800G에서 1.6T, 3.2T로 광통신 대역폭과 전송속도가 빠르게 높아지면서, 기존 광변조기의 크기와 전력효율은 차세대 광인터커넥트의 주요 병목 중 하나로 부상하고 있다.
최근 이 한계를 돌파할 대안으로 플라즈모닉스 기반 광변조 기술이 주목받기 시작했다. 관련 기술의 작동 원리와 기존 광변조기 대비 장점, 남아 있는 상용화 과제를 정리해본다.
800G에서 3.2T로 갈수록 광변조기가 중요해지는 이유
AI 데이터센터의 광통신 속도는 빠르게 높아지고 있다.
현재 800G 광트랜시버가 본격적으로 확산되는 가운데 시장은 1.6T를 거쳐 3.2T 광모듈과 차세대 광엔진으로 이동하고 있다.
여기서 800G, 1.6T, 3.2T는 광모듈 하나가 1초 동안 전송할 수 있는 데이터의 총량을 의미한다.
800G: 초당 800기가비트
1.6T: 초당 1.6테라비트
3.2T: 초당 3.2테라비트
속도가 두 배 높아질 때마다 광모듈 내부의 전기·광학 부품도 더 많은 데이터를 처리해야 한다.
문제는 광모듈의 크기와 소비전력을 속도에 비례해 계속 늘릴 수 없다는 점이다.
결국 같은 크기 안에서 더 많은 데이터를, 더 적은 전력으로 보내야 한다.
이 과정에서 가장 중요한 부품 중 하나가 광변조기이다. Coherent는 2026년 OFC에서 1.6T·3.2T 플러거블 기술을 공개했고, OIF도 224G와 448G급 전기 인터페이스 및 차세대 광모듈 규격을 개발하고 있다. (Coherent Inc)
1. 광변조기는 무엇을 하는 부품인가
광통신에서는 레이저가 계속 빛을 만들어낸다.
하지만 일정한 빛만 계속 보내서는 데이터를 전달할 수 없다.
빛을 켰다 껐다 하거나, 빛의 세기·위상·주파수를 바꿔야 0과 1의 정보를 실을 수 있다.
이 역할을 하는 부품이 광변조기이다.
쉽게 비유하면 다음과 같다.
레이저: 계속 흐르는 물
광섬유: 수도관
광변조기: 수도꼭지
전기 신호: 수도꼭지를 여닫는 명령
광변조기는 전기 신호를 받아 빛의 세기나 위상을 바꾼다.
전기 데이터가 광데이터로 바뀌는 핵심 지점인 셈이다.
따라서 광변조기가 충분히 빠르게 반응하지 못하면 광모듈 전체 속도도 높이기 어렵다.
2. 800G에서 1.6T, 3.2T로 가는 두 가지 방법
광모듈의 전체 속도를 높이는 방법은 크게 두 가지이다.
첫 번째는 채널 수를 늘리는 방법이다
대표적인 구성을 단순화하면, 100G를 전송하는 광채널 8개를 사용해 800G를 구현할 수 있다.
같은 100G 채널을 16개 사용하면 전체 전송량을 1.6T로 늘릴 수 있다.
하지만 채널이 늘어나면 다음 부품도 함께 늘어난다.
광변조기
드라이버
광검출기
수신 증폭기
광도파로
광섬유 연결부
광모듈 내부가 복잡해지고 면적과 소비전력이 증가한다.
두 번째는 채널 하나의 속도를 높이는 방법이다
100G 채널을 200G로 높이면 8개 채널로 1.6T를 구현할 수 있다.
다시 채널당 400G 수준까지 높이면 8개 채널로 3.2T를 구현할 수 있다.
실제 1.6T DR8 모듈은 8개의 200G PAM4 채널을 사용하는 구조가 등장하고 있다. 3.2T에서는 400G/lane과 이에 대응하는 448G급 전기 인터페이스가 중요한 개발 방향이다. (Coherent Inc)
하지만 이번에는 광변조기 하나가 훨씬 빠르게 움직여야 한다.
