폼 팩터와 전송 속도별 레이저

모듈 안에 어떤 레이저가 들어가는지는 두 가지, 즉 레이저가 변조해야 하는 레인당 속도와 감당해야 하는 전송 거리로 정해지며, 폼 팩터 세대가 바뀔 때마다 두 값 모두 올라갔습니다. 이 페이지는 1G GBIC부터 800G OSFP까지 각 단계에서 쓰인 레이저와 수신기 기술을 정리합니다.

경험 법칙

전송 거리	광섬유	레이저	수신기
≤ 100–500 m	멀티모드	VCSEL 850 nm, 직접 변조	PIN
500 m – 2 km	싱글모드	DFB(DML) 또는 SiPh 1310 nm	PIN
10 km	싱글모드	10–25G까지 DFB(DML); 레인당 50–100G에서는 EML	PIN
40 km	싱글모드	EML 1550 또는 LAN-WDM, 냉각형	PIN 또는 APD
80 km+	싱글모드	EML + APD 또는 코히어런트 튜너블	APD / 코히어런트

속도도 같은 방향으로 작용합니다: 10G까지는 직접 변조 레이저로 충분하고, 25G에서는 DML이 한계에 가까워지며 EML/VCSEL-25G가 대신하고, 레인당 50G PAM4부터는 EML이나 실리콘 포토닉스 모듈레이터가 주류가 되며, 레인당 100G 이상에서는 VCSEL이 한계에 도달합니다.

세대별 개관

1G — GBIC와 SFP(1990년대 → )

PMD	레이저	검출기
1000BASE-SX	850 nm VCSEL	GaAs PIN
1000BASE-LX	1310 nm FP(이후 DFB로 전환)	InGaAs PIN
1000BASE-EX / ZX	1310 / 1550 nm DFB	PIN; 80–120 km ZX에는 APD
CWDM SFP	20 nm 그리드의 무냉각 DFB	PIN, 80 km 이상에는 APD

FP 레이저의 멀티모드 스펙트럼은 1.25 Gb/s에서는 문제가 되지 않았습니다. VCSEL 덕분에 1G 멀티모드 광학계는 거의 공짜나 다름없어졌습니다. GBIC, SFP 참고.

10G — XFP, SFP+(2002 → )

PMD	레이저	검출기
10GBASE-SR	850 nm 10G VCSEL	PIN
10GBASE-LRM	1310 nm FP/DFB + host EDC	PIN
10GBASE-LR	1310 nm DFB, 직접 변조	PIN
10GBASE-ER	1550 nm EML, 냉각형	PIN / APD
10GBASE-ZR / 80 km	1550 nm EML, 냉각형	APD
DWDM 10G, 튜너블	냉각형 DFB 또는 튜너블(DBR/ITLA) + EML	APD

10G에서 EML과 APD가 10 km를 넘는 모든 구간의 표준이 되었고, XFP의 모듈 내장 CDR은 SFP+의 호스트 측 설계에 자리를 내주었습니다(XFP, SFP+).

25G — SFP28(2015 → )

PMD	레이저	검출기
25GBASE-SR	850 nm 25G VCSEL	PIN
25GBASE-LR	1310 nm 25G DFB(DML) 또는 EML	PIN
25GBASE-ER	1310 nm EML	APD

25G에서 RS-FEC가 도입되면서 더 저렴한 레이저로도 FEC 이전 BER 기준에서 규격을 충족할 수 있게 되었습니다.

40G — QSFP+(2010 → )

PMD	레이저	검출기
40GBASE-SR4	4 × 10G VCSEL 어레이, 칩온보드	4 × PIN 어레이
40GBASE-LR4	CWDM 1271–1331 nm의 4 × DFB, 무냉각	4 × PIN + 역다중화기
40G PSM4	4 × 1310 nm DFB	4 × PIN

최초로 대량 시장에 나온 병렬 광학계입니다. 보드 위 VCSEL 어레이와 렌즈 어레이, MPO 페룰의 조합이 이후 모든 SR4/SR8의 표준 패턴이 되었습니다(QSFP+, 칩온보드).

