미래 세상을 여는 열쇠가 될 것입니다.

한국전자통신연구원

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ETRI Conference 2022 통신미디어연구소 02. 테라비트 시대를 열어가는 실리콘 포토닉스 기술

4차 산업혁명은 5G, 증강현실, 자율주행 등 첨단 정보통신 기술을 통해 우리의 일상을 더욱 풍요롭게 혁신하고 있습니다. 특히 비대면 생활이 보편화되면서 데이터 사용량이 전례 없이 폭증하고 있으며, 이는 데이터를 저장하고 처리하는 데이터 센터의 처리 용량 한계 문제를 야기하고 있습니다. 데이터 센터의 증설과 확장은 필연적으로 막대한 전기 에너지 소비 증가로 이어지기 때문에, 지속 가능한 디지털 전환을 위해서는 대규모 데이터를 효율적으로 처리하면서도 전력을 획기적으로 줄일 수 있는 새로운 전송 기술의 도입이 시급한 시점입니다. 이러한 문제를 해결하기 위해 한국전자통신연구원(ETRI)은 빛을 이용해 초고속으로 데이터를 전송하는 100Gbps 광 트랜시버 기술을 개발하고 있습니다. 100Gbps는 1초에 8K 고해상도 비디오 신호 1,000개 분량의 대용량 데이터를 단일 광 채널로 보낼 수 있는 놀라운 속도입니다. 기존의 전기 신호 방식보다 전송 속도는 월등히 높으면서도 소모 전력은 오히려 낮아 에너지 절감 효과가 탁월합니다. 광 트랜시버는 레이저와 광 변조기를 통해 디지털 신호를 빛으로 변환하고, 이를 수신단에서 다시 전기 신호로 복원하며 데이터 센터의 운영 효율을 극대화합니다. 실리콘 포토닉스 기술은 반도체 공정 노하우를 광학 분야에 접목하여 성능과 경제성을 동시에 확보한 차세대 핵심 기술입니다. 현재 연구팀은 다중화 기술을 활용해 데이터 전송 용량을 1테라비트급까지 확대하는 차기 과제를 추진하며 기술적 완성도를 높이고 있습니다. 이러한 혁신은 국내 관련 산업 생태계를 활성화하고 국제 경쟁력을 강화하는 데 기여할 것입니다. 나아가 데이터 센터의 효율적인 운영을 도와 에너지 소비를 줄임으로써 탄소 배출 감소라는 환경적 가치까지 실현하는 초광대역 인프라의 기반이 될 것으로 기대됩니다.

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ETRI 『World Online ICT ShoW(WOW)』 ① Ultra high speed optical transceiver

4차 산업혁명 시대가 도래하며 5G, 인공지능, 자율주행 등 혁신적인 기술이 우리의 일상을 변화시키고 있습니다. 특히 비대면 생활이 일상화되면서 데이터 사용량이 폭발적으로 증가했고, 이는 데이터를 처리하는 데이터 센터의 용량 한계라는 문제로 이어졌습니다. 현재의 시스템으로는 급격히 늘어나는 빅데이터를 효율적으로 관리하기에 역부족이며, 데이터 센터의 확장은 막대한 전기 에너지 소비를 초래합니다. 이러한 한계를 극복하기 위해 기존의 전기 신호를 빛으로 대체하여 전송 속도를 획기적으로 높이고 에너지 소비를 줄이는 광 전송 기술의 중요성이 그 어느 때보다 강조되고 있습니다. 한국전자통신연구원(ETRI)은 실리콘 포토닉스 기술을 활용해 단일 파장으로 100Gbps의 데이터를 전송할 수 있는 광 트랜시버를 개발하고 있습니다. 이 기술은 CMOS 반도체 공정을 적용해 수많은 광소자를 하나의 칩에 집적하는 첨단 방식으로, 기존 제품보다 성능과 효율성 면에서 뛰어납니다. 100Gbps 속도는 8K 고해상도 비디오 1,000개 분량의 데이터를 단 하나의 광 채널로 동시에 보낼 수 있는 수준입니다. 현재 광변조기와 레이저로 구성된 송신단과 광섬유를 거쳐온 신호를 전기 신호로 변환하는 수신단 설계를 통해 전송 효율을 높이는 연구가 활발히 이뤄지고 있습니다. 실리콘 기반의 광 트랜시버 기술은 전송 속도를 높이는 동시에 에너지 소비를 줄여 탄소 배출 감소에도 기여하는 친환경적인 해결책이 될 것입니다. 연구팀은 다중화기와 역다중화기를 통해 여러 파장의 신호를 하나로 합치고 분리하는 기술을 고도화하여, 향후 테라비트급 광 전송 시대를 열어갈 계획입니다. 이러한 원천 기술의 확보는 국내 실리콘 포토닉스 생태계를 활성화하고 국제적인 경쟁력을 높이는 발판이 됩니다. 궁극적으로 초광대역 및 초실감 서비스 인프라를 구축함으로써 포스트 코로나 시대에 국민의 삶을 더욱 풍요롭게 만들고 미래 정보통신 산업의 핵심 동력이 될 것으로 기대됩니다.