결국 3.2T로 갈수록 광변조기는 다음 두 가지 조건을 동시에 만족해야 한다.
더 빨라져야 하고, 더 작아져야 한다.
바로 이 지점에서 기존 광변조기의 한계가 나타난다.
기존 광변조기는 왜 길어지는가
현재 실리콘 포토닉스에서 널리 사용되는 광변조기 중 하나가 MZM, 즉 마하젠더 변조기이다.
원리는 어렵지 않다.
레이저 빛을 두 갈래로 나눈 뒤, 두 빛의 진행 상태를 다르게 만든 다음 다시 합친다.
두 빛이 같은 위상으로 만나면 강하게 합쳐져 밝아진다.
반대 위상으로 만나면 서로 상쇄돼 어두워진다.
이 밝기 차이를 이용해 데이터를 만든다.
문제는 실리콘이 전압을 가했을 때 굴절률이 크게 변하는 소재가 아니라는 점이다.
실리콘은 결정 대칭성 때문에 일반적인 Pockels 효과를 직접 사용하기 어렵고, 주로 전자와 정공의 밀도를 변화시키는 plasma dispersion effect를 이용한다. 이 방식은 굴절률을 바꾸는 동시에 빛의 흡수손실도 변화시킨다. (arXiv)
전압을 조금 가해도 실리콘의 굴절률 변화가 크지 않기 때문에, 충분한 위상 변화를 만들려면 빛과 전기 신호가 비교적 긴 구간에서 상호작용해야 한다.
쉽게 말하면 다음과 같다.
약한 약품을 사용하는 대신 반응 시간을 길게 가져가는 것과 같다.
실리콘의 변조 효과가 약하기 때문에 빛이 수㎜ 길이의 변조기 안을 이동하면서 조금씩 영향을 받도록 만드는 것이다.
전통적인 traveling-wave 실리콘 MZM은 수㎜ 길이를 갖는 경우가 많다. 다만 최근에는 전극과 소재 구조를 개선해 500㎛ 길이에서 약 95GHz 대역폭을 구현하는 연구도 등장하고 있다. 따라서 “모든 실리콘 변조기가 반드시 수㎜”라기보다, 변조효율과 속도를 함께 확보하려 할수록 길이와 전극 설계가 부담이 된다고 이해하는 편이 정확하다. (IEEE Xplore)
| Luceda Photonics: Mach-Zehnder Modulator 원리(MZM) 빛을 두 갈래로 나누고 다시 합쳐 밝기를 조절하는 MZM의 기본 구조를 그림으로 설명한다. |
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광변조기가 길어지면 생기는 문제
광변조기를 길게 만들면 빛과 전기장이 상호작용하는 거리가 길어진다.
따라서 상대적으로 낮은 전압으로도 충분한 위상 변화를 만들 수 있다.
그러나 길어질수록 속도·손실·면적 측면에서 불리해진다.
1. 전기적으로 무거워진다
광변조기는 전기적으로 커패시터와 비슷한 성질을 가진다.
전압을 넣었다 빼면서 내부의 전하를 충전하고 방전해야 한다.
변조기가 길어지면 PN 접합과 전극의 면적이 커지고, 전체 정전용량도 증가한다.
작은 컵보다 큰 물통을 채우고 비우는 데 시간이 더 오래 걸리는 것과 같다.
800G에서는 감당할 수 있었던 충·방전 시간이 1.6T와 3.2T의 높은 심볼 속도에서는 병목으로 작용할 수 있다.
실제로 traveling-wave MZM 연구에서는 PN 접합의 정전용량이 microwave attenuation을 높이고, 변조기의 고주파 대역폭을 제한하는 핵심 요인으로 지적된다. (IEEE Xplore)
2. 전기 신호가 이동하면서 약해진다
긴 광변조기에서는 전기 신호도 긴 전극을 따라 변조기 끝까지 이동해야 한다.
