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일본전신전화(NTT), 도쿄(東京)공업대학 과학기술창성연구원 미래산업기술연구소의 공동 연구그룹이 높은 열 전도성을 갖는 탄화규소(SiC) 기판 위에 인듐인계 화합물 반도체를 이용한 멤브레인 레이저를 개발함. 직접 변조 레이저로서는 세계 최초로 3dB 대역폭 100GHz를 뛰어넘었으며, 초당 256기가비트(2560억 비트)의 신호를 2km 전송할 수 있음을 확인함. 직접 변조 레이저는 현재 데이터 센터에서 널리 사용되고 있지만 변조 속도에 한계가 있어 문제가 되었음. 연구진은 활성층에서의 발열 억제를 목적으로 SiO2의 약 500배 높은 열전도율을 갖는 SiC 기판 위에 인듐인(InP)계 멤브레인 레이저를 제작함. SiC는 InP 비해 굴절률이 작기 때문에 ‘빛 가둠’ 계수도 SiO2의 소자와 거의 동일함. 소자는 초박막(40nm) SiO2를 사이에 끼워 직접 접합으로 제작함. 100mW의 발열원을 상정한 계산에 있어, 활성층 길이 50㎛의 멤브레인 레이저 활성층의 온도 상승의 경우, SiO2 막 두께가 2㎛~40nm가 되었을 때 130.9℃에서 16.8℃도로 크게 감소되는 것을 확인함. 완화 진동수는 제작된 소자의 경우 30mA까지 확대할 수 있어 세계 최고의 완화 진동 주파수 42GHz 및 3dB 대역폭 60GHz를 얻을 수 있음. 본 연구 성과를 이용할 경우 향후 예상되는 트래픽 증가에 있어 저비용·저전력으로 대응할 수 있으며, 또한 본 기술의 연구 개발을 진전시킴으로써 NTT가 제창하는 IOWN(*) 구상을 뒷받침하는 대용량 광전송 기반 실현에 공헌할 것으로 기대됨.

*IOWN(Innovative Optical and Wireless Network) : 스마트한 세상을 실현하는 최첨단 광 관련 기술 및 정보 처리 기술을 활용한 미래의 커뮤니케이션 기초

본 연구 성과는 ‘Nature Photonics’ (“Directly modulated membrane lasers with 108GHz bandwidth on a high-thermal-conductivity silicon carbide substrate”) 지에 게재됨.