한국전자통신연구원

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ETRI 『World Online ICT ShoW(WOW)』 ① 실리콘 포토닉스 기반 초고속 광트랜시버

4차 산업혁명은 5G, 인공지능, 사물인터넷, 자율주행 등 혁신적인 기술을 통해 우리의 일상을 더욱 나은 삶으로 변화시키고 있습니다. 특히 코로나19 이후 물리적 제약이 발생하면서 비대면 생활의 비중이 커졌고, 이는 자연스럽게 데이터 사용량의 폭증으로 이어졌습니다. 급증하는 데이터를 저장하고 전송하는 데이터 센터는 처리 용량의 한계에 직면했으며, 추가 증설에 따른 전기 에너지 사용량의 증가는 중요한 해결 과제가 되었습니다. 이러한 상황에서 빛을 이용해 대용량 데이터를 빠르게 전송하는 광전송 기술은 데이터 센터의 효율성을 높일 수 있는 핵심적인 열쇠로 주목받고 있습니다. 한국전자통신연구원(ETRI)은 실리콘 포토닉스 기술을 기반으로 100Gbps 광트랜시버 원천기술을 세계 최고 수준으로 개발하고 있습니다. 이 기술은 CMOS 반도체 공정을 활용하여 수많은 광소자를 하나의 칩에 집적하는 첨단 기술로, 기존 제품 대비 성능과 효율 면에서 매우 뛰어납니다. 송신단에서는 레이저 빛을 디지털 신호로 변조하여 전송하고, 수신단에서는 이를 다시 전기 신호로 복원함으로써 대용량 데이터를 빠르고 정확하게 처리합니다. 특히 전송 속도가 전력 소모량보다 훨씬 크게 증가하기 때문에, 에너지 절감 효과를 동시에 거둘 수 있다는 점이 이 기술의 가장 큰 장점 중 하나입니다. 연구진은 현재의 성과를 디딤돌 삼아 더 많은 데이터를 동시에 보낼 수 있는 다중화 기술을 고도화하여 1테라비트급 광트랜시버 개발에 박차를 가하고 있습니다. 이러한 기술력은 국내 실리콘 포토닉스 생태계를 활성화하고 국가적인 경쟁력을 확보하는 데 중추적인 역할을 할 것으로 기대됩니다. 나아가 데이터 센터의 효율적인 운영을 가능하게 함으로써 포스트 코로나 시대를 대비하고, 에너지 소비와 탄소 배출을 줄여 환경 문제 해결에도 기여할 수 있습니다. 초광대역 및 초실감 서비스를 위한 인프라 기술 개발은 궁극적으로 국민의 삶을 더욱 풍요롭게 만들며 미래 정보통신 사회의 든든한 기반이 될 것입니다.

한국전자통신연구원ETRI 테크놀로지 리포트

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