17강. 광도파로란 무엇인가? 칩 안에서 빛을 이동시키는 기술
광도파로란 무엇인가?
실리콘 포토닉스의 고속도로, 광도파로의 원리와 최신 기술
앞선 16강에서는 실리콘 포토닉스가 무엇인지 살펴봤습니다.
실리콘 포토닉스는 전기 신호만 이용하는 기존 반도체와 달리 빛을 이용해 정보를 전달하고 처리하는 기술입니다.
그렇다면 한 가지 중요한 질문이 생깁니다.
빛을 반도체 칩 안에서 어떻게 원하는 방향으로 이동시킬 수 있을까요?
광섬유처럼 긴 케이블을 칩 안에 넣을 수는 없습니다.
따라서 반도체 칩 위에 아주 작은 크기의 빛의 통로를 만들어야 합니다.
이 역할을 하는 것이 바로 광도파로(Waveguide)입니다.
광도파로는 실리콘 포토닉스에서 가장 기본적인 구조 가운데 하나이며, 광집적회로(PIC)의 사실상 광학적인 배선이라고 볼 수 있습니다.
실리콘 포토닉스가 하나의 도시라면 광도파로는 도시 안의 도로와 같습니다.
레이저에서 만들어진 빛은 광도파로를 따라 이동하고, 변조기와 공진기, 스위치, 광검출기 등 다른 광소자로 전달됩니다.
따라서 광도파로의 성능이 좋아야 전체 광회로도 높은 성능을 낼 수 있습니다.
2024년 npj Nanophotonics 리뷰에서는 실리콘 포토닉스가 데이터센터용 고속 통신뿐 아니라 광신호 처리까지 확대되고 있으며, 광도파로와 광결합기가 핵심적인 구성요소라고 설명합니다.
광도파로는 어떻게 빛을 가둘까?
광도파로의 기본 원리는 굴절률 차이에서 출발합니다.
빛은 서로 다른 물질의 경계면을 통과할 때 진행 방향이 바뀔 수 있습니다.
이를 굴절이라고 합니다.
그리고 특정 조건에서는 빛이 경계면 밖으로 빠져나가지 않고 내부에 계속 갇혀 이동하게 됩니다.
이것이 바로 전반사(Total Internal Reflection)입니다.
광도파로는 일반적으로 빛이 지나가는 코어(Core)와 그 주변을 둘러싸는 클래딩(Cladding)으로 구성됩니다.
코어의 굴절률이 클래딩보다 높게 설계되면 빛을 코어 내부에 가둘 수 있습니다.
광섬유가 대표적인 예입니다.
하지만 실리콘 포토닉스에서는 훨씬 더 작은 구조를 사용합니다.
실리콘의 굴절률은 약 3.5 수준으로 매우 높기 때문에 실리콘과 실리콘 산화물 사이의 큰 굴절률 차이를 이용하면 수백 나노미터에서 수 마이크로미터 수준의 작은 구조에서도 빛을 강하게 가둘 수 있습니다.
이 때문에 실리콘 포토닉스에서는 빛이 이동하는 광도파로를 반도체 공정으로 매우 작게 만들 수 있습니다.
SOI가 실리콘 포토닉스에서 중요한 이유
실리콘 포토닉스에서 가장 많이 등장하는 단어 가운데 하나가 SOI(Silicon-On-Insulator)입니다.
SOI는 이름 그대로 절연체 위에 실리콘 층을 형성한 구조입니다.
일반적으로 위쪽의 실리콘 층이 광도파로를 구성하고, 그 아래에는 실리콘 산화물(SiO₂)과 실리콘 기판이 위치합니다.
이 구조가 중요한 이유는 실리콘과 산화물 사이의 굴절률 차이가 크기 때문입니다.
빛이 실리콘 내부에 강하게 갇히기 때문에 매우 작은 광도파로를 만들 수 있습니다.