그런데 고주파 전기 신호는 배선을 따라가면서 점차 약해지고 형태가 흐트러진다.
속도가 낮을 때는 문제가 크지 않다.
하지만 100GBaud, 200GBaud 이상으로 올라가면 작은 배선 손실과 설계 오차도 크게 나타난다.
대표적인 문제는 다음과 같다.
전기 신호 감쇠
임피던스 불일치
신호 반사
전기 신호와 빛의 이동속도 불일치
전극 저항과 유전체 손실
고주파 영역의 microwave loss
쉽게 말하면 짧은 거리에서는 또렷하게 들리던 목소리가 긴 복도 끝에서는 울리고 흐려지는 것과 비슷하다.
3.2T처럼 초고속 신호를 처리할 때는 이러한 손실이 eye opening을 좁히고 데이터 오류를 늘릴 수 있다.
3. 빛도 이동하면서 손실된다
빛이 긴 변조기와 도파로를 통과하면 일부 에너지가 흡수되거나 산란된다.
특히 실리콘 plasma dispersion 방식은 전하 밀도를 바꾸면서 굴절률뿐 아니라 광흡수도 함께 변화시킨다.
출력되는 빛이 약해지면 수신기에서 신호와 잡음을 구분하기 어려워진다.
이를 보완하기 위해서는 다음과 같은 대응이 필요하다.
레이저 출력 증가
수신기 감도 개선
드라이버 출력 증가
DSP equalization 강화
오류보정 기능 강화
결국 광변조기에서 발생한 손실이 다른 부품의 전력과 설계 부담으로 전가된다.
4. 광모듈 내부 공간을 많이 차지한다
800G에서 1.6T와 3.2T로 올라가면 더 많은 광채널을 제한된 면적에 배치해야 한다.
그런데 변조기 하나가 수㎜ 길이라면 여러 개를 나란히 배치하는 데 한계가 있다.
광모듈 내부에는 변조기만 들어가는 것도 아니다.
레이저
광도파로
광필터
광검출기
드라이버
TIA
DSP
광섬유 연결부
전원회로
이 모든 부품을 제한된 패키지 안에 넣어야 한다.
따라서 광모듈이 발전할수록 중요한 것은 단순한 총속도뿐 아니라 단위 면적당 얼마나 많은 데이터를 처리할 수 있는가이다.
이를 Bandwidth Density, 즉 대역폭 밀도라고 부른다.
기존의 긴 실리콘 MZM은 높은 대역폭 밀도를 구현하는 데 구조적인 부담이 있다.
| Marvell: Plasmonics—A Path to Higher Bandwidth in Optics in the AI Era 기존 3,000~5,000㎛ 변조기와 플라즈모닉 변조기의 크기 차이를 시각화한다. |
광변조기를 짧게 만들면 해결되지 않을까
겉으로 보면 해결책은 간단해 보인다.
긴 광변조기가 문제라면 짧게 만들면 된다.
실제로 변조기를 짧게 만들면 여러 장점이 있다.
칩 면적이 작아진다.
정전용량이 감소한다.
전기 신호가 이동하는 거리가 줄어든다.
충전과 방전이 빨라진다.
더 높은 속도로 작동할 수 있다.
하지만 새로운 문제가 생긴다.
변조기가 짧아지면 빛과 전기장이 상호작용하는 거리도 짧아진다.
실리콘의 변조 효과는 원래 강하지 않기 때문에 짧은 거리에서는 빛의 위상을 충분히 바꾸기 어렵다.
이를 보완하려면 더 높은 전압이나 더 강한 전기장을 사용해야 한다.
쉽게 비유하면 다음과 같다.
천천히 오랫동안 밀면 작은 힘으로도 문을 움직일 수 있다.
