InP 레이저 · EML · Silicon Photonics — 빛의 원천
왜 COHR·LITE가 EML 레이저 50%+ 과점하는가 — 광통신 밸류체인의 가장 깊은 바닥
InP 레이저 · EML · Silicon Photonics — 빛의 원천
"GPU가 AI 반도체 시대의 별이라면, EML 레이저는 그 별들을 잇는 빛의 원천이다. 손톱보다 작은 이 칩 하나 없이는 400G도 1.6T도 존재할 수 없다."
시작하는 질문 세 가지
AI 데이터센터 이야기를 하다 보면 대부분 GPU, HBM, CoWoS에서 멈춘다. 그러나 조금 더 깊이 파고들면 한 가지 기묘한 현실을 만나게 된다. GPU는 전기 신호로 연산하지만, 데이터센터 랙을 넘어가는 순간부터는 모든 통신이 "빛"으로 바뀐다. 그리고 그 빛을 만들어내는 레이저 칩은 전 세계에서 10곳도 안 되는 회사가 과점하고 있다.
- 왜 레이저 칩을 만드는 회사가 전 세계 10곳 미만인가?
- Silicon Photonics는 왜 "차세대 기술"이자 "오래된 실망"인가?
- EML 레이저 한 개가 $50-200인데 왜 AI 반도체 밸류체인 최하위에서 그토록 중요한가?
이 문서는 광통신 밸류체인의 가장 깊은 바닥 — InP 결정에서 EML 레이저를 거쳐 Silicon Photonics에 이르는 빛의 공급망을 해부한다.
0절. Quick Glossary — 20개 핵심 용어
1절. 빛의 원천 — 레이저란 무엇인가
일상 비유
광통신용 반도체 레이저는 쌀알보다도 훨씬 작다. 보통 가로 0.3mm × 세로 1mm 정도의 직육면체 칩이다. 이 작은 조각이 1초에 수백억 번(100-200 GHz) 빛을 깜빡이며, 10km 넘는 광섬유를 통해 신호를 전달한다. 일반 LED가 사방으로 흩어지는 빛을 내는 반면, 레이저는 한 방향으로 일직선으로 뻗어나가는 "정렬된 빛"을 낸다. 마치 수돗물(LED)과 고압 세척기의 직선 물줄기(레이저) 차이와 같다.
레이저 발광 원리 — 전자의 낙하
레이저(LASER = Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)는 전자가 높은 에너지 상태에서 낮은 에너지 상태로 떨어질 때 광자를 내뿜는 현상을 이용한다.
- 전기 에너지 주입: 전자가 높은 에너지 상태로 올라감
- 자발 방출: 전자가 낮은 에너지 상태로 떨어지며 광자 방출
- 유도 방출: 이 광자가 다른 전자를 자극하여 동일 파장·동일 위상의 광자를 추가로 방출 → 빛이 증폭됨
- 공진 구조: 칩 양끝의 거울로 빛을 왕복시켜 같은 파장만 남김
핵심은 "같은 파장, 같은 위상, 같은 방향"이라는 **결맞음(coherence)**이다.
반도체 레이저 vs 가스/고체 레이저
광통신은 반도체 레이저만 쓴다. 이유는 ① 크기가 작아 트랜시버에 넣을 수 있고, ② 전류 변조로 고속 스위칭이 가능하며, ③ 양산이 가능해 개당 $50-200 수준으로 공급할 수 있기 때문이다.
투자자 관점에서 보면
레이저 제조는 "물질(재료) + 구조 설계 + 에피택시 + 칩 가공"이 결합된 공정이다. 일반 반도체와 달리, 레이저는 단일 재료(실리콘)로 만들 수 없고 III-V족 화합물 반도체라는 특수 재료가 필요하다. 이 재료 공급망은 실리콘보다 훨씬 좁고 집중적이며, 이것이 COHR·LITE의 구조적 해자를 만든다.
2절. 왜 실리콘은 빛을 못 내는가 — InP의 탄생
문제: 실리콘의 "간접 천이" 저주
전 세계 반도체의 95% 이상이 실리콘(Si)으로 만들어진다. 그런데 왜 레이저만큼은 실리콘으로 만들지 않는가?