실리콘 포토닉스 연구가 초기의 마이크로미터급 리브(rib) 광도파로에서 점차 서브마이크로미터급 광도파로로 발전한 것도 높은 집적도와 CMOS 제조공정과의 호환성을 확보하기 위해서였습니다.
2024년 npj Nanophotonics 리뷰에 따르면 서브마이크로미터 SOI 광도파로는 높은 집적도와 작은 굽힘 반경, 빠른 광변조를 가능하게 합니다.
광도파로의 크기가 작아지면 무엇이 좋아질까?
반도체 기술에서는 트랜지스터의 크기를 줄이면 더 많은 트랜지스터를 하나의 칩에 집적할 수 있습니다.
광도파로 역시 비슷한 방향으로 발전해왔습니다.
광도파로를 작게 만들면 하나의 칩 안에 더 많은 광학 소자를 배치할 수 있습니다.
예를 들어 하나의 광집적회로 안에
광도파로
→ 분배기
→ 변조기
→ 공진기
→ 광스위치
→ 광검출기
등을 매우 가까운 거리에 배치할 수 있습니다.
이러한 집적도가 높아지면 광신호를 칩 내부에서 처리하는 데 필요한 공간을 줄일 수 있습니다.
하지만 무조건 작게 만드는 것이 좋은 것은 아닙니다.
광도파로가 너무 작아지면 제조 과정에서 발생하는 아주 작은 오차도 광학 특성에 큰 영향을 미칠 수 있습니다.
특히 광도파로의 폭과 높이, 식각 깊이, 측벽의 거칠기 등이 달라지면 빛이 이동하는 방식이 변할 수 있습니다.
따라서 현대 실리콘 포토닉스에서는 작은 크기와 낮은 손실, 제조 공정의 안정성 사이에서 균형을 찾는 것이 중요한 연구 주제입니다.
광도파로에서 빛이 손실되는 이유
빛이 광도파로를 따라 이동한다고 해서 에너지가 완전히 보존되는 것은 아닙니다.
광도파로 내부에서도 여러 가지 이유로 빛이 약해질 수 있습니다.
대표적인 원인은
산란 손실
흡수 손실
표면 거칠기
재료 손실
굽힘 손실
등입니다.
특히 나노미터 수준으로 만들어진 실리콘 광도파로에서는 측벽 거칠기(sidewall roughness)가 중요한 문제가 됩니다.
광도파로의 벽이 완벽하게 매끄럽지 않으면 빛의 일부가 다른 방향으로 산란될 수 있습니다.
따라서 반도체 제조공정에서 얼마나 정밀하게 식각하고 광도파로의 표면을 제어하느냐가 매우 중요합니다.
광도파로의 굽힘은 왜 어려울까?
광도파로는 칩 안에서 직선으로만 만들 수 없습니다.
실제 광집적회로에서는 매우 복잡한 구조로 빛을 이동시켜야 하기 때문에 광도파로를 여러 방향으로 구부려야 합니다.
문제는 광도파로를 너무 급격하게 구부리면 빛의 일부가 광도파로 밖으로 빠져나갈 수 있다는 것입니다.
이를 굽힘 손실(Bending Loss)이라고 합니다.
따라서 광도파로를 작게 만들면서도 빛이 빠져나가지 않도록 굽힘 구조를 최적화해야 합니다.
최근에는 Euler bend와 같은 구조를 이용해 작은 공간에서도 손실을 줄이는 방법이 연구되고 있습니다.
2024년 npj Nanophotonics의 실리콘 포토닉스 리뷰에서도 서브마이크로미터 광도파로에서 작은 굽힘 반경을 구현하면서 광학 특성을 유지하는 것이 중요한 기술적 요소로 설명됩니다.
광도파로에는 TE와 TM이라는 모드가 존재한다
광도파로를 이해하기 위해 반드시 알아야 할 개념이 하나 있습니다.
