모듈 전자 회로: 드라이버, TIA/LA, DSP, 컨트롤러, 전원

두 광 서브어셈블리 뒤에는 나머지 모든 일을 처리하는 작은 회로 기판이 있습니다. 호스트의 전기 비트를 레이저 전류로 바꾸고, 광전류를 다시 깨끗한 데이터로 바꾸며, 온도와 노화에 관계없이 레이저 출력을 일정하게 유지하고, 측정하고 보고하며, 저속 핀의 지시를 따르고, 엄격한 전력 버짓 안에서 동작합니다. 이 페이지는 기판을 블록 단위로 살펴보며 각 블록을 핀, 메모리 바이트, DDM 값 등 외부에서 보이는 것과 연결합니다.

블록도

                    ┌─────────────── module PCB ───────────────┐
host Tx lanes ──►  CDR / DSP ──► laser DRIVER ──► TOSA (laser + MPD)  ──► fibre
                    (retime,       (bias +           │
                     equalise,      modulation)      │ monitor current
                     gearbox)                        ▼
                                              ┌── MCU ───┐  ◄── I²C (SCL/SDA)
                                              │ APC loop │  ◄── TX_DISABLE, RS0/1, LPMode…
                                              │ ADC/DDM  │  ──► TX_FAULT, RX_LOS, IntL
                                              │ memory   │
                                              └──────────┘
host Rx lanes ◄──  CDR / DSP ◄── LA / linear amp ◄── TIA ◄── ROSA (PD)  ◄── fibre
                                                                 │
power 3.3 V ──► inrush limiter ──► LDO / DC-DC (1.8 V, 1.2 V, 0.9 V …) ──► every block

광학 부품: TOSA, ROSA, BOSA; 클록 블록: CDR; DSP 자세히 보기: 변조와 DSP.

레이저 드라이버

기능	방식	관측값
바이어스 전류 — 레이저를 임계값 이상으로 유지	MCU의 APC 루프가 설정하는 제어 가능한 전류원	DDM Tx 바이어스; 온도와 노화에 따라 상승(Tx 바이어스와 노화)
변조 전류 — 1과 0을 만드는 전류	고속 전류 스위치(NRZ) 또는 다중 레벨 드라이버(PAM4); 10G DFB에서 20–80 mA 스윙, VCSEL에서는 수 mA	소광비; DDM에는 나타나지 않음
EML 구동	레이저에 전류를 흘리는 대신 모듈레이터 양단에 1.5–2.5 V 전압 스윙을 인가	EML 모듈: 바이어스 필드는 DFB 구간 값만
프리엠퍼시스/디엠퍼시스, 아이 형태 조정	생산 시 벤더가 프로그래밍	아이 마스크 컴플라이언스
TX_DISABLE	핀(또는 소프트 비트)이 드라이버 출력단을 차단; ~10 µs 이내에 꺼지고 1 ms 이내에 켜짐	Tx 광출력이 바닥까지 떨어짐
TX_FAULT	드라이버가 과전류, 레이저 단선, APC 실패를 감지해 플래그를 세움; 호스트는 TX_DISABLE을 펄스로 넣어 리셋	호스트에 래치된 장애(장애)

수신단 체인: TIA와 LA

블록	역할	주요 파라미터
TIA(트랜스임피던스 증폭기)	포토다이오드 전류(µA)를 전압(mV)으로 변환; 잡음을 낮게 유지하기 위해 보통 ROSA 내부, 포토다이오드에서 몇 밀리미터 떨어진 곳에 장착	트랜스임피던스(kΩ), 입력 잡음(수신 감도를 결정), 대역폭 ≈ 0.7 × 심볼 레이트; PAM4에서는 4개 레벨을 살리기 위해 AGC를 갖춘 선형 TIA 사용
LA(리미팅 증폭기) — NRZ	입력 진폭과 무관하게 TIA 출력을 고정된 디지털 레벨로 정형; 신호 검출 비교기를 포함	LOS 어서트/디어서트 임계값(히스테리시스 ~2 dB) → RX_LOS 핀과 바이트
선형 증폭기 + ADC — PAM4	파형을 충실히 재현해 DSP에 전달	ENOB, 대역폭
Rx 모니터	평균 광전류의 사본을 MCU가 디지털화	DDM Rx 광출력, 가장 신뢰할 수 있는 DDM 값(정확도와 한계)

포토다이오드 자체가 기여하는 부분: 수신기.

리타이밍과 신호 처리

CDR/리타이머 — 클록을 복원하고 한쪽 또는 양쪽에서 데이터를 리타이밍; SFP+(호스트 측), SFP28/QSFP28(양쪽)에 있으며 선택적으로 바이패스 가능(CDR).
DSP — PAM4 모듈에서는 LA/CDR 쌍 대신 ADC → 이퀄라이저 → 판정 → DAC 구조를 사용합니다. 또한 기어박스(호스트 측 50G 레인 8개 ↔ 미디어 측 100G 레인 4개) 기능을 수행하며, 코히어런트 모듈에서는 FEC도 처리합니다. 기판에서 전력을 가장 많이 소모하는 칩입니다(400G 모듈에서 3–6 W)(변조와 DSP).
선형(LPO) 설계는 DSP를 제거하고 호스트 SerDes가 등화를 담당하게 하며, 모듈은 드라이버 + TIA로만 구성됩니다.

