Aoi 트랜시버는 어떻게 작동합니까?

 

 

AOI 트랜시버는 광섬유 케이블을 통한 전송을 위해 전기 신호를 광 펄스로 변환한 다음 들어오는 빛을 다시 전기 신호로 변환합니다. 이러한 양방향 변환은 두 개의 핵심 하위 시스템을 통해 발생합니다. TOSA(송신기 광학 하위 어셈블리)는 레이저 다이오드를 사용하여 변조된 빛을 생성하고, 수신기 광학 하위{2}}어셈블리(ROSA)는 포토다이오드를 사용하여 해당 빛을 감지하고 다시 전류로 변환합니다.

 

 

이중 변환 프로세스

 

AOI 트랜시버는 동시에 반대되는 두 가지 기능을 수행하므로 단순히 송신기나 수신기가 아닌 트랜시버라고 부릅니다.

전기-에서-광학으로의 변환(전송)

네트워크 스위치는 데이터를 전송해야 할 때 이진 데이터를 나타내는 디지털 펄스 형태로 전기 신호를 생성합니다. AOI 트랜시버의 TOSA는 이러한 전기 신호를 수신하여 레이저 드라이버 회로에 공급합니다. 이 회로는 두 가지 작업을 수행합니다. 즉, 레이저를 최적의 작동 지점으로 유지하기 위해 안정적인 바이어스 전류를 유지하고, 데이터 신호에 해당하는 추가 전류를 변조합니다.

레이저 다이오드 자체는 실제 변환이 일어나는 곳입니다. 대부분의 최신 트랜시버에서는 용도에 따라 세 가지 레이저 유형 중 하나를 찾을 수 있습니다. VCSEL(수직-공동 표면-방출 레이저)은 850nm에서 작동하며 일반적으로 데이터 센터에서 300미터 미만의 단거리에 사용됩니다. 최대 40km의 중거리에 대해 Fabry-Perot(FP) 레이저는 비용 효율적인 솔루션을 제공합니다-. 1310nm 또는 1550nm에서 작동하는 DFB(분산 피드백) 레이저는 40km를 초과하는 장거리 전송에 필요한 스펙트럼 순도를 제공합니다.{13}}

변조 기술은 속도 및 거리 요구 사항에 따라 다릅니다. 데이터 신호가 레이저의 주입 전류를 직접 변화시키는 직접 변조는 최대 25Gbps의 속도와 10km 미만의 거리에서 잘 작동합니다. 레이저의 광 출력 강도는 이러한 전류 변화에 따라 변화하여 데이터를 인코딩하는 광학 펄스를 생성합니다. 더 빠른 속도나 더 먼 거리를 위해서는 외부 변조가 필요합니다. - 레이저는 연속적으로 작동하는 반면 별도의 전자-흡수 변조기(EAM) 또는 Mach-Zehnder 변조기는 방출 후 빛을 조작하여 장거리 신호를 저하시키는 주파수 처프를 방지합니다-.

광-에서-전기로의 변환(수신)

수신 측에서는 광섬유 케이블에서 들어오는 광 펄스가 트랜시버의 ROSA로 들어가 광검출기에 도달합니다. 이는 일반적으로 표준 애플리케이션을 위한 PIN 포토다이오드이거나 광 신호가 약해지는 장거리 링크와 같이 더 높은 감도가 필요한 상황을 위한 APD(애벌런치 포토다이오드)입니다.

광검출기는 광전 효과를 활용합니다. 광자가 반도체 접합에 부딪히면 전자가 방출되어 광도에 비례하는 전류가 생성됩니다. 여기에 많은 사람들이 놀라는 점이 있습니다. - 포토다이오드는 빛 자체의 주파수(1550nm 파장의 경우 약 193THz)를 감지하지 못합니다. 대신 변조로 인한 빛 강도의 변화에 ​​반응합니다. 1550nm의 꾸준한 광선을 비추면 꾸준한 DC 전류를 얻습니다. 데이터를 인코딩하기 위해 해당 표시등이 10GHz에서 깜박였다가 꺼지면 10GHz 전기 신호를 받게 됩니다.