바로 광 모드(Optical Mode)입니다.
빛이 광도파로 안에서 이동할 때는 아무렇게나 이동하는 것이 아닙니다.
광도파로의 크기와 형태, 굴절률, 빛의 파장에 따라 특정한 전자기장 분포를 가진 상태로 전파됩니다.
이를 모드라고 합니다.
대표적으로
TE 모드
와
TM 모드
가 있습니다.
TE는 전기장의 주된 방향이 광도파로의 진행 방향에 대해 특정한 횡방향 성분을 갖는 모드이고, TM은 그에 다른 방향의 전기장 분포를 갖습니다.
실리콘 포토닉스에서는 광도파로가 매우 작기 때문에 TE와 TM 모드의 특성 차이가 상당히 중요합니다.
특히 광도파로의 폭과 높이가 조금만 달라져도 모드의 특성이 변할 수 있습니다.
2024년 npj Nanophotonics 논문은 SOI 광도파로에서 TE와 TM 모드의 차이와 **복굴절(birefringence)**이 광회로 성능에 미치는 영향을 상세하게 분석합니다.
복굴절은 왜 문제가 될까?
복굴절은 빛의 편광 방향에 따라 유효 굴절률이 달라지는 현상입니다.
실리콘 포토닉스에서는 광도파로의 구조가 매우 작기 때문에 이러한 효과가 더욱 중요해질 수 있습니다.
예를 들어 TE와 TM 모드가 서로 다른 속도로 이동하면 두 신호 사이에 위상 차이가 발생합니다.
이러한 차이는 광신호의 정확도를 떨어뜨리거나 특정 광소자의 동작 조건을 변화시킬 수 있습니다.
특히 WDM이나 고속 광통신처럼 여러 개의 광채널을 동시에 사용하는 시스템에서는 작은 광학적 오차도 전체 시스템 성능에 영향을 줄 수 있습니다.
따라서 광도파로 설계에서는
폭
높이
식각 깊이
측벽 각도
재료의 굴절률
등을 정밀하게 조절해야 합니다.
논문에서는 서브마이크로미터 SOI 광도파로가 높은 집적도를 제공하는 대신 제조 오차에 더욱 민감할 수 있다고 설명합니다.
광도파로와 광섬유는 어떻게 연결될까?
칩 내부에서 만들어진 광신호는 결국 외부 광섬유로 나가야 하는 경우가 많습니다.
그런데 여기에서 또 하나의 문제가 발생합니다.
칩 위의 광도파로는 매우 작습니다.
반면 광섬유의 코어는 상대적으로 훨씬 큽니다.
따라서 두 구조 사이에서 빛을 효율적으로 연결해야 합니다.
이때 사용되는 대표적인 기술이 Grating Coupler(격자 결합기)입니다.
그레이팅 커플러는 광도파로의 일부에 미세한 격자 구조를 만들어 빛을 위쪽으로 방출하거나 외부 광섬유에서 들어오는 빛을 광도파로로 결합시킵니다.
2024년 npj Nanophotonics 리뷰에서는 실리콘 광도파로와 광섬유를 연결하는 고효율 grating coupler가 미래 고용량 광통신의 핵심 기술 가운데 하나라고 설명합니다. 특히 연구된 구조에서는 1 dB 이하의 결합 손실과 넓은 광대역 특성을 목표로 하고 있습니다.
광도파로의 손실을 낮추는 것이 왜 중요한가?
광도파로가 짧다면 어느 정도 손실이 있어도 큰 문제가 아닐 수 있습니다.
하지만 AI 데이터센터나 고성능 컴퓨팅에서는 수많은 광소자가 연결될 수 있습니다.
광도파로가 길어지고 여러 개의 광소자를 지나면서 각각의 손실이 누적되면 최종적으로 수신기에 도달하는 광신호가 약해질 수 있습니다.
따라서 낮은 전파 손실(low propagation loss)은 실리콘 포토닉스의 핵심 성능 지표입니다.