- 직접 천이 (Direct Bandgap): 전자가 단순히 높은 곳에서 낮은 곳으로 떨어지며 광자 방출
- 간접 천이 (Indirect Bandgap): 전자가 떨어질 때 운동량도 바뀌어야 하는데, 이걸 도와주는 "격자 진동"이 있어야 광자가 나옴 → 빛이 거의 안 나오고 대부분 열로 변환됨
실리콘은 간접 천이형이라 빛 방출 효율이 InP의 1/10,000 이하다.
InP — 빛을 내는 특수 재료
InP(Indium Phosphide, 인화인듐)는 주기율표 **3족(In) + 5족(P)**이 결합한 화합물 반도체다.
- 직접 천이형: 전자가 떨어지면 거의 그대로 광자 방출
- 밴드갭 1.35eV: InP 기반 활성층을 조합하면 1310nm~1550nm 대역에서 발광 가능
- 전자 이동도 높음: 실리콘보다 3-5배 빠른 전자 속도
GaAs vs InP — 파장이 가른다
GaAs는 밴드갭 1.42eV로 약 850nm 파장에서 발광한다. 850nm는 단거리용이고, 장거리 광섬유에서는 손실이 커진다.
광통신에서 왜 1310/1550nm를 쓰는가?
- 1310nm: "영 분산(zero dispersion)" 파장 — 신호 왜곡이 최소
- 1550nm: "최소 손실" 파장 — 감쇠가 가장 적음 (0.2 dB/km)
InP가 사실상 유일한 선택지다.
InP 웨이퍼의 희소성
실리콘 웨이퍼는 12인치(300mm)가 주류. 반면 InP 웨이퍼는:
- **4인치(100mm) · 6인치(150mm)**가 주류
- 연간 생산량이 실리콘의 1% 이하
- 세계 제조사는 Sumitomo Electric (~40%), AXT, JX Nippon Mining, IQE 등 5곳 미만
- 가격은 실리콘 웨이퍼의 10-50배
투자자 관점에서 보면
InP 공급망의 구조적 희소성은 COHR의 InP 웨이퍼 자체 생산이 해자인 이유를 설명한다. COHR은 2021년 Finisar 인수, 2022년 Coherent 인수를 통해 InP 결정 성장부터 레이저 칩, 트랜시버 조립까지 수직통합을 완성했다. 반면 LITE는 레이저 칩 전문이지만 웨이퍼는 외부(주로 Sumitomo)에서 조달한다.
3절. 레이저 유형 3대장 — EML · DFB · VCSEL
3-1. EML (Electro-Absorption Modulated Laser)
구조: DFB 레이저 + EAM(Electro-Absorption Modulator)를 같은 InP 칩에 통합
작동 원리:
- DFB 섹션에서 CW 레이저 빛 생성
- 이 빛이 칩 내부에서 EAM 섹션으로 진입
- EAM에 전압을 걸면 흡수계수가 급격히 변함 → 빛이 통과하거나 막힘 → ON/OFF 신호 생성
장점:
- 변조기 내장 → 외부 변조기 불필요 → 모듈 공간 절약
- 고속 동작: 100-200 GBaud
- 소비 전력 낮음
용도: 400G·800G·1.6T 트랜시버의 주력 광원
가격: 개당 $50-200
비유: "레이저 + 셔터가 한 몸으로 붙어있는 구조. 셔터(EAM)가 전압에 따라 빛을 가리거나 통과시키며 깜빡인다."
3-2. DFB (Distributed Feedback Laser)
구조: 활성층 위/아래에 회절격자 형성 → 특정 파장만 되먹임
용도:
- 장거리(10-80km) 광통신
- SiPh/CPO 시스템의 CW 광원
- WDM의 각 파장 소스
비유: "빛을 계속 켜두는 형광등 — 깜빡임(변조)은 외부에서 담당."
3-3. VCSEL (Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser)
구조: 빛이 칩 표면에 수직 방향으로 나옴. GaAs 기반.
장점:
- 대량 생산 용이
- 저가: 개당 $1-10
단점:
- 850nm는 장거리 광섬유에서 손실 큼 → 100m 이하 단거리용
- 고속 어려움: 100G가 한계
용도:
- MMF 단거리 트랜시버
- 소비자 광마우스, 3D 센싱(iPhone Face ID)
3대 레이저 비교 표
투자자 관점에서 보면
AI 데이터센터 인터커넥트 수요가 EML로 집중되는 이유는 1.6T 트랜시버가 200G/lane EML 8개로 구성되기 때문이다. 가장 뜨겁고 공급이 부족한 영역이 EML이며, 이 시장을 LITE와 COHR가 장악하고 있다.