포토다이오드에 의해 생성된 전류는 매우 약하며 종종 마이크로암페어 단위로 측정됩니다. TIA(트랜스임피던스 증폭기)는 이 전류를 즉시 전압 신호로 변환하고 증폭시킵니다. TIA 다음에는 추가 회로가 클럭 복구를 수행하여 타이밍 정보를 추출하고 결정 회로를 통해 각 비트가 1인지 0인지 결정하여 호스트 장비에 대한 깨끗한 디지털 신호를 재생성합니다.

 

내부 아키텍처 및 구성 요소

 

AOI 트랜시버 모듈을 열면 광학 및 전자 부품이 놀랍도록 조밀하게 배열되어 있으며 모두 엄격한 허용 오차 내에서 작동합니다.

TOSA 세부 구조

송신기 광 서브{0}}어셈블리에는 단순한 레이저 이상의 기능이 포함되어 있습니다. 온도는 레이저 성능에 큰 영향을 미칩니다. - 출력 전력은 70도 작동 범위에서 50% 이상 달라질 수 있습니다. 이를 해결하기 위해 TOSA에는 온도를 모니터링하는 서미스터와 고성능 모듈에 열전 냉각기(TEC)가 포함되어 있는 경우가 많습니다.- 이는 일관된 광 출력을 유지하기 위해 구동 전류를 조정하는 자동 전원 제어(APC) 회로와 함께 작동합니다.

모니터 포토다이오드는 레이저 뒤에 위치하여 후면을 통해 방출된 빛의 작은 부분을 포착합니다. 이 피드백을 통해 APC 회로는 실시간으로 레이저 노화 및 온도 드리프트를 보상할 수 있습니다.- 이러한 모니터링이 없으면 모듈 수명 동안 출력 전력이 크게 저하될 수 있습니다.

광 아이솔레이터는 역반사가 레이저 캐비티에 다시 {{0}들어가는 것을 방지하기 위해 다양한 설계에 사용되며, 이로 인해 불안정성과 소음이 발생합니다. 레이저의 빛은 설계에 따라 정밀하게 정렬된 렌즈나 직접 맞대기-커플링을 통해 섬유에 결합됩니다. 신호를 80km 이상 전송하려고 할 때 커플링 손실의 모든 부분이 중요합니다.

ROSA 구성 요소 분석

수신측에서는 다양한 문제에 직면해 있습니다. 포토다이오드는 낮은 잡음을 유지하면서 매우 약한 광 신호(- 때로는 몇 마이크로와트-)를 사용 가능한 전기 신호로 변환해야 합니다. 광 인터페이스는 LC 커넥터(가장 일반적) 또는 기타 표준 커넥터 유형을 사용하여 광섬유를 수신합니다.

하우징은 열 관리 기능을 제공하는 동시에 전자기 간섭으로부터 민감한 전자 장치를 보호합니다. TOSA와 달리 ROSA는 일반적으로 능동 냉각이 필요하지 않지만 포토다이오드 암전류(빛이 없을 때 원하지 않는 전류)가 온도에 따라 증가하여 노이즈 플로어가 높아지고 감도가 떨어지기 때문에 열 설계는 여전히 중요합니다.

일부 트랜시버 설계, 특히 양방향(BiDi) 모듈에서는 WDM(파장 분할 다중화) 필터가 광학 경로를 분할합니다. 이를 통해 동일한 광섬유 가닥이 서로 다른 파장(-)에서 일반적으로 한 방향으로 1310nm, 다른 방향으로 1490nm 또는 1550nm의 전송 및 수신 신호를 모두 전달할 수 있습니다.

전자 제어 계층

광학 부품 외에도 모든 AOI 트랜시버에는 전기 인터페이스 칩, 전압 조정기 및 디지털 진단 기능을 호스팅하는 PCBA(인쇄 회로 기판 어셈블리)가 포함되어 있습니다. 최신 송수신기는 SFF-8472 표준에 지정된 대로 디지털 진단 모니터링(DDM)을 구현하여 2선 I2C 인터페이스를 통해 실시간 원격 측정을 제공합니다.

