레이저 종류: VCSEL, FP, DFB, EML, 튜너블, SiPh

발광원은 여섯 가지 종류로 사실상 모든 광 트랜시버를 아우릅니다. 빛을 만드는 방식, 변조하는 방식, 파장의 순도가 저마다 다르며, 그에 따라 비용과 전송 거리, 어울리는 광섬유도 달라집니다.

한눈에 보기

레이저	구조	파장	광섬유	변조 방식	전송 거리 등급	냉각	비용
VCSEL	수직 공진, 표면에서 발광	850 nm(880–940 nm SWDM도 사용)	멀티모드	직접 변조, 25G NRZ / 50–100G PAM4까지	70–550 m	없음	최저
FP	단면 발광 파브리-페로, 멀티모드 스펙트럼	1310 nm	싱글모드	직접 변조, ≤ 2.5–10G	2–10 km	없음	낮음
DFB	격자가 내장된 단면 발광 → 단일 파장	1310, 1550, CWDM, DWDM	싱글모드	직접 변조(DML), 10–25G NRZ, 50G PAM4까지	10–40 km	없음(CWDM) / 있음(DWDM)	중간
EML	한 칩 위의 DFB + 전계 흡수 모듈레이터	1310, 1550, LAN-WDM, CWDM	싱글모드	외부 변조, 레인당 25–100G+	10–80 km	대개 있음	높음
튜너블	DBR/외부 공진기/ITLA	모든 DWDM 채널, C-밴드	싱글모드	외부 변조(EML 또는 MZM)	80 km → 코히어런트 1000 km+	있음	최고
SiPh	InP CW 레이저 + 실리콘 마흐-젠더 또는 링 모듈레이터	1310(DR/PSM), 1550(코히어런트)	싱글모드	외부 변조, 레인당 100–200G	500 m → 코히어런트	CW 레이저는 냉각하는 경우가 많음	양산 시 중간

VCSEL — 수직 공동 표면 발광 레이저

빛이 웨이퍼에 수직으로 나오므로 VCSEL은 웨이퍼 상태로 시험하고, 어레이로 제작하며, 단순한 렌즈로 멀티모드 광섬유에 결합할 수 있습니다. 가장 저렴하고 소비 전력이 가장 낮은 레이저이며, 단거리 광학계(SX, SR, SR4, SR8, AOC)가 그만큼 저렴한 이유이기도 합니다. 한계: 멀티모드 광섬유에서 850 nm로만 쓰이므로 전송 거리는 모달 대역폭이 정합니다. 대략 1G에서 550 m, OM3/OM4에서 10G일 때 300–400 m, 25G에서 100 m, 50G PAM4에서 70–100 m입니다. 레인당 속도는 100G PAM4 부근에서 한계에 도달하며, 이 때문에 800G SR8이 대규모로 계획된 마지막 VCSEL 세대였습니다. 칩온보드 참고.

FP — 파브리-페로

가장 단순한 단면 발광 레이저입니다. 벽개된 두 단면이 공진기를 이루며 한 번에 여러 개의 종모드로 발진합니다. 이 넓은 스펙트럼은 광섬유 안에서 퍼지므로(색분산), FP 레이저는 낮은 속도와 짧은 싱글모드 전송 거리에 머무릅니다. 1000BASE-LX는 10 km, 2.5G는 2 km입니다. 저렴하고 무냉각이며, 오늘날에는 대부분 레거시입니다.

DFB — 분포 귀환

활성층을 따라 새겨진 격자가 단일 종모드를 강제합니다. 선폭이 좁고 파장이 안정적이며 10–40 km에 충분한 출력을 냅니다. 직접 변조(DML) DFB는 10G LR, 25G LR, CWDM4, 컬러드 CWDM SFP의 주력이며, ~0.1 nm/°C의 드리프트는 단일 파장이나 20 nm CWDM 간격에서는 문제가 되지 않으므로 무냉각으로 동작합니다. DWDM에서는 같은 레이저를 TEC 위에 올려 50 GHz 슬롯을 유지합니다. 직접 변조는 처프를 더하는데, 전류가 전환될 때 파장이 흔들리는 현상으로, 분산을 거치면서 DML의 전송 거리를 10G에서는 약 40 km, 25G에서는 약 10 km로 제한합니다.

