광섬유 트랜시버 개발 개요

광섬유 트랜시버 소개

광 모듈이라고도 하는 광섬유 트랜시버는 전기 신호와 광 신호 간의 변환을 실현하는 데 사용됩니다. 통신 장비와 광섬유를 연결하는 핵심 장치입니다. 광 모듈은 일반적으로 레이저 LD 칩을 포함하는 TOSA(Transmitter Optical Subassembly), 광 검출기 PD 칩을 포함하는 ROSA(Receiver Optical Subassembly), 구동 회로 및 광학 및 전기 인터페이스로 구성됩니다. 도식은 그림에 나와 있습니다. 1.

그림 1 광모듈 내부 구조도

광학 모듈 내부의 레이저는 VCSEL(Vertical Cavity Surface Emitting Lasers), FP(Fabry-Perot Lasers), DFB(Distributed Feedback Lasers), EML(Electro-Absorption Modulated Lasers) 및 협대역 튜닝 가능 레이저 등으로 나눌 수 있습니다. 광검출기는 PIN(PIN Junction Diode)과 APD(Avalanche Photodiode)로 분류할 수 있습니다. 다양한 유형의 레이저와 광검출기는 성능과 비용에 차이가 있으므로 특정 사양에 따라 다양한 칩 솔루션을 선택할 수 있습니다.

광 모듈의 기본 기능 블록 다이어그램을 소개하기 위해 25G 회색 광 모듈을 예로 들어 보겠습니다.

그림 2 광 모듈의 기본 기능 블록 다이어그램

전송단에서 일정한 속도의 전기 신호는 드라이버 칩에 의해 처리되어 레이저(LD)를 구동하여 해당 속도로 변조된 광 신호를 방출하고 안정적인 전력을 가진 광 신호는 광 전력 자동을 통해 출력됩니다. 제어 회로. 수신단에서는 모듈에 들어간 후 일정 비율의 광신호가 광검출기(PD)에 의해 전기신호로 변환된 후 전치증폭기를 거쳐 해당 비율의 전기신호를 출력한다.

레이저 및 검출기 외에도 광학 모듈에는 일부 전기 칩이 포함되어 있으며 특정 기능은 아래 그림에서 볼 수 있습니다.

그림 3 광 모듈 내부 구성 요소의 기능 소개

광 모듈의 분류

 

광 모듈은 패키징 방법, 속도, 전송 거리, 변조 형식, 지원 여부에 따라 여러 가지 방법으로 분류할 수 있습니다. 파장 분할 다중화(WDM) 응용 프로그램, 광학 인터페이스 작동 모드, 작동 온도 범위 등 특정 분류는 다음 표에 나와 있습니다.

표 1 광 모듈 분류

광학 모듈의 분류
폼 팩터별	SFP, SFP+, SFP28, QSFP28, CFP2, QSFP-DD, OSFP 등
전송 거리별	2.5Gb/s,10Gb/s,25Gb/s,40Gb/s,50Gb/s,100Gb/s,200Gb/s,400Gb/s,800Gb/s,etc.
변조 모드별	NRZ, PAM4, DP-QPSK/n-QAM 등
WDM(Wavelength Division Multiplexing) 지원 여부	그레이 라이트 모듈(WDM 미지원), 컬러 광 모듈(WDM 지원)
광학 인터페이스의 작업 모듈에 의해	듀플렉스, BiDi
작동 온도 범위별	상업용(0~70℃), 산업용(-40~85℃) 등

패키징 방식의 진화는 광모듈의 고속화, 소형화 추세를 가장 직관적으로 반영할 수 있다. SFP 패키징에서 QSFP, QSFP-DD 패키징에 이르기까지 광 모듈의 속도는 1Gbps에서 800Gbps, 패키징 기술의 향상으로 인해 광학 모듈이 부피 변화가 거의 없이 더 높은 속도 요구 사항에 적응할 수 있게 되었습니다.

그림 4 광 모듈 패키징의 진화

5G의 출현과 함께 광 모듈 제조업체는 더 높은 대역폭 요구 사항을 지원하기 위해 컬러 광 모듈을 출시했습니다. 컬러 광 모듈 채택 WDM 전송을 위해 하나의 광섬유에 서로 다른 파장의 광 신호를 결합하여 링크의 신호 전송 대역폭을 크게 향상시키는 기술. 현재 유색 모듈은 주로 CWDM, LWDM, MWDM 및 DWDM으로 나뉩니다.

