광전자공학(O/E)은 광자와 고속 전자공학을 결합하여 마이크로파에서 테라헤르츠 주파수까지의 신호를 생성, 전송 및 처리하는 기술로, 오늘날 고속 설계에서 그 중요성이 더욱 커지고 있다. O/E 소자는 5G 및 IoT 시스템과 네트워크의 필수 요소이며, 6G R&D의 핵심 요소이다. 그 이유는 무엇일까? O/E 소자는 거의 무제한적인 대역폭, 낮은 손실, 낮은 간섭, 단거리 및 장거리 커버리지, 낮은 전력 소모, 그리고 고대역폭 데이터 전송 및 고속 상호연결을 위한 고속 데이터 전송 기능을 제공하기 때문이다.

O/E 소자를 새롭게 부상하는 고속 복합 설계에 통합하기 위해 소자는 매우 소형화되었다. 점점 더 많은 O/E 소자가 단일 웨이퍼에 탑재되고 있기 때문에 소형화는 필수적이다. 또한, 수신 광 서브 어셈블리(ROSA), 전송 광 서브 어셈블리(TOSA), 양방향 광 서브 어셈블리(BOSA)도 웨이퍼에 패키징됨에 따라 설계는 웨이퍼 상에 훨씬 더 복잡한 구조를 통합하고 있다. 그 결과, 실리콘 포토닉스(SiPh) 설계에서 광학과 전자 기술이 서로 더욱 가까워지고 있다. 이 두 영역이 작은 CMOS 칩에 통합됨에 따라 성능 검증이 더욱 어려워지고 있다.

새로운 사용 사례

O/E는 저위상 잡음 O/E 발진기, 반송파 포락선 위상 고정 레이저, 광자 기반 복합 레이더 신호 생성기, 위상 배열 안테나 아키텍처, 광자 아날로그-디지털 변환기, 전기광 샘플링, 테라헤르츠 신호 생성 등 다양한 응용 분야에서 사용된다. 이러한 응용 분야 중 다수는 새로운 사용 사례에서 사용되고 있으며, 몇 가지 예는 표 1에 나와 있다.

Table 1: Use cases utilizing O/E technology

O/E 소자 테스트 및 검증

설계에 고주파가 포함됨에 따라 위상 측정의 중요성이 더욱 커지고 있다. 파장이 짧아짐에 따라, O/E 소자 검증을 위한 모든 테스트 솔루션에서 벡터 네트워크 분석기(VNA)가 핵심적인 역할을 한다. TOSA, ROSA, BOSA 및 온웨이퍼 SipH 소자와 같은 소자를 테스트하고 특성화하기 위해 광전자 VNA는 마이크로파 광대역 주파수 범위를 지원해야 한다.

VNA의 주요 이점 중 하나는 S-파라미터 형태로 진폭 및 위상 특성을 측정한다는 것이다. 이러한 기능은 특히 고속 설계에서 광파 성분 분석기(LCA)가 측정을 수행하는 방식과 비교할 때 뚜렷한 이점을 제공한다. 위상 제어 또는 측정 시 발생하는 작은 오류도 오류로 이어질 수 있으므로, 적절한 VNA 선택은 설계 신뢰도를 확보하는 데 매우 중요하다.

정확한 장치 특성 분석을 위해서는 VNA가 DC 근처부터 150GHz를 훨씬 넘는 광대역 스윕을 수행해야 한다. 이를 통해 3차 및 5차 고조파까지 측정할 때 정확도와 반복성이 향상된다. 특히 장시간 측정이 필요한 O/E 검증의 경우 더욱 그렇다.

완벽한 O/E 테스트 솔루션은 광 변조기(애플리케이션에 따라 레이저 광원을 사용하는 경우도 있음)와 기준 광검출기를 갖춘 VNA로 구성된다. 추적성은 매우 중요하며 주파수가 높아질수록 더욱 어려워진다. 모듈은 NIST 표준에 따라 특성 분석되어야 합니다. 또한, 수동성 및 인과 관계 오류를 방지하기 위해 디임베딩(de-embedding)도 중요하다.