4절. EML 레이저 — 1.6T 시대의 스타
EML이 왜 AI 광통신의 주인공이 되었나
2024년 이전까지는 400G 트랜시버가 주력이었고, 광원은 DML(Directly Modulated Laser)이 충분했다. 그러나 800G·1.6T 시대로 진입하며 레인당 속도가 100G → 200G로 2배 증가했다. 이 속도에서 DML은 사실상 사용 불가능. EML만이 대안이 된다.
EML 내부 구조
EML은 같은 InP 칩 위에 두 섹션이 나란히 놓여 있다:
- DFB 섹션 (좌측): 일정한 전류를 주입받아 CW 레이저 빛을 생성
- EAM 섹션 (우측): 역방향 전압을 걸면 양자우물의 흡수 에지가 이동 → 빛이 흡수되어 OFF, 전압 해제 시 통과하여 ON
이 구조의 천재성은 두 섹션이 같은 웨이퍼 공정에서 동시에 만들어진다는 점이다.
왜 EML 생산은 극소수 회사만 가능한가
- 에피택시 정밀도: InP 기판 위에 10-30층을 원자 단위로 쌓아야 함
- 두 섹션 통합: Butt-Joint Regrowth 또는 Selective Area Growth 같은 복잡한 공정 필요
- 고주파 설계: 200GBaud 동작을 위해서는 칩 RF 기생 요소를 극한으로 줄여야 함
- 수율: InP 웨이퍼 한 장에서 사용 가능한 칩은 60-80%
MOCVD 장비만 수십억 달러, 공정 레시피 개발에 5-10년이 걸린다.
2026 EML 시장 점유율
**2026년 현재, LITE + COHR 합산 70-85%**로 사실상 과점 상태.
EML 수요 공급 갭
- 수요: 2026년 800G/1.6T 트랜시버 출하량 급증 → EML 수요 YoY +60-80%
- 공급: MOCVD 라인 증설에 18-24개월 소요 → 2026H1까지 공급 부족
- 결과: LITE·COHR 가격 결정력 상승, EML ASP 10-20% 상승
투자자 관점에서 보면
LITE의 PEG 0.63 밸류에이션은 우연이 아니다. EML 독점에 가까운 지위 + 200G/lane 전환 수혜 + 용량 증설 제한의 삼박자가 맞아떨어진다. 포트폴리오 관점에서 COHR 1.78% 보유 대비 LITE 미보유는 구조적 공백이며, 2-4% 편입 시 EML 과점 구조를 직접 베팅할 수 있다.
5절. InP 웨이퍼 공급 — 희소 자원
세계 InP 웨이퍼 제조사 — 5곳 미만
- Sumitomo Electric (일본) — 세계 점유율 ~40-50%
- AXT Inc. (미국, 중국 공장) — 점유율 ~20%. NASDAQ 상장사 (티커 AXTI)
- JX Nippon Mining & Metals (일본) — 점유율 ~10-15%
- IQE (영국) — 점유율 ~10%. 에피웨이퍼 전문
- 기타 — 합산 ~10%
수율 문제
- 실리콘 7nm 칩 수율: 95% 이상
- InP EML 칩 수율: 70-80% (최적화된 팹 기준)
공급 병목이 밸류체인에 미치는 영향
2024 Q3: Sumitomo 공급 할당제 도입, 2025 납기 6-9개월 지연 2025 Q1: COHR·LITE 모두 "InP 웨이퍼 제약이 성장의 최대 리스크"라고 실적 콜에서 언급 2025 Q4: AXT 베이징 공장 증설 발표, 2027 Capa 2배 확대 계획
이것이 COHR의 수직통합이 해자가 되는 이유다.
6절. Silicon Photonics — 꿈과 현실
SiPh란 무엇인가
Silicon Photonics(실리콘 광집적회로, SiPh)는 실리콘 기판 위에 광학 부품을 CMOS 반도체 공정으로 만드는 기술이다.