100G — QSFP28(2015 → )

PMD	레이저	검출기
100GBASE-SR4	4 × 25G VCSEL(COB)	4 × PIN
100G CWDM4 / CLR4	4 × 25G DFB(DML), 무냉각 CWDM	4 × PIN + 역다중화기
100G PSM4	CW 레이저 1개 기반 4 × 25G DFB 또는 SiPh MZM	4 × PIN(SiPh 위 Ge)
100GBASE-LR4 / ER4	LAN-WDM의 4 × 25G EML, 냉각형	PIN / APD
100GBASE-DR / FR / LR	1 × 100G PAM4 EML 또는 SiPh	PIN, 선형 TIA + DSP
100G DWDM / ZR급	튜너블 + EML 또는 코히어런트	APD / 코히어런트

100G은 실리콘 포토닉스가 양산에 들어간 세대이며(PSM4, DR), 무냉각 DFB(CWDM4, 2 km)와 냉각형 EML(LR4, 10 km)의 구분이 가격 단계를 결정지었습니다(QSFP28).

200G / 400G — QSFP56, QSFP-DD, OSFP(2019 → )

PMD	레이저	검출기
200G/400G SR4 / SR8	50G PAM4 VCSEL 어레이(COB)	PIN 어레이 + DSP
400GBASE-DR4	4 × 100G PAM4 EML 또는 SiPh MZM, 1310 nm	PIN + DSP
400GBASE-FR4 / LR4	CWDM의 4 × 100G EML, 냉각형	PIN
400GBASE-FR8 / LR8	LAN-WDM의 8 × 50G EML	PIN
400ZR / ZR+	튜너블 나노-ITLA + SiPh 코히어런트 모듈레이터	코히어런트 수신기

PAM4로 인해 DSP가 모든 모듈의 필수 구성 요소가 되었고 레이저는 레인당 100G까지 밀어붙여져 EML과 SiPh의 영역이 되었습니다(QSFP-DD, OSFP).

800G와 1.6T — OSFP, QSFP-DD800, OSFP-XD(2022 → )

PMD	레이저	검출기
800G SR8	100G PAM4 VCSEL(VCSEL의 한계)	PIN + DSP
800G DR8 / 2×DR4	8 × 100G EML 또는 SiPh	PIN + DSP
800G 2×FR4	CWDM의 8 × 100G EML	PIN
1.6T DR8(레인당 200G)	200G PAM4 EML, SiPh, 박막 리튬나이오베이트 모듈레이터	PIN + DSP
LPO 변형	레이저는 동일, 모듈 DSP 없음 — 호스트가 등화	선형 TIA만

전반적인 흐름

직접 변조에서 외부 변조로 — 25G 이하는 DML, 그 이상은 EML/MZM.
레인당 레이저 1개에서 모듈당 레이저 1개로 — SiPh가 CW 광원 하나를 여러 레인으로 분배.
기밀 TO-can에서 베어 다이로 — 병렬 광학계에는 칩온보드, 싱글모드에는 SiPh 집적.
속도가 오를수록 VCSEL의 전송 거리는 줄어듦 — 1G에서 550 m, 25G에서 100 m, 100G에서 50–100 m; 짧은 데이터센터 링크조차 싱글모드 DR로 넘어가는 중.
코히어런트가 플러거블로 이동 — 전송망 수신기가 이제 QSFP-DD 안에 들어감.
전력이 새로운 한계 — 냉각형 EML, DSP, ITLA가 400G/800G 모듈을 15–20 W까지 밀어붙이며 LPO와 코패키지드 옵틱스를 이끔.

코딩과 진단에서 중요한 이유

스위치가 읽는 식별 정보 바이트, 즉 파장, 전송 거리, 컴플라이언스 코드는 내부 레이저를 가늠하는 대용치입니다. VCSEL SR4 모듈을 LR4로 코딩해도 850 nm 레이저 자체는 바뀌지 않으므로, 호스트는 그 모듈이 낼 수 없는 싱글모드 전송 거리를 기대하게 됩니다. 또한 DDM 특성은 레이저 종류에 따라 다릅니다. VCSEL은 바이어스가 몇 mA에 불과하지만 EML은 TEC까지 포함해 수십 mA에 이르므로, 한쪽에서는 “정상”인 바이어스 값이 다른 쪽에서는 경보가 됩니다(레이저 종류, 수신기).

같은 이야기 중 신호 처리에 해당하는 부분(리미팅 증폭기부터 DSP, LPO, 코히어런트까지)은 변조와 DSP에서, 패키징에 해당하는 부분은 광학 패키징에서 다룹니다.

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