표 2 유색 광 모듈 비교

컬러 광 모듈의 주요 유형	채널 간격	계획	비용	주요 상업지역
CWDM	20nm	비냉각 DML+PIN	낮은	중국
LWDM	800GHz	냉각 DML+PIN	매질	일본과 한국
DWDM	100GHz	냉각 EML+APD	높은	북미, 일본, 한국
MWDM	CWDM 파장+-3.5nm	냉각 DML+PIN	매질	중국

파장 분포는 다음과 같습니다.

그림 5: 유색 광학 모듈의 파장 분포

광모듈의 주요 응용분야

광학 모듈은 주로 통신 및 데이터 센터 분야에서 사용됩니다. 통신 분야에서는 주로 무선 프런트홀, 중간 및 백홀, 백본 전송, FTTX 등에 사용됩니다. 데이터 센터 분야에서는 메인 데이터 센터의 내부 데이터 전송 및 데이터 센터 간의 상호 연결에 자주 사용됩니다.

 통신 분야에서 광섬유 트랜시버의 적용

5G 베어러 네트워크를 예로 들면, 일반적으로 메트로 액세스 레이어, 메트로 집선 레이어, 메트로 코어 레이어/지방 간선으로 나누어 5G 서비스의 프런트홀 및 미드홀 기능을 실현합니다. 각 계층의 장치는 주로 광 모듈을 통해 상호 연결되며 일반적인 응용 시나리오 및 요구 사항 분석은 표 3에 나와 있습니다.

표 3: 5G 베어러 광 모듈 애플리케이션 시나리오 및 수요 분석

네트워크 레이어링	메트로 액세스 레이어		메트로 컨버전스 레이어	메트로 코어 레이어/간선
	5G 프런트홀	5G 미드 및 백홀	5G 미드 및 백홀+DCI	5G 미드 및 백홀+DCI
전송 거리	<10/20km	<40km	<40km-80km	<40km-80km/수백 km
네트워킹 토폴로지	링 네트워크 보조와 함께 스타 유형이 지배적입니다.	적은 수의 체인 또는 스타 링크로 링 네트워크가 지배적입니다.	링 네트워크 또는 이중 업링크 링크	링 네트워크 또는 이중 업링크 링크
고객 인터페이스 요금	eCPRI:25Gb/s, CPRI:N*10/25Gb/s	초기 5G:10/25Gb/s 확장 사업: N*25/50Gb/s	초기 5G:10/25Gb/s 확장 사업: N*25/50/100Gb/s	초기 5G: 25/50/100Gb/s 확장 사업: N*100/400Gb/s
회선 인터페이스 속도	10/25/100Gb/s 회색 조명 또는 N*25/50Gb/s WDM 컬러 조명	25/50/100Gb/s 회색 조명 또는 N*25/50Gb/s WDM 컬러 조명	100/200Gb/s 회색 빛 또는 N*100Gb/s WDM 컬러 빛	200/400Gb/s 회색 조명 또는 N*100/200/400Gb/s WDM 컬러 조명

5G 프런트 홀 애플리케이션 시나리오에서 광 모듈에 대한 일반적인 요구 사항은 다음과 같습니다.

(1) 산업 온도 범위 내 및 높은 신뢰성 요구 사항 충족: AAU 전체 실외 응용 환경을 고려할 때 프런트홀 광 모듈은 -40°C~+85°C의 산업 온도 범위 내에 있어야 하며 방진 요구 사항을 충족해야 합니다.
(2) 저렴한 비용: 5G 광 모듈에 대한 총 수요는 4G를 초과할 것으로 예상되며, 특히 프런트 홀 광 모듈에 대한 수요는 수천만 개 정도일 수 있습니다. 저비용은 광학 모듈에 대한 업계의 주요 요구 사항 중 하나입니다.