비유: "반도체 공장에서 찍어내는 광학 부품"
기존 광통신 모듈은 레이저·변조기·수광소자를 각각 별도로 만든 후 정밀 정렬로 조립한다. SiPh는 이를 하나의 칩으로 통합해 마치 CPU 양산처럼 찍어내겠다는 발상이다.
SiPh의 구조적 장점
- CMOS 공정 재사용: TSMC·GlobalFoundries·Intel의 기존 팹에서 생산 가능
- 대량생산: 12인치 실리콘 웨이퍼 한 장에 수천 개 SiPh 칩
- 집적도: 광 부품 수십~수백 개를 mm² 크기에 통합
SiPh의 구조적 문제: 레이저가 안 됨
실리콘은 빛을 못 낸다. 따라서 SiPh 칩에는:
- 도파로, 변조기, 수광소자 → 실리콘/게르마늄으로 OK
- 레이저 → InP 필요 → 실리콘으로 안 됨
SiPh 주요 플레이어
7절. 왜 SiPh는 "오래된 실망"이었나
2010년대 초부터 반복된 "5년 후 상용화"
- 2010년: "2015년 양산"
- 2015년: "2020년 변곡점"
- 2020년: "2025년 본격 전환"
- 2025년: ... 드디어 전환 시작
실패 원인
- 레이저 통합의 벽: Intel Hybrid Silicon Laser는 2006년부터 연구했으나 상용화 수율이 낮았다.
- 시장 수요 부재: 2010년대에는 100G 이더넷이 주력이었고, EML + 외부 변조기 조합으로 충분.
- DSP와의 경쟁: Inphi·Marvell의 DSP가 PAM4 변조로 기존 InP 레이저를 효율적으로 사용.
- 전력·열 문제: 초기 SiPh 변조기(MZM)는 전력 소모가 예상보다 높았다.
2024년부터 달라진 이유 — CPO가 SiPh를 구원했다
- AI 트래픽 폭증: GPU 서버당 대역폭 수요가 10-100배 늘며 CPO가 필수가 됨
- CPO는 SiPh 없이 불가능: 스위치 ASIC 옆에 광 엔진을 1mm 이내로 근접 배치 → 집적도 높은 SiPh가 유일한 현실적 해법
- TSMC COUPE 발표 (2025): 파운드리 레벨에서 SiPh 양산 인프라 제공
투자자 관점에서 보면
SiPh 투자 테마의 핵심은 **"순수 SiPh 벤처가 아니라 SiPh를 CPO로 연결하는 상장 플레이어"**다. AVGO(CPO 스위치 통합)와 MRVL(SiPh DSP)가 양대산맥. TSMC가 COUPE 파운드리 서비스로 2026-2027 SiPh 양산의 실질적 인프라를 제공한다.
8절. Heterogeneous Integration — InP와 SiPh의 결혼
문제 재확인
- InP의 한계: 웨이퍼 작음(4-6인치), 수율 낮음, 단가 높음
- 실리콘의 한계: 레이저 불가
해답: 두 재료를 한 칩에 결합하자 → Heterogeneous Integration(이종 집적)
접근법 1: Hybrid Integration (Flip-Chip Bonding)
방법: 완성된 InP 레이저 칩을 SiPh 칩 위에 뒤집어 접착.
장점:
- 기술 성숙도 높음
- InP 칩을 사전 테스트 후 양호품만 집적 가능
- 수율 관리 쉬움
상용화 현황: 현재 대부분의 SiPh 모듈이 이 방식.
접근법 2: Heterogeneous Integration (Wafer Bonding)
방법: InP 에피층을 SiPh 웨이퍼 위에 직접 접합. InP 활성층만 실리콘 위에 남겨 레이저 구조 완성.
장점:
- 서브마이크론 정렬 정밀도
- 광 결합 손실 극소 (<0.5dB)
- 웨이퍼 레벨 집적 → 대량생산
단점: 기술 성숙도 낮음, 양산 수율 확보 어려움
이 기술이 CPO의 핵심 실행 방법인 이유
CPO(Co-Packaged Optics)는 스위치 ASIC 옆에 광 엔진을 집적한다. 광 엔진 내부의 핵심이 바로 SiPh + InP 이종 집적이다. TSMC SoIC는 이 이종 집적의 현재 최고 기술 플랫폼이다.
