광 트랜시버의 내부 구성 요소 및 구조

광 모듈은 네트워크 장치를 연결하고, 네트워크 장치 간에 데이터를 송수신하는 데 사용되는 장치이며, 광 신호와 전기 신호를 변환하는 데 사용할 수 있습니다. 광 모듈은 광통신 시스템에서 매우 중요한 구성 요소입니다. 이 글에서는 광 모듈의 내부 구성 요소와 구조를 소개합니다. 

광 모듈의 내부 구성 요소를 이해하면 광 모듈의 작동 원리에 대해 더 깊이 알 수 있습니다. 또한 많은 글이 광 모듈의 패키지 유형에 관한 것임을 알 수 있는데, 이 글에서는 광 모듈 내부 구성 요소 소개의 공백을 채울 것입니다.

광 모듈의 주요 내부 구성 요소

광 모듈은 세 가지 주요 구성 요소, 즉 외부의 보이는 하우징, 광전자 부품, PCBA로 구성됩니다. 광 트랜시버의 금속 하우징 내부에서는 일반적으로 내부 구성 요소가 하위 어셈블리와 함께 연결됩니다.

광전자 장치

광전자 장치는 일반적으로 전자기 복사를 감지하고 방출하는 데 사용되는 광 모듈의 구성 요소를 의미합니다. 광전자 장치는 일반적으로 전자기 스펙트럼의 가시광선 및 근적외선(NIR) 영역에 위치합니다.

광전자 장치는 물질의 광전 효과를 사용하여 방사선을 감지하고 방출하며, 이는 빛-물질 상호작용이라고도 합니다. 이 현상에 대한 이론적 근거는 빛이 연속파가 아니라 양자화되어 광자로 구성되어 있다는 아인슈타인의 제안입니다.

광전자 장치는 광 모듈에서 가장 중요한 부분입니다. 광 모듈은 다양한 애플리케이션을 위해 설계되며 서로 다른 기능을 가지고 있습니다. 일반 트랜시버에서 완전히 다른 기능을 구현할 수 있는 광전자 장치에는 두 가지 유형이 있습니다: TOSA와 ROSA. 광 송신 부분은 TOSA라고 하며, 광 수신 부분은 ROSA라고 합니다. 이 둘을 결합한 것을 BOSA라고 합니다.

그림 1: 광 모듈 구조

TOSA란 무엇인가요?

광 모듈의 TOSA는 광 송신기에서 전기 신호를 광 신호로 변환하는 역할을 합니다. Transmit Optical Sub-Assembly (TOSA) 구성 요소는 일반적으로 광 아이솔레이터, 모니터링 포토다이오드, LD 드라이버 회로, 서미스터, 열전 냉각기, 자동 온도 제어 회로(ATC), 자동 전력 제어 회로(APT)로 구성됩니다. 이 중 가장 중요한 것은 Laser Diode입니다.

광원(반도체 발광 다이오드 또는 레이저 다이오드)이 핵심이며, LD 칩, 모니터링 포토다이오드 및 기타 구성 요소가 소형 구조(TO 동축 패키지 또는 버터플라이 패키지)로 패키징된 다음 TOSA를 구성합니다. 가장 일반적인 광원은 LD 레이저 다이오드입니다. LD와 LED를 비교하면, LD는 전력 소비가 낮고 출력 및 결합 효율이 더 높으며, LED는 저비용과 긴 수명이라는 장점이 있어 저속 및 단거리 전송에만 사용됩니다.

그림 2: TOSA 구조

일반적인 레이저 다이오드 유형

Fabry-Perot (FP)

해당 광섬유는 단일/다중 모드로, 높은 출력, 낮은 대역 선폭(스펙트럼 폭)을 가지며 장거리 광원으로 사용할 수 있습니다. FP는 일반 다이오드와 비교해 공진 공동 구조입니다. 전기를 공급하여 공동 내부의 전자가 에너지 준위 전이로 인해 전자를 방출하게 하며, 공동의 단면은 두 개의 종단 미러로 사용될 수 있어 광자가 공동 내에 수렴하게 합니다. 에너지가 일정 수준까지 축적되면 방출되므로 임계 전류가 필요합니다.

분산 피드백-DFB

DFB laser는 구조와 광전 응답 특성 면에서 FB laser와 유사하며, 통신 전송은 임계 전류 이상이어야 하고 대부분의 파장 대역은 약 1550nm입니다. FP와의 차이점은 DFB가 공통 공진기 외부를 따라 격자층을 추가하여 laser 빛이 공진기 내에서 단일 파장 광원만 존재하도록 한다는 점이며, 이를 Single Longitudinal Mode라고 합니다. 이 특징을 기반으로, 특별히 요구되는 빛을 생성하는 것이 더 쉽고 비용이 더 많이 듭니다. The 40GBASE-LR4 광 모듈은 최대 10km까지 도달할 수 있는 DFB 송신기를 채택합니다.

ROSA란 무엇인가요?