표 4 5G 프런트홀 광모듈 현황

율	폼 팩터	전송 거리	작동 파장	변조 형식	광칩
25Gb / s (eCPRI/CPRI)	SFP28	70 - 100m	850nm	NRZ	VCSEL+핀
	SFP28	300m	1310nm	NRZ	FP/DFB+핀
	SFP28	10km	1310nm	NRZ	DFB+핀
	SFP28 비디	10km/15km/20km	1270 / 1330nm	NRZ/PAM4	DFB+PIN(또는 APD)
	SFP28	10km	CWDM	NRZ	비냉각 DFB+PIN
	SFP28	15km	LWDM	NRZ	냉각 DFB+PIN
	SFP28	10km	MWDM	NRZ	냉각 DFB+PIN
	SFP28	10km	DWDM	NRZ	냉각 EML+APD
	SFP28 조정 가능	10km / 15km	DWDM	NRZ	냉각 EML+APD

5G 매체 및 백홀은 수도권의 액세스 레이어, 어그리게이션 레이어 및 코어 레이어를 포괄합니다. 요구되는 광모듈 기술은 기존 전송망 및 데이터센터에서 사용하는 기술과 크게 다르지 않다. 액세스 레이어는 주로 25Gb/s, 50Gb/s, 100Gb/s 및 기타 회색광 또는 유색광 모듈을 사용하며, 컨버전스 레이어 이상은 주로 사용합니다. 100Gb / s, 200Gb/s, 400Gb/s 및 기타 DWDM 컬러 조명 모듈.

데이터 센터의 광 모듈 적용

데이터 센터는 여러 컴퓨터실로 구성된 거대한 데이터 센터 그룹입니다. 인터넷 서비스의 정상적인 이용을 위해서는 데이터센터 운영의 조정이 필요합니다. 데이터 센터 간의 많은 양의 정보가 동시에 수렴되어 데이터 센터 상호 연결 네트워크에 대한 수요가 발생하고 광섬유 통신은 네트워크 상호 연결을 실현하는 데 필요한 솔루션입니다. 기존의 통신 액세스 네트워크 전송 장비와 달리 데이터 센터 상호 연결은 더 크고 집중적인 정보 전송을 달성해야 하며, 이를 위해서는 스위칭 장비가 더 빠른 속도, 더 낮은 전력 소비 및 더 소형화된 성능을 갖추어야 합니다. 광섬유 송수신기는 이러한 성능 구현 여부를 결정하는 핵심 요소입니다.

데이터 센터에서 광 모듈의 연결 유형은 데이터 센터 내부 정보 전송, 데이터 센터 간 상호 연결 및 데이터 센터에서 사용자로의 정보 전송의 세 가지 유형으로 나눌 수 있습니다. 현재 데이터 센터의 내부 통신은 데이터 센터 통신의 대부분을 차지합니다. 데이터 센터 건설의 큰 발전은 고속 광 모듈의 개발을 촉진했으며 고속 광 모듈의 응용 전망은 점점 더 좋아지고 있습니다.

그림 6 데이터 센터 내부 다이어그램

광 모듈 산업 체인

광 모듈 산업 체인은 업스트림 광전자 칩 공급업체, 미드스트림 광 모듈 공급업체, 다운스트림 통신, 네트워크 장비 공급업체, 인터넷 서비스 제공업체 및 인터넷 제조업체로 구성됩니다.

그림 7 광 모듈 산업 체인

업스트림 광전자 칩의 많은 공급업체가 있지만 고급 광학 칩과 전기 칩은 높은 기술 장벽과 높은 R&D 비용을 가지고 있습니다. 광 모듈 산업은 상대적으로 기술 장벽이 낮은 패키징 링크에 속하는 산업 체인의 중간에 위치합니다. 상대적으로 교섭력이 약하고 업계 내 경쟁이 치열해 체인의 상하의 압박을 받고 있다. 수년간의 개발 끝에 중국 기업은 인건비, 시장 규모, 장비 제조업체 및 운영업체의 지원 등의 장점으로 인해 전 세계 광 모듈 시장의 절반을 점유했습니다.

광섬유 트랜시버의 개발 동향

고속은 광 모듈의 불가피한 추세입니다. 광 모듈이 400G, 800G 및 심지어 1.6T와 같은 고속으로 진화함에 따라 시장은 저전력 소비, 소형화 및 저비용에 대한 요구가 점점 더 높아지고 있습니다. 전통적인 광학 모듈 기술에는 기술적인 병목 현상이 있을 것입니다. 고집적 및 저전력 소모로 인해 실리콘 포토닉스 통합 기술은 이러한 병목 현상을 극복하고 기술 혁신을 가져올 것입니다. 현재 국내외에서 점점 더 많은 제조업체가 실리콘 포토닉스 통합 모듈의 연구 개발에 투자하고 있습니다. 실리콘 포토닉스 통합 기술을 사용하는 일부 고속 광 모듈은 대량 생산되어 데이터 센터에서 사용되었습니다.