광모듈 소개

광통신의 급속한 발전과 함께 우리의 일과 생활의 많은 장면이 이제 "빛의 전진과 구리의 후퇴"를 실현했습니다. 즉, 동축케이블, 네트워크 케이블로 대표되는 금속미디어통신은 점차 광섬유미디어로 대체되고 있다.
광 모듈은 광섬유 통신 시스템의 핵심 구성 요소 중 하나입니다.

광모듈의 구성구조

광모듈, 영문명은 Optical Module 입니다. 광학이란 "시력, 시력, 광학"을 의미합니다.

정확하게 말하면 광 모듈은 광 수신 모듈, 광 전송 모듈, 광 트랜시버 통합 모듈 및 광 전달 모듈 등을 포함한 다양한 모듈 범주의 일반적인 용어입니다.

광학 모듈: 송신기,수화기,트랜시버,트랜스폼더

오늘날 우리가 일반적으로 광 모듈이라고 부르는 것은 일반적으로 통합 광 트랜시버 모듈을 나타냅니다(아래에서도 동일하게 적용됨).

광 모듈은 OSI 모델의 가장 낮은 계층인 물리 계층에서 작동합니다. 그 기능은 매우 간단합니다. 즉, 광전 변환을 달성하는 것입니다. 광신호를 전기신호로, 전기신호를 광신호로 변환합니다.

간단해 보이지만 구현 과정의 기술적 내용은 낮지 않습니다.

광 모듈은 일반적으로 광 전송 장치(TOSA, 레이저 포함), 광 수신 장치(ROSA, 광검출기 포함), 기능 회로 및 광(전기) 인터페이스로 구성됩니다.

송신단에서는 드라이버 칩이 원래의 전기 신호를 처리한 후 반도체 레이저(LD)나 발광 다이오드(LED)를 구동하여 변조된 광신호를 방출합니다.

수신단에서는 광신호가 들어온 후 광검출 다이오드에 의해 전기신호로 변환되고, 전기신호는 프리앰프를 거쳐 출력된다.

광모듈 포장

초보자에게 광학 모듈에 대해 가장 실망스러운 점은 매우 복잡한 패키지 이름과 눈부신 매개 변수입니다.

포장은 단순히 스타일 표준으로 이해될 수 있습니다. 광모듈을 구별하는 가장 중요한 방법입니다.

광모듈 패키징 규격이 이렇게 다양한 이유는 주로 광섬유 통신 기술의 발전 속도가 너무 빠르기 때문이다.

광학 모듈의 속도는 계속해서 증가하고 크기는 계속해서 줄어들기 때문에 몇 년마다 새로운 패키징 표준이 출시됩니다. 기존 포장 표준과 새로운 포장 표준을 호환하기 어려운 경우가 많습니다.

또한, 광학 모듈의 적용 시나리오가 다양하며 이는 패키징 표준이 높아지는 이유이기도 합니다. 다양한 전송 거리, 대역폭 요구 사항 및 사용 장소는 다양한 유형의 광섬유 및 광학 모듈에 해당합니다.

패키징 및 분류를 설명하기 전에 광통신의 표준화 기구를 소개하겠습니다. 이러한 패키지는 표준화 조직에 의해 결정되기 때문입니다.

현재 전 세계에는 IEEE(전기전자공학회), ITU-T(국제전기통신연합), MSA(다중 소스 협정), OIF(광 상호 연결) ​​등 광통신을 표준화하는 여러 조직이 있습니다. . 포럼), CCSA(중국통신표준협회) 등

업계에서 가장 많이 사용되는 것은 IEEE와 MSA입니다.

MSA에 대해 잘 모르실 수도 있습니다. 영어 이름은 Multi Source Agreement입니다. 멀티벤더 사양입니다. IEEE와 비교하면 민간적이고 비공식적인 조직 형태로 간주된다. 이는 업계 내 기업의 연합으로 이해될 수 있습니다.

첫째, 우리는 너무 오래되었거나 희귀한 표준을 무시하고 공통 패키지에 중점을 둘 것입니다.

GBIC

GBIC는 Giga Bitrate Interface Converter의 약자입니다.