앞서 언급했듯이 ROSA는 광 수신기 어셈블리이며, ROSA에는 포토다이오드(PD), 광 인터페이스, 금속(또는 플라스틱) 하우징, 전기 인터페이스가 포함됩니다. 고속 광 모듈에서는 PIN 또는 ADP 다이오드와 TIA가 밀봉된 금속 하우징에 조립되도록 설계되며, 이들이 광 수신기 어셈블리를 구성합니다. PD는 광 신호를 전기 신호로 변환하고, 이후 트랜스임피던스 증폭기(TIA)에 의해 전압 신호로 변환됩니다. 수신기 어셈블리 ROSA의 가장 중요한 장치는 광검출기이며, 광검출기는 광전 효과를 통해 빛 신호를 전기 신호로 변환할 수 있습니다. 

일반적인 광검출기에는 PIN 포토다이오드와 애벌랜치 포토다이오드(APD)가 포함됩니다. APD 광검출기는 높은 감도가 특징이며, 애벌랜치 증배 효과를 사용하여 광전류를 증폭하고 최대 두 배까지 증가시킬 수 있으므로 APD 수신기는 더 민감하며 PIN 다이오드의 감도를 6~10dB 향상시킬 수 있습니다.

그림 3: ROSA 구조

일반적인 포토다이오드 유형

PIN-TIA

PIN은 PN 접합 사이에 진성 반도체를 추가한 것입니다. PIN-TIA가 작동할 때 암전류가 신호 잡음을 유발하며, 이 신호 잡음은 PIN의 작동에 영향을 미칩니다. 온도가 상승하면 광전 검출 성능이 낮아져 감도 저하가 발생합니다.

APD-TIA

APD 애벌랜치 다이오드 내부의 전자 애벌랜치는 전송된 약한 광전류를 증폭하며, 이는 곱셈 효과라고도 합니다. 전기적 증폭 전에 감도가 높기 때문에 APD 애벌랜치 포토다이오드의 암전류는 매우 작아 전송 중 발생하는 노이즈는 무시할 수 있습니다.

PIN 및 APD 포토다이오드는 모두 TOSA에서 수신한 빛을 전기 신호로 변환하며, 이들 간의 차이점은 PIN 다이오드가 더 저렴하고 일반적으로 다른 전자 장치와 동일한 전압에서 작동한다는 것입니다. 주어진 광 출력에서 APD보다 훨씬 적은 전자를 생성하므로, APD가 포함된 수신기는 더 민감하며 APD가 포함된 광 모듈의 전송 거리는 더 깁니다. 예를 들어, 100GBASE-ER4 광 모듈은 APD 수신기를 채택하여 최대 40km의 최대 전송 거리에 도달할 수 있습니다.

BOSA란 무엇인가요?

양방향 광학 서브어셈블리 트랜시버가 충분히 작게 제작되면, 결합 공정 중 TOSA와 ROSA를 하나의 트랜시버에 통합할 수 있습니다. BOSA 어셈블리는 TOSA와 ROSA(LD 및 PD-TIA), WDM 필터(0도 및 45도), 아이솔레이터, 어댑터 및 피그테일로 구성됩니다. BOSA는 양방향 기술을 사용하여 BiDi 광 모듈이 하나의 광섬유에서 두 파장을 지원할 수 있도록 합니다.

PCBA란 무엇인가

PCBA라는 용어는 Printed Circuit Board Assembly를 의미합니다. PCB assembly 또는 printed circuit assembly라고도 합니다. PCB assembly 모드는 일반적으로 surface mount technology (SMT)와 dual in-line package (DIP)로 구분됩니다. 일반적으로 PCB 베어 보드의 전체 공정은 SMT 상부 레이어 섹션을 거친 다음 DIP 삽입 공정을 거칩니다. PCBAs는 printed circuit board에 납땜된 능동 및 수동 전자 부품이 있기 때문에 트랜시버에 사용할 수 있습니다. PCBAs의 주요 기능은 전자 장치의 높은 품질을 보장하는 방법으로 집적 회로 및 기타 전자 부품을 고정하는 것입니다.

세 가지 주요 구성 요소를 통해 PCBA가 완전한 구성품임을 알 수 있습니다. 베어 보드는 PCB(Printed Circuit Board)라고 하며, PCB와 PCBA의 차이는 전자는 전자 부품을 위한 전기적 연결 캐리어로서의 인쇄 회로 기판일 뿐인 반면, PCBA는 PCB 외에도 함께 조립되어 PCBA를 이루는 일부 다른 부품을 포함한다는 점입니다.

결론

이 문서에서는 TOSA, ROSA, PCBA 등을 포함한 광 모듈의 다양한 내부 구성 요소를 자세히 설명합니다. TOSA는 광 모듈의 광 송신기에서 전기 신호를 광 신호로 변환하고, ROSA는 광 모듈의 수신기에서 광 신호를 전기 신호로 변환합니다. 광 모듈에 대해 더 알고 싶으시면 다음으로 문의하십시오. QSFPTEK [email protected]을 통해, QSFPTEK의 기술 지원 팀은 전문적인 광 트랜시버 모듈 관련 지식과 정보를 제공해 드릴 수 있습니다.