400Gb/s 광 레인은 변조기만 빠르게 만들어서는 구현할 수 없습니다. 약 200GBaud PAM4에서는 드라이버와 변조기를 잇는 패키지가 무선 주파수(RF) 회로로 동작합니다. 본드 와이어는 인덕턴스를 더하고, 유전체 배선은 커패시턴스와 손실을 만들며, 부품 높이 오차는 전기 경로를 바꿉니다. Mitsubishi Electric의 Journal of Lightwave Technology 논문은 전기흡수 변조 레이저(EML) 소자에서 하이브리드 서브마운트, 본드 와이어를 없앤 패키지까지 이 문제를 단계별로 추적합니다[1].
연구 목표는 1.6Tb/s DR8 다음 세대입니다. 200Gb/s 레인 여덟 개가 1.6Tb/s를 만들고, 같은 8레인 구성을 레인당 400Gb/s로 높이면 3.2Tb/s 모듈이 됩니다. 저자들은 이 전환을 GPU 클러스터, 근접 패키징 광학(NPO), 공동 패키징 광학(CPO)과 연결합니다. 그러나 제작한 한 개의 시제품이 오류 기준을 만족하는 400Gb/s 광 레인을 제공하지는 않습니다. 서로 다른 병목을 분리해 세 종류의 제작물로 측정했습니다. 이 근거를 합쳐서 하나의 완성 링크처럼 읽지 않는 것이 중요합니다.
Mitsubishi가 EML을 선택한 이유
레인당 400Gb/s를 위한 변조기 후보는 여러 가지입니다. 실리콘 포토닉스는 여러 레인을 높은 밀도로 통합할 수 있습니다. 박막 리튬 나이오베이트와 실리콘 유기 하이브리드 소자는 높은 전기광학 대역폭을 제공합니다. Mitsubishi가 EML을 택한 이유는 인듐인 레이저와 전기흡수 변조기를 작은 면적에 넣고 1.0Vpp보다 낮은 구동 전압을 사용할 수 있기 때문입니다. 양자 제한 스타크 효과가 흡수율을 효율적으로 바꾸므로 레이저 옆에 짧은 변조기를 붙일 수 있습니다.
작은 면적은 커패시턴스 문제를 만듭니다. 전기흡수 변조기(EAM)는 RF 경로에서 작은 커패시터처럼 동작합니다. 메사 폭을 줄이면 커패시턴스가 낮아지고 전기 대역폭이 커지지만, 너무 좁으면 제조, 저항, 광 가둠, 열 조건이 어려워집니다. 논문은 폭 1.1마이크로미터와 0.8마이크로미터의 하이메사 EAM을 시험했습니다. 0.8마이크로미터 소자는 측정 조건에서 110GHz가 넘는 소신호 응답을 보였습니다.
이 수치는 소자 응답이며 데이터 링크 결과가 아닙니다. 주파수 응답 곡선은 RF 톤에 따라 광 변조 크기가 어떻게 변하는지 보여 줍니다. 400Gb/s 레인은 드라이버, 임피던스를 제어한 패키지, 충분한 광 출력, 수신기, 등화, FEC, 송신 품질과 비트 오류 기준을 만족하는 PAM4 아이를 모두 필요로 합니다. 좁은 메사는 병목 하나를 제거했지만 나머지 경로는 아직 남아 있습니다.
짧은 본드 와이어도 인덕터가 되는 과정
일반적인 조립은 질화알루미늄(AlN) 서브마운트 위에 EML을 놓고 본드 와이어로 EAM 전극을 연결합니다. AlN은 레이저에 필요한 기계적 안정성과 높은 열전도도를 제공합니다. 그러나 100GHz를 넘으면 첫 번째 본드 와이어가 짧아도 임피던스를 바꿀 만큼 인덕턴스를 만듭니다. 논문의 시뮬레이션은 와이어 길이가 늘수록 변조 응답이 나빠짐을 보여 줍니다. 약 300마이크로미터 길이에서는 EAM보다 패키지가 응답을 제한합니다.
해결책은 하이브리드 서브마운트입니다. 레이저 아래에는 열 확산과 기계적 지지를 위해 AlN을 유지하고, 변조기 가까이에는 유전율이 낮은 석영 유리 RF 기판을 둡니다. RF 배선을 가까이 가져가 핵심 와이어를 짧게 만들고, 기존 운반체에 구현하기 어려운 정합 및 피킹 구조도 유리에 넣을 수 있습니다.