반대로 아주 짧은 시간 안에 문을 움직이려면 더 큰 힘을 가해야 한다.
광변조기도 비슷하다.
길게 만들면 비교적 낮은 전압으로 구동할 수 있지만 크기와 고주파 손실이 증가한다.
짧게 만들면 작고 빨라지지만 더 높은 구동전압이나 강한 활성 소재가 필요하다.
따라서 기존 실리콘 광변조기는 다음과 같은 딜레마에 놓인다.
낮은 전압을 원하면 길어지고, 작고 빠르게 만들면 구동전압과 설계 난도가 높아진다.
이를 흔히 voltage–bandwidth–efficiency trade-off라고 볼 수 있다.
800G에서는 가능했지만 3.2T에서는 어려워지는 이유
800G 광모듈은 대표적으로 8개의 100G급 채널이나 4개의 200G급 채널을 조합할 수 있다.
기존 실리콘 광변조기와 DSP 기술로도 상당 부분 대응할 수 있는 범위이다.
신호가 다소 흐려져도 DSP가 equalization과 오류보정을 통해 이를 복구할 수 있다.
하지만 1.6T에서는 8×200G 구성이 본격적으로 사용된다.
3.2T에서는 채널당 400G 수준의 광링크가 필요해질 가능성이 높다.
이때는 광변조기만 빨라져서는 부족하다.
다음 부품이 모두 동시에 빨라져야 한다.
전기 신호를 만드는 SerDes
광변조기를 구동하는 드라이버
광변조기
광검출기
TIA
ADC와 DAC
DSP
오류보정 회로
광변조기의 대역폭이 충분하지 않으면 DSP가 더 강한 equalization을 수행해야 한다.
그러나 DSP가 복잡해질수록 전력소비와 발열도 증가한다.
정확한 전력 비중은 모듈 구조와 전송거리에 따라 다르지만, DSP를 제거하거나 단순화하는 LPO 구조가 기존 DSP 기반 광모듈보다 약 40~50% 낮은 전력을 목표로 한다는 점은 DSP 부담이 상당하다는 것을 보여준다. (Semtech)
결과적으로 광모듈 속도는 높아지더라도, 1비트를 보내는 데 필요한 energy per bit가 충분히 낮아지지 않을 수 있다.
AI 데이터센터에서는 매우 많은 광링크가 사용되기 때문에 모듈 하나당 수W의 차이도 전체 데이터센터에서는 큰 전력과 냉각비용 차이로 확대된다.
플라즈모닉스는 무엇이 다른가
플라즈모닉스는 빛을 금속 표면의 자유전자 움직임과 결합해 사용하는 기술이다.
일반적인 실리콘 광변조기에서는 빛이 실리콘 도파로 안을 이동한다.
반면 플라즈모닉 변조기에서는 빛이 금속과 절연체 사이의 매우 좁은 슬롯을 따라 이동한다.
쉽게 표현하면 다음과 같다.
기존 광변조기는 넓은 도로를 따라 빛이 이동하는 구조이다.
플라즈모닉 변조기는 빛을 매우 좁은 골목으로 밀어 넣는 구조이다.
이때 빛은 금속 표면의 전자 진동과 결합한 surface plasmon polariton 형태로 이동한다.
빛과 전기장이 같은 나노미터급 공간에 강하게 모이기 때문에 동일한 전압을 가해도 활성 소재에 미치는 영향이 커진다.
| Marvell: Plasmonics—A Path to Higher Bandwidth in Optics in the AI Era 금속-유전체 슬롯에 빛과 전기장을 집중시키는 원리를 쉽게 설명한다. |
https://www.nature.com/articles/nphoton.2015.127
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플라즈모닉 변조기가 매우 짧아질 수 있는 이유
플라즈모닉 구조에서는 빛과 전기장이 매우 좁은 공간에서 겹친다.