네트워크 관리자는 특별한 테스트 장비 없이 온도, 공급 전압, 레이저 바이어스 전류, 전송된 광 전력 및 수신된 광 전력을 쿼리할 수 있습니다. 이 기능은 네트워크 문제 해결을 변화시켰습니다. - 중단이 발생하기 전에 고장난 레이저나 더러운 커넥터를 식별할 수 있습니다.

 

 

신호 변조 및 인코딩

 

데이터가 광 펄스로 인코딩되는 방식은 속도 요구 사항이 증가함에 따라 상당히 발전했습니다.

비-제로-로-복귀(NRZ) 변조

최대 100Gbps의 기존 트랜시버는 주로 NRZ-OOK(On-Off Keying)을 사용합니다. 레이저는 켜져 있거나(이진수 1을 나타냄) 꺼져 있으며(0을 나타냄) 비트 사이의 중립 레벨로 돌아가지 않습니다. 간단하고 효과적이지만 속도가 단일 파장에서 100Gbps를 향해 나아가면서 전기 및 광학 대역폭 요구 사항이 까다로워집니다.

소광비는 켜진 상태의 전력과 비교하여 0비트 동안 레이저가 얼마나 완전히 꺼지는지를 측정합니다. 100:1 소광비(20dB)는 레이저가 "꺼진" 상태에서 피크 전력의 1%를 출력한다는 의미입니다. 더 나은 소광비는 신호 품질을 향상시키지만 더 정교한 레이저 드라이버 설계가 필요합니다.

PAM4 및 고급 변조

200Gbps 이상에서는 업계에서 PAM4(4-레벨 펄스 진폭 변조)를 채택했습니다. 1비트를 나타내는 2개의 강도 레벨 대신 PAM4는 기호당 2비트를 나타내는 4개의 레벨을 사용합니다. 이는 대역폭 요구 사항을 두 배로 늘리지 않고 데이터 속도를 두 배로 늘리지만 신호-대-잡음 비율을 절충합니다. 즉, 각 레벨이 서로 더 가까워져 감지가 더 어려워집니다.

장거리-네트워크에 사용되는 코히어런트 광 트랜시버는 훨씬 더 정교한 방식을 사용합니다. QPSK(Quadrature Phase Shift Keying) 또는 더 높은-차 QAM(Quadrature Amplitude Modulation)을 사용하여 빛의 진폭과 위상을 모두 변조합니다. 이러한 시스템에는 국부 발진기 레이저와 복잡한 디지털 신호 처리 기능을 갖춘 특수한 간섭성 수신기가 필요하지만 단일 파장에서 400Gbps 이상을 달성할 수 있습니다.

 

파장 선택 및 섬유 호환성

 

서로 다른 파장은 광통신에서 서로 다른 목적으로 사용되며 그에 따라 트랜시버 설계도 달라집니다.

다중 모드 광섬유 시스템(850nm)

단일 건물이나 데이터 센터 캠퍼스 내의 단거리- 도달 범위 애플리케이션은 일반적으로 850nm VCSEL 송신기가 있는 다중 모드 광섬유를 사용합니다. 다중 모드 광섬유에는 다중 광선 경로 또는 "모드"가 동시에 전파될 수 있는 더 큰 코어(50 또는 62.5 마이크론)가 있습니다. 이렇게 하면 결합이 더 쉬워지고 비용이 절감되지만 모달 분산은 거리를 제한합니다. - 다양한 모드는 약간 다른 속도로 이동하여 펄스 확산을 유발합니다. OM3 파이버는 10Gbps에서 300미터까지 지원하고, OM4는 이를 400미터로 확장하며, OM5는 병렬 전송을 위해 더욱 최적화됩니다.

