한국전자통신연구원(ETRI,http://www.etri.re.kr) 집적광원소자팀(팀장 유병수 박사)은 정보통신부 과제의 일환으로 초고속 광 인터넷을 위한 새로운 신호 광원 기술로 각광 받고 있는 1.55 ㎛ 대역 표면방출 레이저(빅셀, VCSEL, vertical-cavity surface-emitting laser) 기술을 세계에서 상용화에 가장 가까운 수준으로 개발하였다.

본 기술은 광교환기 등 모든 광통신에 가장 널리 사용되는 광송신기를 구현할 수 있는 핵심 광소자 기술이다.

기판에 수직한 방향으로 빛이 방출되는 표면방출 레이저는 레이저가 기판의 측면에서 방출되는 기존의 기술과 달리, 광섬유(optical fiber)를 통한 빛의 전달이 쉽고, 이차원 어레이 광원(레이저 광원들을 원하는 모양으로 평면에 배열한 것)의 제작이 가능할 뿐만 아니라, 소자의 제작 및 실장(패키징) 비용이 저렴하여 초고속 광통신 시스템에 활용될 저가형 차세대 광원으로 각광 받고 있다.

이와 같은 장점으로 인하여 표면방출 레이저 기술은 현재 850 nm 파장 레이저의 광원기술로 상용화되어 광 시스템의 내부 배선과 구내통신망(LAN, Local Area Network)으로 활용되고 있으나 전송거리가 짧아 인터넷 통신망 구축에는 사용할 수 없다.

현재 인터넷 광통신망은 대륙간 통신망에 쓰이는 장거리용 광송신기로 구축되고 있는데 너무 고가여서 통신업체들의 수익구조에 지장을 주고 있다.

이의 해결책으로 근거리 및 중거리용 광송신기를 저렴한 가격에 구현할 수 있는 장파장(1.3㎛~1.55㎛) 표면방출 레이저 기술이 기술적 대안으로 부각되어 세계적인 연구기관들의 개발경쟁이 시작되었다.

그러나 현재까지는 미국의 몇몇 대학 및 산업체 (UCSB, WSI, Bandwidth9등)에서만 1.55㎛ 표면방출 레이저의 개발에 성공했으며 Bandwidth9, Nortel 등에 의하여 초보 단계의 시제품이  발표되고 있을 뿐이다.

ETRI 집적광원소자팀은 상기 기관들에서 개발한 장파장 표면방출 레이저 제작 방법보다 훨씬 빠르고 간단한 공정으로 재현성(항상 일정한 품질과 특성을 유지하여 높은 수율을 낼 수 있음을 의미) 높은 방식으로 장파장 표면방출 레이저를 구현함으로써 전 세계적으로 상용화에 가장 가까이 다가선 것으로 볼 수 있다.

즉 화합물 반도체 물질로 레이저 기판을 제조할 때 보다 간편하고 빠른 공법인 MOCVD(유기금속화학기상증착법, metal organic chemical vapor deposition)을 적용하고, 단일체(monolithic) 레이저 구조를 채택, 유전체를 덧씌우는 과정이 필요 없어 이 과정에서 생기는 오차의 소지를 없앴다.

또한 레이저가 방출되는 전류 구경을 생성시키는 과정에 독자 개발한 산화막 생성기술을 적용함으로써 제작공정의 안정성과 신속성을 크게 높였다.

특히 MOCVD 공법을 장파장 표면방출 레이저 제작에 적용시킨 것은 ETRI 집적광원소자팀이 세계 최초이다.

ETRI 집적광원소자팀은 이러한 1.55 ㎛ 표면방출 레이저 소자 기술을 바탕으로 일정한 파장 간격의 8개의 레이저를 방출, 8개 채널의 광신호를 생성하는 WDM 표면방출레이저 어레이 제작 기술도 개발하였다.

본 기술은 선택적 식각 방법을 이용하여 공진 거리를 일정하게 조절하는 독창적 방법으로, 8개 채널에서 일정한 파장 간격의 레이저 어레이 발진 구조를 재현성 있게 구현하였다.

기존 기술로는 8채널 레이저 광송신기를 만들기 위해 8개의 레이저 소자들을 하나하나 패키징해야 했지만 본 기술을 이용할 경우 WDM 표면방출레이저 어레이를 담은 1개의 패킷만으로 광송신기를 만들 수 있어 생산 원가의 대부분을 차지하는 패키징 비용이 크게 절감된다.

위 두 기술들은 1년 내에 상용화될 수 있는 기술로서 광통신 분야, 특히 광송신 분야에서 세계 각국의 국내망 구축 시장을 석권할 것으로 기대된다.

본 소자의 개발로 향후 전세계적으로 2002년의 약 6천 4백만불에서 2004년 4억 8천6백만 불로 연 100% 이상 증가할 것으로 전망되는 통신용 표면방출 레이저 송신기 시장과 대용량 광통신용 광소자 시장에 진출할 기반을 구축하게 되었고, 국내 광통신 기술이 전반적으로 선진국에 비해 열세인 상황에서 선진국보다 한발 앞선 연구결과를 독자적으로 확보하고 자체 지적재산권 출원을 통해 향후 초고속/대용량 광통신 소자 기술 분야에서 국제적인 경쟁력을 갖는 중요한 계기를 마련하였다.

ETRI 집적광원소자팀 유병수 팀장은 본 소자에 사용된 기술은 광통신용 광원 산업은 물론, 초고속 광인터넷 부품 분야 전반에 기술적 파급 효과가 커, 그 경제적 효과가 상당할 것으로 전망된다.면서, 이로써 우리 나라는 차세대 광원 시장의 기술 경쟁을 위한 독자적 기반 기술 확보가 가능하게 되었다.고 밝혔다.

 ▣용어설명

● 반도체 레이저
  반도체 물질로 구성된 레이저로서, 광통신용 광원 및 송신기로 사용됨.

● 표면방출 레이저
  반도체 레이저 중 기판의 수직한 방향으로 레이저 빛이 방출되는 구조의 레이저를 나타냄. 기판에 수직한 방향으로 빛이 방출되므로 기판 위에 일차원, 이차원 어레이 형태의 제작이 가능하고, 방출되는 빔의 모양이 원형이어서 별도의 광 유도장치 없이도 광섬유와 바로 연결시킬 수 있다는 장점을 갖추고 있음.

● WDM(Wavelength Division Multiplex, 파장분할 다중화)
  파장분할다중(WDM)은 여러 개의 정보를 각기 다른 파장의 빛에 담아 한 가닥의 광신호로 한꺼번에 전송하는 원리의 신기술이며, 사용하는 파장 수만큼 전송속도가 배가되는 특징이 있다. 이를 위하여서는 각기 다른 파장의 빛을 사용하여 신호화할 수 있는 다채널 어레이 광원이 필요함.

● MBE(molecular beam epitaxy, 분자선에피탁시)와  MOCVD(Metal-Organic Chemical Vapor
    Deposition,  유기금속화학기상증착법)
  MBE와 MOCVD는 화합물 반도체를 기판에 쌓는 대표적인 기술이다.
MBE 방법은 고도의 진공상태에서 분자를 직접 쏘아 기판에 쌓는 방식이고 MOCVD는 저진공 상태에서 금속 증기를 뿜어 기판에 쌓는 방식이다.
  비교하자면 MOCVD가 제작공정 구축이 용이하고 시간도 적게 걸려 상용화에 유리하다고 할 수 있다.