최근 연구에서는 광도파로의 폭을 넓히거나 단면 구조를 최적화해 손실을 줄이는 방법도 연구되고 있습니다.
2024년 Nature Communications에 발표된 확장형 실리콘 포토닉 프로세서 연구에서는 3 × 0.22 μm²의 넓어진 광도파로 구조와 약 0.14 dB/cm의 전파 손실을 사용해 대규모 광신호 처리 구조를 구현했습니다. 연구팀은 이 구조를 이용해 WDM 기반 병렬 신호처리와 광컴퓨팅까지 시연했습니다.
광도파로가 단순한 ‘빛의 통로’가 아닌 이유
처음에는 광도파로를 단순하게 빛이 지나가는 통로라고 생각하기 쉽습니다.
하지만 실제 실리콘 포토닉스에서는 훨씬 더 중요한 역할을 합니다.
광도파로의 구조 자체를 설계하면 빛의
속도
위상
편광
파장
모드
간섭
등을 제어할 수 있습니다.
따라서 광도파로는 단순한 배선이 아니라 광학적 연산을 가능하게 하는 기본 소자가 될 수 있습니다.
실제로 최근 실리콘 포토닉 프로세서 연구에서는 광도파로를 길게 구성한 delay line과 WDM 구조를 이용해 병렬 광신호 처리와 convolution 연산까지 구현했습니다. 해당 연구에서는 최대 1.25 TOPS의 병렬 convolution 연산을 시연했습니다.
이 지점부터 광도파로는 AI 반도체와 직접 연결되기 시작합니다.
광도파로와 광컴퓨팅의 연결
AI에서 가장 많이 필요한 연산 가운데 하나가 행렬곱(Matrix Multiplication)입니다.
광컴퓨팅에서는 빛의
간섭
위상 변화
진폭 변화
등을 이용해 이러한 연산을 구현하려고 합니다.
그런데 빛이 이동할 공간이 없다면 광컴퓨팅도 불가능합니다.
바로 여기에서 광도파로가 중요한 역할을 합니다.
광도파로가 빛을 이동시키고 여러 광도파로를 연결하면 빛의 경로를 조절할 수 있습니다.
여기에
MZI
마이크로링 공진기
광변조기
광검출기
등을 결합하면 하나의 광집적회로에서 복잡한 광연산을 수행할 수 있습니다.
즉,
광도파로
↓
광소자 연결
↓
광신호 제어
↓
광연산
↓
AI 가속
이라는 구조가 만들어집니다.
최신 연구에서는 광도파로를 어떻게 발전시키고 있을까?
최근 연구의 중요한 방향 중 하나는 더 낮은 손실과 더 높은 집적도입니다.
또 다른 방향은 광도파로 자체를 능동적으로 움직이거나 제어하는 것입니다.
2025년 Nature Communications에서는 MEMS 기반 실리콘 포토닉 스위치가 연구됐습니다.
이 기술은 광도파로 구조를 기계적으로 움직여 빛의 진행 경로를 변경합니다.
연구진은 표준 SOI 플랫폼에서 2×2 광스위치를 구현했으며, 광도파로 교차 구조의 일부를 움직여 빛을 직진시키거나 90도 방향으로 전환하는 방식을 사용했습니다.
이러한 연구는 광도파로가 고정된 수동 구조에 머무르지 않고 재구성 가능한 광회로로 발전할 수 있다는 것을 보여줍니다.
3D 광집적 기술로 발전하는 광도파로
광도파로 기술은 이제 평면적인 2차원 칩에서 벗어나 3차원 집적으로도 발전하고 있습니다.
기존 실리콘 포토닉 칩에서는 대부분의 광도파로가 하나의 평면 위에서 만들어졌습니다.
하지만 AI 시스템의 데이터 이동량이 계속 증가하면 하나의 평면만으로 필요한 연결을 모두 구현하기 어려울 수 있습니다.