단일{0}}모드 광섬유 시스템(1310nm 및 1550nm)

장거리-전송에는 빛을 단일 전파 모드로 제한하는 훨씬 작은 코어(9미크론)가 있는 단일{1}}모드 광섬유가 필요합니다. 이는 모달 분산을 제거하여 훨씬 더 먼 거리를 허용합니다. 1310nm 파장은 표준 단일 모드-모드 광섬유의 낮은-분산 창에 있는 반면, 1550nm는 가장 낮은 감쇠 창(약 0.2dB/km, 1310nm의 0.35dB/km)을 차지합니다.

80km를 초과하는 범위의 경우 1550nm에서도 분산 보상이 필요합니다. 고급 트랜시버 설계는 외부 변조와 때로는 조정 가능한 레이저를 사용하여 광 스펙트럼을 정밀하게 제어합니다.

DWDM 파장 정밀도

DWDM(고밀도 파장 분할 다중화) 송수신기는 ITU{0}}T 그리드에 의해 정의된 매우 특정한 파장에서 빛을 생성하며, 일반적으로 50GHz 또는 100GHz 간격으로 떨어져 있습니다(1550nm 근처의 약 0.4nm 또는 0.8nm 간격에 해당). DFB 레이저만으로는 DWDM에 충분히 안정적이지 않습니다. - 이 트랜시버는 ±0.1도 이상의 온도 제어 기능을 통합하여 작동 온도 범위에서 ±0.02nm 이내의 파장 정확도를 유지합니다.

 

폼 팩터와 진화

 

트랜시버의 물리적 패키징은 크기를 유지하거나 줄이면서 더 빠른 속도를 수용하도록 발전했습니다.

SFP 및 SFP+(최대 16Gbps)

SFP(Small Form{0}}Pluggable) 표준은 2000년대 초반에 등장하여 이전 GBIC 모듈 크기의 약 절반에 해당하는 컴팩트한 핫스왑 가능 설계를 제공합니다. SFP는 1Gbps를 처리하는 반면 SFP+는 전기 인터페이스를 확장하여 10Gbps를 지원합니다. 이 모듈의 크기는 13.4mm × 8.5mm × 56mm로 스위치가 단일 랙 장치에 48개의 포트를 담을 수 있을 만큼 작습니다.

QSFP28 및 QSFP-DD(100-400Gbps)

QSFP(Quad SFP) 형식은 4개의 채널을 하나의 모듈로 통합합니다. QSFP28은 4개의 25Gbps 레인(주로 NRZ 포함)을 사용하여 총 100Gbps를 달성합니다. QSFP-DD(Double Density)는 8개 레인으로 이를 두 배로 늘려 레인당 50Gbps의 PAM4 신호 처리를 사용하여 400Gbps에 도달합니다. DD 설계는 QSFP28과 동일한 폭을 유지하지만 추가 전기 접점이 있는 더 큰 커넥터를 사용합니다.

OSFP 및 향후 형식

업계가 800Gbps 및 1.6Tbps를 향해 나아가면서 OSFP(8진 SFP) 형식은 모듈이 12~15와트를 소비할 때 중요한 QSFP-DD보다 더 나은 열 설계를 갖춘 8개 레인을 제공합니다. 일부 공급업체에서는 4개의 100Gbps 레인을 통해 400Gbps용 QSFP112를 개발했지만 이러한 속도에서는 형식 표준화에 대한 논쟁이 여전히 남아 있습니다.

각 폼 팩터는 물리적 크기뿐만 아니라 전기 사양, 열 제한 및 관리 인터페이스 프로토콜을 정의하여 공급업체 간 상호 운용성을 보장합니다.

 

전력 예산 및 링크 설계

 

AOI 트랜시버를 성공적으로 배포하려면 전력 예산 - 링크 전체의 신호 이득 및 손실 산술을 이해해야 합니다.

트랜시버의 출력 전력 범위는 일반적으로 단거리 모듈의 경우 -2dBm(0.63mW)-이고 확장된 도달 범위 설계의 경우 +4dBm(2.5mW)입니다.- 수신기의 감도는 10Gbps ER 애플리케이션의 경우 -14dBm, 매우 민감한 장거리 수신기의 경우 -25dBm일 수 있습니다. 이 값의 차이가 전력 예산입니다.