2000년 이전에는 GBIC가 가장 널리 사용되는 광 모듈 패키지이자 가장 널리 사용되는 기가비트 모듈 형태였습니다.

SFP

GBIC는 상대적으로 크기 때문에 나중에 SFP가 등장하여 GBIC를 대체하기 시작했습니다.

SFP의 전체 이름은 Small Form-factor Pluggable이며, 이는 소형 ​​핫스왑 가능 광 모듈입니다. GBIC 패키지에 비해 크기가 작습니다.

SFP의 용량은 GBIC 모듈에 비해 절반으로 줄어들고, 동일한 패널에 두 배 이상의 포트를 구성할 수 있습니다. 기능적인 측면에서는 둘 사이에 큰 차이가 없으며, 둘 다 핫스왑을 지원합니다. SFP는 최대 4Gbps의 대역폭을 지원합니다.

XFP

XFP는 10-기가비트 소형 폼 팩터 플러그형입니다. 10-기가비트 SFP라는 것을 한눈에 알 수 있습니다.
XFP는 XFI(10Gb 직렬 인터페이스)로 연결된 전속 단일 채널 직렬 모듈을 사용하며 Xenpak 및 그 파생 제품을 대체할 수 있습니다.

SFP+

SFP+는 XFP와 같은 10G 광 모듈입니다.
SFP+의 크기는 SFP와 동일하며 XFP보다 더 작고(약 30% 더 작음) 전력을 덜 소비합니다(일부 신호 제어 기능 감소).

SFP28

25Gbps 속도의 SFP는 주로 당시 40G와 100G 광 모듈이 너무 비싸서 절충안을 마련했습니다.

QSFP/QSFP+/QSFP28/QSFP28-DD

쿼드 소형 폼 팩터 플러그형, 4채널 SFP 인터페이스. XFP의 많은 성숙한 핵심 기술이 이 디자인에 적용되었습니다.
속도에 따라 QSFP는 4×10G QSFP+, 4×25G QSFP28, 8×25G QSFP28-DD 광학 모듈 등으로 나눌 수 있습니다.
QSFP28을 예로 들면 4x25GE 액세스 포트에 적합합니다. QSFP28을 사용하면 40G를 거치지 않고 25G에서 100G로 직접 업그레이드할 수 있어 배선 어려움이 크게 단순화되고 비용이 절감됩니다.

QSFP-DD는 2016년 3월에 설립되었습니다. DD는 "Double Density"를 의미합니다. QSFP의 4개 채널이 한 줄씩 늘어나 8개 채널이 됩니다.
QSFP 솔루션과 호환됩니다. 원래 QSFP28 모듈을 계속 사용할 수 있으며 다른 모듈을 연결하기만 하면 됩니다. QSFP-DD의 전기 골드 핑거 수는 QSFP28의 두 배입니다.

QSFP-DD의 각 채널은 25Gbps NRZ 또는 50Gbps PAM4 신호 형식을 사용합니다. PAM4를 사용하면 최대 400Gbps 속도를 지원할 수 있습니다.
NRZ 및 PAM4 PAM4(4 펄스 진폭 변조)는 "2배" 기술입니다.

광모듈의 경우 속도를 높이려면 채널 수를 늘리거나 단일 채널의 속도를 높여야 합니다.

기존의 디지털 신호는 대부분 NRZ(Non-Return-to-Zero) 신호를 사용하는데, 즉 전송하려는 디지털 논리 신호의 1과 0 정보를 나타내기 위해 신호 레벨의 높고 낮음이 사용되며, 각 신호는 심볼 주기는 1비트의 논리 정보를 전송할 수 있습니다.

PAM 신호는 신호 전송을 위해 4가지 서로 다른 신호 레벨을 사용하며 각 기호 주기는 2비트의 논리 정보(0, 1, 2, 3)를 나타낼 수 있습니다. 동일한 채널 물리적 대역폭에서 PAM4는 NRZ 신호에 해당하는 정보 양의 두 배를 전송하여 속도를 두 배로 늘립니다.

CFP/CFP2/CFP4/CFP8

Centum 기가비트 형태의 플러그형, 고밀도 파장 분할 광통신 모듈입니다. 전송 속도는 100-400Gbps에 도달할 수 있습니다.