기존 실리콘 광변조기는 빛과 전기장이 비교적 넓게 퍼져 있어 상호작용 강도가 제한적이다.
반면 플라즈모닉 변조기는 빛과 전기장을 하나의 작은 슬롯에 강하게 집중시킨다.
돋보기로 햇빛을 한 점에 모으면 온도가 급격히 올라가는 것과 비슷하다.
같은 빛과 전압이라도 좁은 공간에 집중될수록 활성 소재와의 상호작용이 강해진다.
따라서 빛이 수㎜를 이동하지 않아도 수㎛에서 수십㎛ 길이 안에서 충분한 위상 변화를 만들 수 있다.
2015년 Nature Photonics에 발표된 all-plasmonic MZM은 10㎛ 길이에서 70GHz 대역폭과 25fJ/bit의 에너지 소비를 기록했다. Marvell은 최근 Polariton 기반 기술이 약 10㎛ 길이에서 최대 1THz 수준의 대역폭을 나타낸다고 설명하고 있다. 전자는 동료평가 논문 결과이고, 후자는 기업이 공개한 최신 기술 설명이라는 차이가 있다. (Nature)
플라즈모닉 변조기가 빨라지는 이유
1. 충전해야 할 영역이 작다
변조기가 짧아지면 전기적으로 충전하고 방전해야 하는 활성 영역도 작아진다.
큰 물통 대신 아주 작은 컵을 채우고 비우는 것과 같다.
전체 정전용량이 작아지면 RC 지연이 줄어들고 전압을 더 빠르게 변화시킬 수 있다.
플라즈모닉 변조기가 수백GHz에서 THz에 이르는 높은 아날로그 대역폭을 구현할 수 있는 주요 이유 중 하나이다.
관련 논문
Nature Communications: Plasmonic IQ Modulators with Attojoule Energy
작은 정전용량과 micrometer-scale 소자가 에너지 소비를 낮추는 원리를 설명한다. (Nature)
2. 전기 신호가 멀리 이동하지 않아도 된다
기존 traveling-wave MZM에서는 전기 신호가 수㎜ 길이의 전극을 지나가야 한다.
플라즈모닉 변조기는 길이가 수㎛에서 수십㎛ 수준이기 때문에 전기 신호가 긴 전극을 따라 이동할 필요가 없다.
그만큼 전극에서 발생하는 신호 감쇠, 반사, 속도 불일치 문제를 줄일 수 있다.
관련 논문
Nature Photonics: 10㎛ All-Plasmonic MZM
기존 traveling-wave 전극이 아니라 극도로 짧은 plasmonic phase shifter를 사용한 구조를 보여준다. (Nature)Nature Photonics: THz-to-Optical Conversion
플라즈모닉 변조기가 0.36THz 이상의 대역폭을 이용해 THz 신호를 직접 광신호로 전환한 사례이다. (Nature)
3. 빛과 전기장의 상호작용이 강하다
플라즈모닉 변조기에서는 빛이 매우 좁은 슬롯 안에 압축된다.
전극 사이 거리도 짧기 때문에 낮은 전압에서도 강한 전기장이 형성된다.
전압이 같다면 전극 간격이 좁을수록 단위 거리당 전기장은 강해진다.
빛과 전기장이 같은 활성 소재 안에서 강하게 겹치기 때문에 짧은 변조기에서도 충분한 빛의 변화가 가능하다.
관련 시각자료·논문
Nature Photonics: Plasmonic Field Confinement Figure
plasmonic slot과 일반 photonic waveguide의 전기장 집중도 차이를 비교한다.Nature: Plasmonic BTO-on-SiN Platform
강한 Pockels 소재인 BTO와 플라즈모닉 구조를 결합해 200GBaud 이상을 겨냥한 최신 연구이다. (Nature)
3.2T 시대에 플라즈모닉스가 특히 중요한 이유
플라즈모닉스의 가장 큰 장점은 단순히 변조기 하나가 빠르다는 데 있지 않다.