EML — 외부 변조 레이저

EML은 DFB를 연속파(CW) 상태로 유지하면서 같은 칩에 집적된 전계 흡수 모듈레이터(EAM)로 빛을 변조합니다. 레이저 자체에서는 처프가 없고 소광비가 높으며 레인당 25G/50G/100G 속도를 낼 수 있어, 10G ER/ZR, 100G LR4/ER4(LAN-WDM EML 4개), 400G FR4/LR4/DR4, 800G에 EML이 선택됩니다. 파장 안정성을 위해 대개 냉각하며, DFB보다 비용과 전력 소비가 높습니다.

튜너블 레이저

96가지 컬러드 부품 번호를 재고로 쌓아 두지 않고 DWDM에 대응하려면 튜너블 광원을 씁니다: 전류로 격자 구간을 조정하는 DBR 레이저, 외부 공진기 레이저, 또는 ITLA(집적형 튜너블 레이저 어셈블리)이며, SFP+와 QSFP-DD에 들어갈 만큼 작은 마이크로-ITLA와 나노-ITLA 변형도 있습니다. 튜닝은 C-밴드 전체에서 열 방식 또는 전기 방식으로 이루어지며, 파장 고정기가 채널을 유지합니다. 튜너블 DWDM 트랜시버 참고.

실리콘 포토닉스(SiPh)

실리콘 자체는 발진하지 못하지만 빛을 변조하고 경로를 정하는 데는 매우 뛰어납니다. SiPh 트랜시버는 외부 InP CW 레이저(레이저 하나로 여러 레인에 공급 가능)와, 마흐-젠더 또는 링 모듈레이터, 도파로, WDM 다중화기, 그리고 흔히 게르마늄 포토다이오드까지 얹은 실리콘 칩을 사용합니다. 대량 CMOS 제조, 작은 크기, 손쉬운 집적 덕분에 SiPh는 100G PSM4/DR, 400G DR4, 800G DR8, 그리고 400ZR/ZR+의 코히어런트 모듈레이터에서 주류를 이룹니다. 노화되는 부분은 여전히 InP 레이저입니다.

직접 변조 대 외부 변조

	직접 변조(DML: VCSEL, FP, DFB)	외부 변조(EML, MZM)
방식	레이저 전류를 스위칭	레이저는 계속 켜 두고 별도 소자를 변조
처프	있음 → 분산이 전송 거리를 제한	무시할 수준
소광비	중간(3–6 dB)	높음(8–10 dB+)
레인당 속도	~25G NRZ / 50G PAM4까지	100G+ PAM4, 코히어런트
비용, 전력	낮음	높음

모듈에 어떤 레이저가 있는지 알아내는 방법

식별 정보 바이트는 레이저에 대해 직접적으로는 거의 말해 주지 않지만, 세 가지 필드가 이를 암시합니다: 파장(850 → VCSEL; 1310 → FP/DFB/EML/SiPh; 1550/DWDM → DFB/EML/튜너블), 전송 거리 코드, 속도입니다. DDM은 이 그림을 확인해 줍니다: Tx 바이어스는 VCSEL이면 몇 mA, DFB면 20–60 mA, 냉각형 EML이면 그보다 더 높으며, 몇 달에 걸쳐 바이어스가 상승하는 것은 레이저 노화입니다(장애). 어떤 레이저가 어떤 폼 팩터·속도와 짝을 이루는지는 폼 팩터와 데이터 전송 속도별 레이저에 정리되어 있습니다.

각 레이저 종류가 어떻게 노화되며 수명 동안 DDM의 바이어스 전류가 어떻게 나타나는지: Tx 바이어스와 레이저 노화.

레이저가 어떻게 패키징되고 정렬되며 반사로부터 보호되는지: 광학 패키징; 레이저 4개가 어떻게 광섬유 하나를 공유하며 DWDM 레이저가 어떻게 파장을 유지하는지: 모듈 내부의 WDM.

온도에 따른 파장 드리프트, 임계값, 수명, 그리고 이를 바탕으로 한 상용/산업용 등급: 온도 등급.

이 레이저들의 스펙트럼 폭과 처프가 어떻게 색분산 페널티와 전송 거리 한계로 이어지는지: 분산과 대역폭.

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