마이크로컨트롤러

MCU가 모듈을 운영합니다: ADC를 통해 온도, Vcc, 바이어스, Tx와 Rx 모니터 값을 샘플링하고 공장 교정값으로 변환하며, APC와(있는 경우) TEC 제어 루프를 실행하고, 임계값과 비교해 플래그와 IntL을 세우며, 페이지와 뱅크로 이루어진 메모리 맵을 에뮬레이션하면서 2선 버스에 응답하고, 비밀번호와 쓰기 보호를 적용하며, CMIS 모듈에서는 상태 머신과 CDB를 실행합니다. 자세한 내용과 이것이 프로그래밍에 중요한 이유: 컨트롤러와 펌웨어.

전원 분배

단계	목적	비고
돌입전류 제한기/핫스왑 컨트롤러	삽입 시 전류를 서서히 높여 호스트 레일 전압 강하를 방지	SFF-8431과 QSFP 규격이 돌입전류를 제한; 리미터 고장은 삽입 시 이웃 모듈이 리셋되는 현상으로 나타남
LDO	드라이버, TIA, CDR용 3.3 V → 1.8/1.2/0.9 V 변환	단순하고 잡음이 적음, 효율 ~70–80 %, ~1.5 W까지 적합
스위칭 레귤레이터(벅)	DSP 기반 400G+/코히어런트 모듈용	효율 85–90 %; 12 W 모듈이 15 W짜리 히터가 되지 않는 이유
필터링	3.3 V 입력단의 페라이트 비드와 커패시터	버스 잡음이 호스트로 넘어가지 않도록 규격이 요구
전력 등급 선언	식별 정보 바이트가 호스트에 최악의 경우 소비 전력을 알림	전력과 발열

DDM Vcc는 입력 필터를 거친 뒤 측정되며, 보통 호스트 레일보다 50–150 mV 낮습니다(온도와 전압).

저속 핀과 담당 블록

핀	계열	처리 주체	효과
TX_DISABLE	SFP, XFP	드라이버 인에이블(하드웨어) + MCU(소프트 비트)	레이저 꺼짐
TX_FAULT	SFP, XFP	드라이버 장애 감지 → MCU → 핀	래치된 장애
RX_LOS	SFP, XFP	LA 신호 검출 → 핀과 상태 바이트	수신광 없음
RS0 / RS1	SFP+	MCU를 통한 CDR/LA 대역폭 선택	속도 선택
MOD_ABS / ModPrsL / PRSn	전체	모듈 내부의 접지 스트랩	장착 여부
LPMode / LPWn	QSFP, CMIS	MCU가 고전력 블록(DSP, 레이저)을 꺼진 상태로 유지	저전력 상태
ResetL / RSTn	QSFP, CMIS	MCU 리셋	재초기화
IntL / INT	QSFP, CMIS	MCU 플래그 로직	인터럽트
ModSelL	QSFP, QSFP-DD	MCU의 I²C 주소 디코더	버스 공유

계열별 핀 정의: SFP 하드웨어, QSFP 하드웨어.

열 경로

전자 회로와 광학 부품에서 나온 열은 모듈의 히트싱크 역할을 하는 금속 하우징으로 빠져나가며, 그 뒤는 케이지에 얹힌 라이딩 히트싱크와 섀시 통풍이 맡습니다. 서멀 패드가 DSP와 레이저 드라이버를 하우징에 열적으로 결합합니다. 케이스 정격 70 °C인 모듈에서도 DSP 접합부는 20–30 °C 더 뜨거울 수 있습니다. 모듈 수명을 좌우하는 것은 “방이 시원한가”가 아니라 통풍인 이유가 여기에 있습니다.

기판에서 발생하는 고장

고장	증상	광학 문제와 구분하는 방법
드라이버	Tx 장애, 바이어스는 정상이거나 상한인데 Tx 광출력이 0이거나 절반	바이어스 값 대 Tx 값 비교
TIA / LA	Rx 광출력은 정상인데 데이터 없음; 또는 광이 들어오는데도 LOS	반대편 Tx와 내 Rx 모두 정상인데 링크가 없음
CDR / DSP	한 가지 속도에서만 링크, LOL 플래그, 호스트 측 BER 상승	VDM과 FEC
MCU / 펌웨어	I²C 응답 없음, DDM 값 고정, 상태 머신 멈춤	모듈이 보이지 않거나 값이 전혀 바뀌지 않음
레귤레이터	부하 시 리셋, Vcc 저하, 이웃 모듈에 영향	트래픽 대비 Vcc 추이
돌입전류 제한기	삽입 시 카드 위 다른 모듈이 리셋	핫플러그 시에만 발생

CodingBox에서

전자 회로가 측정하고 제어하는 모든 값이 벤치에 나타납니다: DDM 화면의 DDM 값과 플래그, Tx disable 상태와 rate-select 상태, CMIS 모듈 상태, 그리고 EEPROM editor에서 전력 등급과 CDR 유무를 선언하는 식별 정보까지 확인할 수 있습니다. 바이어스가 드라이버의 상한에 도달했는데 Tx 광출력이 처지는 모듈은 레이저 수명이 다했다는 신호를 기판이 보내는 것입니다.

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