CFP는 더 큰 크기를 갖고 100Gbps 데이터 전송을 지원하는 SFP 인터페이스를 기반으로 설계되었습니다. CFP는 단일 100G 신호, ​​하나 이상의 40G 신호를 지원할 수 있습니다.

CFP, CFP2 및 CFP4의 차이점은 볼륨에 있습니다. CFP2의 부피는 CFP의 절반이고 CFP4는 CFP의 1/4입니다.

CFP8은 400G용으로 특별히 제안된 패키징 형태로 크기는 CFP2와 동일하다. 25Gbps 및 50Gbps 채널 속도를 지원하고 16x25G 또는 8x50 전기 인터페이스를 통해 400Gbps 모듈 속도를 달성합니다.

OSFP

OSFP(Octal Small Form Factor Pluggable), "O"는 "octal"을 의미하며 2016년 11월 공식 출시되었습니다.

8개의 전기 채널을 사용하여 400GbE(8*56GbE, 그러나 56GbE 신호는 PAM4 변조 하에서 25G DML 레이저로 형성됨)를 달성하도록 설계되었으며, QSFP-DD보다 약간 더 큰 크기, 더 높은 와트의 광학 엔진 및 트랜시버 방열 성능이 약간 더 좋습니다.

위의 내용은 몇 가지 일반적인 광 모듈 패키징 표준입니다.

400G 광 모듈

이 기사에서는 400Gbps를 지원하는 세 가지 유형의 광 모듈, 즉 QSFP-DD, CFP8 및 OSFP에 대해 설명합니다.
400G는 현재 광통신 산업의 주요 경쟁 방향입니다. 이제 400G도 대규모 상용화 초기 단계에 있다.

우리 모두 알고 있듯이 5G 네트워크 구축의 대규모 출시와 클라우드 컴퓨팅의 급속한 발전 및 대규모 데이터 센터의 일괄 구축으로 인해 ICT 업계의 400G 수요가 점점 더 긴급 해지고 있습니다.
초기 400G 광 모듈은 16-채널 25Gbps NRZ 구현을 사용했으며 CDFP 또는 CFP8로 패키징되었습니다.

이 구현의 장점은 100G 광 모듈에서 성숙한 25G NRZ 기술을 빌릴 수 있다는 것입니다. 그러나 단점은 병렬 전송을 위해 16채널의 신호가 필요하고 전력 소비와 용량이 상대적으로 커서 데이터 센터 애플리케이션에 적합하지 않다는 것입니다.
나중에 PAM4가 NRZ를 대체하는 데 사용되기 시작했습니다.

광 포트 측에서는 53Gbps PAM4 8채널 또는 106Gbps PAM4 4채널을 사용하여 400G 신호 전송을 구현하고, 전기 포트 측에서는 53Gbps PAM4 전기 신호 8채널을 사용하며 패키지 형태의 OSFP 또는 QSFP -DD가 채택되었습니다.

이에 비해 QSFP-DD 패키지 크기는 더 작으며(기존 100G 광 모듈의 QSFP28 패키지와 유사) 데이터 센터 애플리케이션에 더 적합합니다. OSFP 패키지 크기는 더 많은 전력 소비를 제공할 수 있으므로 약간 더 크므로 통신 애플리케이션에 더 적합합니다.

현재 400G 광 트랜시버는 어떤 종류의 패키지에 들어 있든 매우 비싸고 사용자의 기대와는 여전히 큰 격차가 있습니다. 따라서 아직은 포괄적인 대중화를 조속히 추진하는 것은 불가능하다.

또 하나 언급할 만한 것은 실리콘 조명으로 흔히 언급되는 실리콘 기반의 조명이다.

실리콘 포토닉 기술은 400G 시대에 폭넓은 활용 전망과 경쟁력을 가질 것으로 평가돼 현재 많은 기업과 연구기관의 주목을 받고 있다.

광 모듈의 주요 개념

패키지를 기준으로 일부 매개변수와 함께 광학 모듈의 이름이 지정됩니다.
거리와 채널 수 외에도 중심 파장도 있습니다.