투자자 관점에서 보면
이종 집적은 TSMC의 또 다른 해자다. 기존 CoWoS + HBM 적층에 이어, SoIC + COUPE로 SiPh-InP 통합을 주도하면 AVGO·NVDA·MRVL 모두 TSMC에 의존한다.
9절. 밸류체인 수혜 구조 — 누가 돈을 버는가
광통신 밸류체인 종합 지도
[InP 웨이퍼]
Sumitomo, AXT, IQE (5곳)
↓
[InP 에피 + 칩] [실리콘 웨이퍼]
LITE, COHR, 三菱 TSMC, GF, Intel
↓ ↓
[EML/DFB] [SiPh 변조기/검출기]
└──┬──────────────┬──┘
↓ ↓
[Transceiver 조립 / CPO 광 엔진]
COHR, LITE, Innolight (트랜시버)
COHR, AVGO, Marvell (CPO 광 엔진)
↓
[스위치 ASIC + CoWoS + 광 엔진 통합]
AVGO (Tomahawk/Jericho), NVDA (Spectrum-X)
↓
[Hyperscaler 데이터센터]
MSFT, AMZN, GOOGL, META, ORCL
COHR (Coherent) — 수직통합의 챔피언
사업 구조:
- InP 결정 성장 (자체)
- InP 에피 + 레이저 칩 (자체)
- 트랜시버 조립 (자체)
- CPO 광 엔진 (성장 영역)
차별점:
- 2021-2022 연속 M&A (Finisar $3.2B, II-VI → Coherent)로 밸류체인 전체 확보
- InP 웨이퍼 자체 생산 → 공급 부족 국면에서 상대적 우위
LITE (Lumentum) — EML 순수 플레이
사업 구조:
- EML/DFB 레이저 칩 전문 (InP 웨이퍼는 외부 조달)
- 3D 센싱 (애플 Face ID 등) 부차 사업
차별점:
- 200G/lane EML 독점적 공급
- 순수 레이저 칩 전문 → EML 성장 100% 노출
밸류에이션: PEG 0.63 (Fwd 성장률 대비 현저한 저평가)
AVGO (Broadcom) — CPO 스위치의 선도자
사업 구조:
- Tomahawk·Jericho 스위치 ASIC (시장 점유율 70%+)
- SiPh 자체 설계 + TSMC COUPE 파운드리
Intel — SiPh의 아버지이자 실망
약점:
- Granite Rapids Photonics 계속 지연
- SiPh 사업부 분사 또는 매각설 지속
2026 포트폴리오 함의
10절. 투자자 관점 종합
핵심 논지 재확인
- 빛의 원천은 InP 레이저, 그리고 그 생산은 극소수 과점이다. LITE 50-60% + COHR 20-25% = 70-85% 세계 점유.
- EML은 200G/lane 1.6T 시대의 필수 부품이다.
- Silicon Photonics는 2026년이 변곡점이다.
- Heterogeneous Integration이 CPO의 실행 방법이며, TSMC SoIC/COUPE가 핵심 인프라.
- 밸류체인 수혜는 COHR + LITE + AVGO로 집약된다.
포트폴리오 행동
편입 권고:
- LITE 2-4% 신규 편입: PEG 0.63, EML 과점 구조, 1.6T 전환 직접 수혜
- COHR 2-3%로 소폭 증가: 수직통합 해자 재평가
리스크 지도:
마무리
"빛을 다루는 회사가 AI의 미래를 결정한다." 이 한 문장이 2026-2028 AI 광통신 인프라 투자의 출발점이다.
출처
- Lumentum Investor Presentation Q4 FY2025 — 2025-11
- Coherent Corp. Annual Report FY2025 — 2025-09
- Yole Group, "Silicon Photonics 2025 Market & Technology Report" — 2025-06
- LightCounting, "Optical Transceivers Market Forecast 2025-2030" — 2025-09
- Sumitomo Electric, Compound Semiconductor Wafer Business — 2025
- AXT Inc. Investor Presentation — 2025-Q4
- TSMC, COUPE Silicon Photonics Platform — 2025-04
- Intel, Silicon Photonics Roadmap — 2024
작성: IWANNAVY LAB | 발행: 2026-04-21 | 카테고리: AI 광통신 인프라 커리큘럼 L6/7