따라서 서로 다른 층의 광회로를 연결하는 기술이 중요해지고 있습니다.
2025년 Light: Science & Applications 리뷰에서는 3D 집적 포토닉 패키징을 위한 waveguide-to-waveguide coupler 기술을 다루면서, 칩과 칩 또는 서로 다른 층의 광회로 사이에서 빛을 연결하는 방법을 설명합니다. 이러한 기술은 향후 co-packaged optics, 광연산, 광연결 메모리, 양자 포토닉스 등에 활용될 가능성이 있습니다.
광도파로의 미래는 AI 반도체와 연결된다
지금까지 살펴본 내용을 하나로 연결해보겠습니다.
레이저가 빛을 만듭니다.
↓
광변조기가 빛에 데이터를 기록합니다.
↓
광도파로가 데이터를 이동시킵니다.
↓
마이크로링 공진기가 특정 파장을 선택하고 제어합니다.
↓
광스위치가 신호의 경로를 변경합니다.
↓
광검출기가 빛을 다시 전기 신호로 변환합니다.
이것이 하나의 광집적회로가 작동하는 기본적인 흐름입니다.
그리고 이 구조에 WDM 기술을 적용하면 하나의 광도파로를 통해 여러 파장의 데이터를 동시에 전송할 수 있습니다.
다음 18강에서 다룰 마이크로링 공진기는 바로 이 구조에서 중요한 역할을 합니다.
마이크로링 공진기는 특정 파장의 빛과 공진하는 특성을 이용하기 때문에 WDM과 광신경망, 광컴퓨팅으로 연결되는 중요한 소자입니다.
17강 핵심 정리
광도파로는 단순한 빛의 통로가 아닙니다.
실리콘 포토닉스에서 광도파로는 빛을 이동시키고, 가두고, 분배하고, 다른 광소자와 연결하는 핵심 인프라입니다.
핵심 개념을 정리하면 다음과 같습니다.
SOI
실리콘 포토닉스에서 널리 사용되는 핵심 플랫폼입니다.
굴절률 차이
실리콘과 클래딩 사이의 굴절률 차이를 이용해 빛을 가둡니다.
전반사
빛이 광도파로 내부에서 빠져나가지 않고 이동하도록 하는 중요한 물리적 원리입니다.
TE/TM 모드
광도파로 안에서 전자기장이 서로 다른 방식으로 분포하는 광학 모드입니다.
전파 손실
빛이 광도파로를 따라 이동하면서 발생하는 광학적 손실입니다.
Grating Coupler
광도파로와 외부 광섬유 사이에서 빛을 연결하는 핵심 광소자입니다.
3D 광집적
여러 층의 광회로를 연결해 더욱 높은 집적도와 대역폭을 구현하려는 차세대 기술입니다.
결국 광도파로는
나노레이저
→ 실리콘 포토닉스
→ 광도파로
→ 마이크로링 공진기
→ WDM
→ 광인터커넥트
→ 광컴퓨팅
→ AI 반도체
라는 전체 기술 흐름의 중심에 있습니다.
다음 18강에서는 이 광도파로와 결합해 특정 파장의 빛을 선택하고 제어하는 마이크로링 공진기(Microring Resonator)를 자세히 살펴보겠습니다.
17강 참고문헌
Shahwar, D. et al.
“Polarization management in silicon photonics.”
npj Nanophotonics 1, 35 (2024).
Zhou, X. et al.
“Silicon photonics for high-speed communications and photonic signal processing.”
npj Nanophotonics 1, 27 (2024).
Versatile parallel signal processing with a scalable silicon photonic chip.
Nature Communications (2024).
Silicon photonic MEMS switches based on split waveguide crossings.
Nature Communications (2025).
Advances in waveguide to waveguide couplers for 3D integrated photonic packaging.
Light: Science & Applications (2025).
유트