1.1마이크로미터와 0.8마이크로미터 EAM을 이 유리·AlN 구조에 조립한 시제품은 100GHz가 넘는 변조 대역폭을 보고했습니다. 빠른 소자를 열 처리가 가능한 운반체에 조립하면서 패키지가 RF 응답을 잃지 않았다는 뜻입니다. 본드 와이어와 익숙한 서브마운트 공정을 유지하므로 플러거블 모듈로 가는 근거로는 이 결과가 가장 강합니다.
저자들은 80GHz 이상에서 측정 장비 때문에 주파수 응답이 불규칙해졌으며 작은 딥을 제외하고 대역폭을 추정했다고 밝혔습니다. 합리적으로 공개한 처리 방식이지만 단일 교차 주파수뿐 아니라 응답 곡선의 모양과 시료 간 반복성도 중요합니다. 제품 인증에는 여러 소자, 온도, 노화, 조립 공차의 분포가 필요합니다.
본드 와이어를 없애면 조립 문제가 바뀌는 과정
NPO와 CPO는 패키지 가장자리의 높은 채널 밀도를 요구합니다. 와이어 루프는 수평과 수직 공간을 차지하고 피치를 제한하며 이웃 광학·전기 배선과 간섭할 수 있습니다. Mitsubishi는 RF 기판을 EML 위에 놓고 긴 본드 와이어 대신 금 스터드 범프로 신호를 전달하는 접합면 위쪽(junction-up) 구조를 시험했습니다. EML 양옆에 접지 블록을 배치해 신호와 반환 경로를 모두 위에서 연결합니다.
기계 치수가 RF 성능을 결정합니다. EML과 접지 블록의 폭은 0.2mm이고 사이 간격은 50마이크로미터입니다. 반복해서 배열하면 광 채널 피치 500마이크로미터를 만들 수 있습니다. 부품 사이에는 최대 10마이크로미터의 높이 오차가 생길 수 있어 낮은 EML 위에는 금 범프 두 개를 쌓고 각 접지 블록에는 하나를 놓아 접촉면 높이를 맞췄습니다. 이후 석영 RF 기판을 위에서 직접 접합하고 종단 저항과 피킹 인덕터를 유리에 집적했습니다.
EML 온도 50°C에서 이 직접 연결 시제품의 3dB 대역폭은 85GHz입니다. 하이브리드 본드 와이어 구조보다 느린 이유도 설명합니다. 약 100마이크로미터 길이의 금속 충전 비아가 상대 유전율 약 3.8인 석영을 통과하고, 두 겹의 범프가 기생 인덕턴스를 더합니다. 저자들은 비아 지름을 키우는 방법을 개선책으로 제안합니다. 본드 와이어를 없여도 기생 성분은 사라지지 않습니다. 눈에 보이는 루프가 비아, 범프, 패드, 유전체 전환으로 바뀌며 전체를 하나의 RF 구조로 설계해야 합니다.
PAM4 아이는 200GBaud가 아닌 113.4GBaud
본드 와이어 없는 시제품은 1.0Vpp 구동에서 113.4GBaud PAM4 광 아이를 만들었습니다. 보고한 PAM4 송신 및 분산 아이 폐쇄(TDECQ)는 1.8dB이고 소광비는 4.9dB입니다. 소신호 주파수 측정을 넘어 패키지를 통해 실제 데이터 변조를 보였다는 점에서 의미가 있습니다.
목표 심볼 속도와는 차이가 큽니다. PAM4는 심볼 하나에 2비트를 실으므로 113.4GBaud는 코딩 오버헤드 전 226.8Gb/s입니다. 논문의 전제에서 400Gb/s 레인은 약 200GBaud가 필요합니다. 패키지의 85GHz 대역폭은 낮은 데이터 속도와 일치하며 남은 격차를 보여 줍니다. 소자와 하이브리드 본드 와이어 조립은 각각 100GHz를 넘었고, 고밀도 범프 패키지는 더 낮은 대역폭에서 데이터를 시연했습니다. 한 제작물이 모든 최상 수치를 동시에 달성한 것은 아닙니다.