광섬유 감쇠는 표준 단일{4}}모드 광섬유의 경우 1310nm에서 이 예산 - 0.3dB/km 또는 1550nm에서 0.2dB/km를 소비합니다. 커넥터 손실은 각각 0.3~0.5dB 추가되고, 접속 손실은 0.05~0.1dB에 기여하며, 노후화, 접속 수리 및 예상치 못한 손실에 대해 3~6dB의 시스템 마진을 포함해야 합니다.

1310nm에서 40km 링크의 경우: 0.3dB/km × 40km=12dB 광섬유 손실, 커넥터 4개(2dB), 중간-스플라이스 1개(0.1dB) 및 3dB 마진=17.1dB 총 경로 손실. 송신기 출력이 0dBm이고 수신기에 -18dBm이 필요한 경우 사용 가능한 예산은 18dB로 거의 충분하지 않습니다.

이 산술은 장거리-시스템이 1550nm(낮은 감쇠) 및 고전력 송신기를 사용하는 이유를 설명하며,{2}}종종 80km 이상의 거리에 광 증폭기를 사용합니다.

 

신기술과 미래방향

 

AOI 트랜시버 산업은 대규모 데이터 센터 수요와 통신 구축에 힘입어 급속한 발전을 계속하고 있습니다.

실리콘 포토닉스 통합은 반도체 팹 인프라를 활용하여 제조 비용을 절감할 것을 약속합니다. 개별 TOSA 및 ROSA 어셈블리 대신 실리콘 포토닉 트랜시버는 레이저 소스, 변조기 및 감지기를 실리콘 칩에 통합합니다. 하지만 III{1}}V 반도체 재료는 여전히 최고의 레이저 성능을 제공하므로 하이브리드 통합 접근 방식이 필요합니다.

공동 패키지 광학(CPO)은 트랜시버를 전면판에서 스위치 실리콘 패키지로 직접 이동하여 전력 소비와 지연 시간을 줄이는 동시에 스위치 포트 밀도를 대폭 높입니다. 초기 CPO 시연에서는 전기적 SerDes 전력 및 거리 제한을 제거하여 스위치 ASIC당 51.2Tbps를 달성했습니다.

선형-드라이브 플러그형 광학 장치(LPO)는 리타이밍 회로를 제거하고 선형 드라이버를 사용하여 호스트와 광학 장치 간에 직접 신호를 전달함으로써 전기 인터페이스를 단순화합니다. 이는 시간이 조정된 모듈에 비해 전력 소비를 40{3}}50% 줄이지만 고품질 PCB 설계가 필요하고 도달 범위 제한이 적용됩니다.

양자점 레이저는 열전 냉각기 없이{0}}온도에 민감하지 않은 작동을 보장하여 모듈 전력과 비용을 절감합니다. 초기 버전은 최소한의 파장 이동으로 -40도에서 +95도까지 안정적인 작동을 보여줍니다.

 

자주 묻는 질문

 

AOI 트랜시버와 다른 브랜드의 차이점은 무엇입니까?

AOI(Applied Optoelectronics Inc.)는 광트랜시버와 부품을 제조하지만 기본 작동 원리는 모든 공급업체에서 동일합니다. 광전 변환의 물리적 메커니즘은 제조업체에 따라 변경되지 않습니다. 브랜드가 차별화되는 부분은 제조 품질, 온도 범위 사양, 전력 효율성 및 신뢰성 등급입니다. 다중-소스 계약(MSA)은 서로 다른 공급업체의 호환 트랜시버가 동일한 장비 슬롯에서 상호 교환적으로 작동하도록 보장합니다.

광섬유 트랜시버에서 나오는 빛이 보이나요?