아주 작은 공간에 많은 고속 광채널을 넣을 수 있다는 점이 더 중요하다.
3.2T 광모듈에서는 채널당 400G 수준의 속도가 필요해질 수 있다.
기존 광변조기는 속도를 높이려 할수록 크기, 전극 손실과 구동전력 부담이 커진다.
플라즈모닉 변조기는 크기가 매우 작고 대역폭도 높기 때문에 제한된 면적에 더 많은 광채널을 배치할 수 있다.
이를 통해 다음과 같은 효과를 기대할 수 있다.
광엔진 크기 축소
채널 수 확대
전기 배선 거리 단축
드라이버 부하 감소
단위 면적당 대역폭 증가
CPO 적용 용이
GPU와 스위치 주변 광입출력 확대
특히 CPO에서는 이러한 장점이 중요하다.
CPO는 광엔진을 스위치 ASIC이나 연산 칩 가까이에 배치하는 방식이다.
기존처럼 전기 신호를 보드 가장자리의 광모듈까지 긴 거리로 보내지 않고, 칩 주변에서 빠르게 광신호로 전환한다.
전기 신호 이동 거리가 짧아져 전력과 신호손실을 낮출 수 있다.
그러나 스위치 ASIC 주변의 패키지 공간과 칩 가장자리 면적은 제한적이다.
따라서 변조기가 작고 단위 길이당 대역폭이 높을수록 유리하다.
플라즈모닉스가 CPO와 잘 맞는 이유이다.
| hn H LauUnimicron Technology Corporation의 PDF (MRM) |
플라즈모닉스가 실리콘 포토닉스를 전부 대체하는 것은 아니다
플라즈모닉스는 빛을 매우 좁게 가둘 수 있지만 금속을 사용한다는 약점이 있다.
금속은 빛의 일부를 흡수해 열로 바꾼다.
따라서 플라즈모닉 구조만으로 빛을 긴 거리까지 보내는 것은 비효율적이다.
현실적인 방식은 역할을 나누는 것이다.
빛이 이동하는 구간: 손실이 낮은 실리콘 또는 SiN 도파로
빛을 빠르게 바꾸는 짧은 구간: 플라즈모닉 변조기
장거리 전송 구간: 광섬유
즉, 실리콘 포토닉스 전체를 없애는 것이 아니다.
기존 실리콘 포토닉스 플랫폼 위에 플라즈모닉 활성소자를 결합하는 하이브리드 구조이다.
쉽게 말하면 고속도로 전체를 새로 만드는 것이 아니라, 병목이 발생하는 톨게이트만 초고속 장비로 바꾸는 구조이다.
관련 시각자료·논문
Nature Communications: Silicon Photonics + Organic EO + Plasmonics
실리콘 도파로는 빛의 이동에 사용하고, 짧은 플라즈모닉 구간에서만 변조하는 하이브리드 구조를 보여준다. (Nature)Nature: Plasmonic BTO-on-SiN Platform
저손실 SiN 수동도파로와 고속 플라즈모닉 변조기를 결합한 대표적인 하이브리드 접근법이다. (Nature)Marvell: Plasmonics and Silicon Photonics
플라즈모닉스가 실리콘 포토닉스를 대체하기보다 선택적인 활성구간으로 결합되는 이유를 설명한다. (Marvell Technology)
플라즈모닉스에도 해결해야 할 문제가 있다
플라즈모닉스가 유망하더라도 곧바로 모든 광모듈에 적용되는 것은 아니다.
금속에 의한 광손실
금속은 빛의 일부를 흡수한다.
변조기 길이가 매우 짧기 때문에 전체 손실을 제한할 수 있지만 완전히 없앨 수는 없다.
변조효율을 높이기 위해 빛을 금속에 더 강하게 가두면 광손실이 커질 수 있어, field confinement와 propagation loss 사이의 최적화가 필요하다.