이 구분은 광 소자 대역폭에 2를 곱해 제품 레인 속도로 부르는 오류를 막습니다. PAM4 성능은 잡음, 선형성, 처프, 광 변조 진폭, 수신기 대역폭, 등화, FEC에 달려 있습니다. 논문은 레인당 400Gb/s로 가는 경로를 보여 주며 그 속도의 완전한 링크를 시연하지 않았습니다.
GPU 클러스터 광학에 주는 의미
레인 속도를 높이면 같은 모듈 용량에 필요한 레이저, 변조기, 검출기, 광섬유, 전기 레인 수를 줄일 수 있습니다. 8레인 3.2Tb/s 모듈은 DR8 광섬유 구성을 유지하면서 1.6Tb/s 세대보다 총 대역폭을 두 배로 높일 수 있습니다. 레인 수가 줄면 가속기나 스위치 ASIC 주위의 패키지 가장자리 압력도 낮아집니다.
반면 레인당 속도는 어려움을 아날로그 마진으로 옮깁니다. 드라이버와 수신기는 더 넓은 대역에서 동작해야 하고 삽입 손실 비용이 커지며 패키지 불연속이 한 심볼 시간에서 차지하는 비율이 늘어납니다. CPO는 큰 스위치나 가속기의 열 환경에 광 소자를 노출합니다. Mitsubishi의 50°C 패키지 결과는 관련성이 있지만 제품은 접합 온도, 외부 레이저 조건, 이웃 채널 가열, 전체 조립의 공기 흐름을 모두 측정해야 합니다.
고밀도 구조의 비용 절감 여부는 제조 수율이 결정할 수 있습니다. 직접 연결 조립은 EML, 접지 블록 두 개, 여러 겹의 범프, 유리 기판을 정렬합니다. 10마이크로미터 높이 편차만으로도 다른 범프 적층이 필요합니다. 배열을 만들면 접촉 불량, 임피던스 편차, 광 정렬 오류의 기회가 채널 수만큼 늘어납니다. 웨이퍼 수준 또는 수동 정렬 공정이 비용을 줄이려면 비싼 호스트 패키지에 붙이기 전에 불량 광·전기 채널을 찾을 시험 경로가 필요합니다.
패키지를 숨기지 않는 논문
이 연구의 장기적인 기여는 소자, 열 운반체, 고밀도 통합을 분리해 평가한 데 있습니다. 폭 0.8마이크로미터 메사는 EAM 자체가 필요한 주파수 범위를 넘을 수 있음을 보여 줍니다. 유리·AlN 서브마운트는 열 요구와 RF 요구가 100GHz 이상에서도 함께 성립할 수 있음을 보여 줍니다. 범프 직접 연결 패키지는 높은 가장자리 밀도를 위한 구조와 아직 남은 패널티를 수치로 제시합니다.
이 단계는 광 로드맵을 변조기 대역폭만으로 평가할 수 없는 이유도 설명합니다. 레인당 400Gb/s에서는 패키지가 분포 RF 네트워크입니다. 본드 길이, 유전율, 비아 지름, 범프 높이, 접지 반환 경로, 온도가 신호 경로에 참여합니다. 실험실에서 가장 빠른 소자도 패키지가 충분한 응답을 PAM4 아이까지 보존할 때 제품 가치가 생깁니다.
이 논문은 Mitsubishi의 OFC 2025 초청 논문[2]을 추가 측정과 분석으로 확장했습니다. 동일한 연구 계열이므로 OFC 글을 따로 만들어 중복 게시하지 않았습니다. SPIE Photonics West 논문[3]도 같은 100GHz 이상 서브마운트에 집중합니다. 소자와 조립 근거를 한 글에 모으고 미완성 범위를 명시한 JLT 논문을 이 연구 계열의 대표 글로 선택했습니다.
출처와 저작권 안내
이 글은 JLT 기록과 공개된 저자 원고를 바탕으로 Silicon & Systems가 독립적으로 작성한 편집 요약입니다. 저자 원고에는 CC BY 4.0 라이선스가 명시되어 있습니다. 사실과 측정 결과를 우리 문장으로 다시 설명했으며 원문의 문장, 표, 도판을 옮기지 않았습니다. 본문 도판과 카드 이미지는 이 글을 위해 새로 만들었습니다. 최종 Journal of Lightwave Technology 게재본은 (c) IEEE 2025/2026이며 조기 공개 DOI와 Optica 권호 기록의 인용 형식이 다를 수 있습니다.