빛의 파장은 물리적 특성을 직접적으로 결정합니다. 현재 우리가 광섬유에 사용하는 빛은 중심 파장이 850nm, 1310nm, 1550nm(nm는 나노미터)이다. 그 중 850nm는 멀티모드에 주로 사용되고, 1310nm와 1550nm는 싱글모드에 주로 사용된다.

그건 그렇고, CWDM과 DWDM. WDM은 파장분할다중화(Wavelength Division Multiplexing)를 나타냅니다. 간단히 말하면 서로 다른 파장의 광신호를 동일한 광섬유에 다중화하여 전송하는 것입니다. 파장 분할 다중화 및 주파수 분할 다중화 실제로 파장 분할 다중화는 일종의 주파수 분할 다중화입니다. 파장 × 주파수=빛의 속도(고정값)이므로 파장으로 나누는 것은 실제로는 주파수로 나누는 것입니다. 광통신에서 사람들은 파장에 따라 이름을 지정하는 데 익숙합니다.
DWDM은 Dense WDM, Dense WDM입니다. CWDM은 희소 WDM, 거친 WDM입니다. D-WDM의 파장 간격이 더 작다는 것을 이름에서 알 수 있습니다. WDM의 장점은 용량이 크고 장거리 전송이 가능하다는 점이다.

그런데 비디, 요즘 이런 컨셉도 자주 언급되는데요. BiDi(BiDirectional)는 단일 광섬유 양방향, 단일 광섬유, 양방향 전송 및 수신입니다. 작동 원리는 아래 그림에 나와 있습니다. 실제로 필터가 추가되었습니다. 송신과 수신의 파장이 다르기 때문에 동시 송신과 수신이 가능합니다.

광 모듈의 기본 표시기
광 모듈의 기본 지표는 주로 다음과 같습니다.

출력 광전력

출력 광 파워는 광 모듈의 송신단에서 광원의 출력 광 파워를 나타냅니다. 이는 W, mW 또는 dBm 단위의 빛의 강도로 이해될 수 있습니다. 여기서 W 또는 mW는 선형 단위이고 dBm은 로그 단위입니다. 통신에서는 일반적으로 dBm을 사용하여 광전력을 나타냅니다.

광 출력은 절반으로 감쇠되고 3dB만큼 감소됩니다. 0dBm의 광 출력은 1mW에 해당합니다.

최대 수신 감도

수신 감도는 특정 속도 및 비트 오류율(단위: dBm)에서 광 모듈의 최소 수신 광 전력을 나타냅니다.

일반적으로 속도가 높을수록 수신 감도가 나빠집니다. 즉, 최소 수신 광 전력이 커지고 광 모듈의 수신 최종 장치에 대한 요구 사항이 높아집니다.

멸종 비율

소광비는 광학 모듈의 품질을 측정하는 데 사용되는 중요한 매개변수 중 하나입니다.

이는 전체 변조 조건에서 널 신호의 평균 광전력에 대한 신호의 평균 광전력 비율의 최소값을 말하며, 0와 1개의 신호를 구별할 수 있는 능력을 나타냅니다. 광 모듈의 소광비에 영향을 미치는 두 가지 요소는 바이어스 전류(bias)와 변조 전류(Mod)입니다. 이를 ER=바이어스/모드로 간주해 보겠습니다.

소광비의 값은 광모듈이 클수록 좋다는 것이 아니라, 소광비가 802.3 규격을 만족하는 광모듈이 좋다는 것입니다.

L채도

포화 광파워라고도 하며, 특정 전송 속도에서 특정 비트 오류율(10-10 ~ 10-12)을 유지할 때 최대 입력 광파워를 말하며 단위는 dBm입니다.

광검출기는 강한 빛에 노출될 때 광전류 포화를 경험한다는 점에 유의해야 합니다. 이러한 현상이 발생하면 감지기가 복구되는 데 일정 시간이 필요합니다. 이때 수신 감도가 감소하여 수신된 신호가 잘못 판단될 수 있습니다. 비트 오류가 발생하고 수신단 감지기가 손상되기 쉽습니다. 작동 중에는 포화된 광 출력을 초과하지 않도록 해야 합니다.