관련 논문
Nature Photonics: 플라즈모닉 슬롯 폭과 광손실의 관계
슬롯이 좁아질수록 상호작용은 강해지지만 propagation loss도 변하는 관계를 Figure로 보여준다.
장기 신뢰성
플라즈모닉 변조기에는 유기 전기광학 폴리머, BTO 같은 Pockels 소재 또는 다른 특수 활성 소재가 들어갈 수 있다.
데이터센터에서는 다음 조건을 수년간 견뎌야 한다.
고온
반복적인 열변화
장시간 전압 인가
높은 광출력
습도
패키지 응력
실험실에서 높은 속도를 기록한 것과 데이터센터에서 장기간 안정적으로 작동하는 것은 별개의 문제이다.
관련 자료
Marvell: 플라즈모닉스의 상업화 과제
신뢰성, 제조공정, 양산방법이 추가로 개선돼야 한다고 설명한다. (Marvell Technology)
대량생산 수율
금속 사이의 슬롯 간격과 활성 소재 두께를 나노미터 단위로 정밀하게 관리해야 한다.
공정 편차가 발생하면 변조효율, 광손실, 구동전압과 채널별 성능이 달라질 수 있다.
실험실 단일 소자가 아니라 웨이퍼 전체에서 균일한 성능을 확보해야 상업적 양산이 가능하다.
관련 논문
Nature: Plasmonic BTO-on-SiN Platform
소재 증착, 금속 슬롯, 저손실 도파로를 하나의 공정으로 결합할 때의 설계와 제조과제를 보여준다. (Nature)
패키징 문제
변조기가 1THz 대역폭을 갖더라도 드라이버, 전기배선과 패키지가 이를 지원하지 못하면 실제 데이터 전송속도는 제한된다.
따라서 플라즈모닉 변조기와 CMOS 드라이버를 매우 가깝게 배치하고, 짧고 낮은 손실의 전기 인터페이스를 구현해야 한다.
관련 자료
Marvell: Polariton 인수와 End-to-End Optical Platform
플라즈모닉 소자만으로는 부족하며 DSP·driver·silicon photonics·switching과의 시스템 통합이 중요하다는 점을 보여준다. (Marvell Technology)IBM·Rapidus: Advanced Packaging 기반 CPO
전자칩과 광엔진을 패키지 안에서 연결하는 구조와 고밀도 optical I/O 문제를 다룬다. (arXiv)
플라즈모닉스만이 유일한 대안은 아니다
3.2T 시대를 위한 광변조기 후보는 여러 가지가 있다.
고속 실리콘 MZM
실리콘 링 변조기
GeSi 전기흡수 변조기
InP 기반 EML
박막 리튬나이오베이트
전기광학 폴리머 변조기
플라즈모닉 변조기
각 기술마다 장단점이 다르다.
기존 실리콘 MZM은 파운드리 공정과 생산 경험이 강점이지만 변조효율과 footprint 부담이 있다.
실리콘 링 변조기는 작고 저전력이지만 공진 구조이므로 온도와 공정편차에 민감하다. 변조 깊이와 속도 사이에도 trade-off가 존재한다. (Nature)
GeSi EAM은 매우 작고 실리콘 공정에 집적하기 쉽다. Imec은 110GHz 이상의 대역폭으로 net 400Gbps/lane을 시연해 3.2T 시대의 강력한 대안이 될 수 있음을 보여줬다. (imec)
InP EML은 레이저와 변조기를 하나의 III-V 칩에 통합할 수 있지만 실리콘 포토닉스와의 대규모 집적과 제조비용 측면에서 부담이 있다.
박막 리튬나이오베이트는 낮은 광손실과 강한 Pockels 효과, 100GHz 이상의 대역폭이 강점이다. 반면 MZM 길이와 실리콘 플랫폼과의 이종집적이 주요 과제이다. (Nature)
전기광학 폴리머는 높은 전기광학 효율과 낮은 구동전압이 장점이지만 소재의 장기 안정성, encapsulation과 양산 재현성을 검증해야 한다.