아니요 - 대부분의 트랜시버는 사람의 눈에 보이지 않는 적외선 파장(850nm, 1310nm 또는 1550nm)에서 작동합니다. 850nm VCSEL 조명조차도 기껏해야 희미한 빨간색으로 나타납니다. 활성 광섬유나 트랜시버 포트를 직접 들여다보지 마십시오. 출력 수준은 낮지만(일반적으로 1~3밀리와트) 빔은 시준성과 초점이 ​​매우 뚜렷하여 영구적인 망막 손상을 일으킬 수 있습니다. 이러한 이유로 클래스 1M 레이저 안전 규정이 존재합니다.

왜 일부 트랜시버에는 두 개의 파이버가 있고 다른 트랜시버에는 하나의 파이버가 사용됩니까?

기존 트랜시버는 동일한 파장에서 반대 방향으로 작동하는 두 개의 광섬유({0}} 하나는 전송용, 다른 하나는 수신용)를 사용합니다. - 양방향(BiDi) 트랜시버는 두 개의 서로 다른 파장(업스트림용 하나, 다운스트림용 하나)을 분리하는 WDM 필터가 있는 단일 광섬유를 사용합니다. BiDi 설계는 광섬유를 절약하지만 WDM 구성 요소로 인해 비용이 약간 더 듭니다. CWDM 및 DWDM 시스템은 외부 멀티플렉서를 사용하여 여러 파장을 하나의 광섬유 쌍으로 다중화합니다.

광트랜시버는 일반적으로 얼마나 오래 지속됩니까?

레이저 성능 저하가 주요 수명 제한 요인입니다. 대부분의 트랜시버는 25도 작동 온도에서 MTBF(평균 고장 간격)를 100,000~200,000시간으로 지정합니다. 실제로 모듈은 고장이 나기 5~10년 전에 실행되는 경우가 많으며 온도가 높아지면 노화가 가속화됩니다. 자동 전력 제어 회로는 구동 전류를 증가시켜 점진적인 레이저 저하를 보상하지만 결국 최대 전류에 도달하고 더 이상 지정된 출력 전력을 유지할 수 없습니다. 적절한 냉각은 트랜시버 수명을 크게 연장합니다.

 

이해해야 할 주요 기술 사양

 

트랜시버를 선택할 때 여러 사양이 성능에 직접적인 영향을 미칩니다.

송신기 사양:출력 전력(dBm), 스펙트럼 폭(nm), 소광비(dB) 및 측면{0}}모드 억제비(DFB 레이저의 경우 dB)는 신호 품질과 도달 범위를 결정합니다. DWDM 애플리케이션에서는 중심 파장 허용 오차가 중요해집니다.

수신기 사양:감도(dBm)는 지정된 비트 오류율(일반적으로 10^-12)에 필요한 최소 광 전력을 정의합니다. 포화 전력은 손상되거나 과도한 왜곡이 발생하기 전의 최대 입력 전력을 나타냅니다. 광학 반사 손실 사양은 레이저를 불안정하게 만드는 반사를 방지하는 데 중요합니다.

전기 인터페이스:차동 임피던스(일반적으로 100Ω), 출력 전압 스윙 및 지터 사양은 호스트 장비 요구 사항과 일치해야 합니다. SFP는 LVPECL 신호를 사용하고, QSFP28은 25.78Gbps에서 NRZ를 사용하며, QSFP-DD는 일반적으로 53.125Gbaud에서 PAM4를 구현합니다.

환경 등급:상업용 온도(0도 ~ 70도), 확장 온도(-5도 ~ 85도) 및 산업 온도(-40도 ~ 85도) 등급은 모듈에 필요한 열 관리를 나타냅니다. 와트 단위의 전력 손실은 냉각 요구 사항에 영향을 미칩니다. QSFP-DD 모듈은 12W를 초과할 수 있습니다.

디지털 진단:온도, 전압, 바이어스 전류, TX 전력 및 RX 전력에 대한 경보 및 경고 임계값을 통해 사전 모니터링이 가능합니다. 한계 링크 문제를 해결할 때 정확도 사양(일반적으로 광 전력의 경우 ±3dB)이 중요합니다.

이러한 매개변수를 이해하면 링크 성능이 저하되거나 실패할 때 정보를 바탕으로 트랜시버를 선택하고 효과적인 문제 해결이 가능합니다.