플라즈모닉스는 크기와 잠재 대역폭 측면에서 강력한 후보지만, 금속손실과 신뢰성, 양산수율을 확인해야 한다.
기술별 비교자료
IEEE Review: Emerging Modulator Technologies in Silicon Photonics
plasma dispersion, Pockels, Franz–Keldysh, QCSE 등 여러 변조방식을 비교한다. (IEEE Xplore)MDPI Review: Modulators in Silicon Photonics—Heterogeneous Integration
실리콘, III-V, EAM, EML 및 이종접합 변조기를 폭넓게 정리한다. (MDPI)Imec: 400G/lane GeSi EAM
플라즈모닉스를 사용하지 않고도 400G/lane을 구현할 수 있는 가장 중요한 대안 사례이다. (imec)Nature Reviews Physics: Integrated Electro-Optics on Thin-Film Lithium Niobate
TFLN의 원리, 장점과 집적과제를 종합적으로 설명한다. (Nature)Nature Scientific Reports: 110GHz Hybrid Silicon–Lithium Niobate MZM
리튬나이오베이트 변조기의 높은 대역폭과 optical power handling을 보여준다. (Nature)Nature Communications: Silicon Ring Modulator의 Trade-off
링 변조기의 작은 크기와 낮은 전력이라는 장점, modulation depth와 switching speed 간 제약을 함께 설명한다. (Nature)
결론
800G에서 1.6T, 3.2T로 광모듈 속도가 높아질수록 기존 광변조기는 점점 더 큰 부담을 받는다.
기존 실리콘 광변조기는 빛을 충분히 바꾸기 위해 비교적 긴 interaction length가 필요하다.
그러나 변조기가 길어지면 다음 문제가 발생한다.
정전용량이 커진다.
고주파 전기 신호 손실이 커진다.
광학적 삽입손실이 증가할 수 있다.
칩 면적을 많이 차지한다.
많은 광채널을 고밀도로 배치하기 어렵다.
반대로 변조기를 짧게 만들면 속도와 면적은 개선되지만, 충분한 변조를 위해 더 높은 전압이나 더 강한 활성 소재가 필요하다.
결국 기존 실리콘 광변조기는 길이, 속도, 구동전압, 광손실과 전력 사이의 딜레마를 안고 있다.
플라즈모닉스는 빛과 전기장을 매우 좁은 공간에 강하게 집중시킨다.
이를 통해 짧은 거리에서도 빛을 충분히 바꿀 수 있다.
변조기 길이를 수㎜에서 수십㎛ 이하로 축소
전기적 정전용량과 RC 지연 감소
수백GHz에서 THz 수준의 잠재 대역폭
높은 단위 면적당 대역폭
CPO와 고밀도 Optical I/O에 유리
따라서 플라즈모닉스는 실리콘 포토닉스를 전면 대체하는 기술이라기보다, 1.6T와 3.2T 이후 기존 실리콘 광변조기의 속도와 면적 병목을 보완하는 초고속 활성소자 기술로 보는 것이 적절하다.
특히 채널당 400G 이상, 3.2T 광모듈, CPO, AI scale-up 및 scale-across 네트워크처럼 속도와 공간 제약이 동시에 심해지는 시장에서 플라즈모닉스의 상대적 가치는 커질 가능성이 높다.
다만 GeSi EAM, 고속 실리콘 MZM, TFLN, InP EML과 전기광학 폴리머도 계속 발전하고 있다.
따라서 차세대 광변조기 시장은 하나의 기술이 모든 영역을 대체하기보다, 전송거리·전력·면적·비용과 신뢰성에 따라 여러 기술이 병존하는 형태로 전개될 가능성이 높다.