광 송수신 통신 성능은 어떻게 결정될까요? bps, 레인당 bps, 보드율에 대한 설명

광 송수신기는 800Gbps, 200Gbps/레인, 100Gbaud와 같은 다양한 지표를 사용하여 통신 성능을 설명합니다. 구체적으로 이러한 지표는 각각 송수신기의 전체 통신 속도, 레인당 통신 속도, 신호 스위칭 속도를 나타냅니다. 이 글에서는 bps, bps/레인, 보드율에 대해 설명하고 광 송수신기의 속도 향상을 이끄는 요인들을 살펴봅니다.

광 송수신기 성능 이해: 세 가지 핵심 지표(bps, 레인당 bps, 보드율)는 무엇일까요?

데이터 통신용 광 송수신기의 경우, 초당 비트 수(bps), 레인당 bps 수, 그리고 보드율(Baud Rate) 간의 관계에 따라 필요한 광섬유 개수와 송수신기 구성이 결정됩니다. 아래 표는 각 광섬유가 단일 파장(광섬유당 하나의 통신 레인)을 전송하는 가장 간단한 단일 모드 구성을 가정하여 이러한 지표들 간의 관계를 요약한 것입니다. *참고: 보드율 값은 PAM4 변조 방식을 기준으로 한 이론적인 값입니다. (자세한 내용은 뒷부분을 참조하십시오.)

동일한 송수신 속도(bps)에서 레인당 bps 수를 늘리면 사용되는 광섬유 수를 줄일 수 있습니다. 반대로 레인당 bps 수가 낮은 구성은 더 많은 광섬유를 필요로 하므로 설치 공간 및 전력 소비 측면에서 이점이 적습니다. 이러한 차이점을 이해하기 위해 이 섹션에서는 먼저 bps, 레인당 bps 및 보드율 간의 관계를 살펴봅니다.

(1) 광 송수신기의 통신 속도(bps)는 무엇을 의미하는가?
비트/초(bps)는 광 트랜시버의 전체 통신 용량을 나타내는 속도 지표입니다. 이는 1초 동안 송수신할 수 있는 데이터 양을 나타냅니다. 광 트랜시버 사양에서는 제품의 전체 통신 속도를 나타내는 데 사용됩니다. 현재 제품의 일반적인 값은 400 Gbps와 800 Gbps이며, 차세대 제품은 1.6 Tbps에서 3.2 Tbps까지 지원합니다. 현재 800 Gbps는 데이터 센터 응용의 주류 통신 속도이며, 1.6 Tbps 제품의 대량 생산도 시작되었습니다.

(2) 같은 BPS에서도 BPS/레인이 차이를 만드는 이유
레인은 병렬 전송에서 사용되는 독립적인 신호 경로로, 데이터가 흐르는 단일 채널로 생각할 수 있습니다. 따라서 bps/lane는 단일 신호 경로의 데이터 전송 속도를 나타냅니다. 현대 광 트랜시버에서는 bps/lan 증가가 더 작은 폼팩터, 낮은 전력 소비, 더 높은 전송 속도를 위해 핵심입니다.

현재 단일 파장 800 Gbps 광 트랜시버는 일반적으로 두 가지 구성 중 하나를 사용합니다. 하나는 8레인으로 100 Gbps/레인으로 동작하고, 다른 하나는 4레인으로 200 Gbps/레인으로 동작합니다. 여기서 레인 수는 신호 채널 수, 즉 데이터를 송수신하는 광섬유 수를 의미합니다. 두 구성 모두 전체 트랜시버 통신 속도를 800 Gbps로 제공하지만, 내부 아키텍처는 크게 다릅니다. 200 Gbps/레인 구성은 송수신 측 모두에서 필요한 레인 수를 절반으로 줄입니다. 이로 인해 부품 사용량이 줄어들고 전력 소비가 감소합니다. 하지만 이 구성은 고속 신호를 처리해야 하므로 신호 저하와 잡음으로 인한 왜곡에 더 취약합니다. 따라서 첨단 신호 처리와 고성능 송수신기 장치가 필요해 기술적으로 더 도전적입니다.

(3) 보드율과 bps/레인 간의 관계
보드율(단위: Bd)은 초당 전송되는 신호 상태(심볼)의 수를 나타냅니다. 데이터 통신용 광통신에서 기존 시스템은 일반적으로 심볼당 1비트를 전송하는 강도 변조 직접 검출(IMDD) 방식을 사용해 왔습니다. 그러나 최근에는 심볼당 2비트를 전송할 수 있는 PAM4 변조 방식도 채택되었습니다. 위에서 언급했듯이 심볼은 신호 상태를 나타내는 단위입니다. PAM4는 네 가지 신호 레벨(상태)을 사용하므로 각 심볼은 2비트의 정보를 전달할 수 있습니다. 따라서 PAM4에는 다음과 같은 관계식이 적용됩니다.
레인당 bps = 보드율 × 2
예를 들어, PAM4 변조 방식을 사용할 경우, 200Gbaud의 전송률은 레인당 400Gbps의 전송 속도를 가능하게 합니다.

bps, bps/lane, 그리고 보드 속도(Baud Rate)라는 세 가지 주요 지표를 설명한 후, 이 지표들을 바탕으로 광 송수신기의 통신 성능을 좀 더 자세히 살펴보겠습니다.

데이터 센터 광 송수신기에서 레인당 200 Gbps 수요의 배경

데이터 센터용 광 트랜시버는 오랫동안 주로 100 Gbps/레인 구성을 기반으로 해왔습니다. 하지만 800 Gbps 세대로의 전환으로 인해 필요한 광섬유 수가 증가하면서 더 큰 트랜시버 폼팩터와 높은 전력 소비 등의 과제가 부각되었습니다. 이러한 배경에서 200 Gbps/레인 기술에 대한 수요가 증가했으며, 이는 적은 광섬유로 고속 통신을 가능하게 합니다. 이를 달성하려면 레이저 소스, 포토다이오드(PD), 디지털 신호 프로세서(DSP) 등 광 트랜시버를 구성하는 다양한 장치 전반에 걸쳐 성능 향상이 필요합니다.

현재 200 Gbps/레인 기술은 꾸준히 발전하고 있으며, 800 Gbps와 1.6 Tbps 광 트랜시버에 점점 더 많이 채택되고 있습니다. 앞으로 차세대 3.2 Tbps 광 트랜시버는 더 빠른 400 Gbps/레인 기술을 요구할 것으로 예상됩니다.

400Gbps/레인 기술 구현의 과제

200Gbps/레인 기술의 진화형인 400Gbps/레인 기술이 실현된다면, 송수신기당 레인 수를 최소화하면서 1.6Tbps 또는 3.2Tbps에 이르는 훨씬 더 높은 용량의 통신이 가능해질 것입니다. 하지만 이 기술의 실현은 이전과는 비교할 수 없을 정도로 큰 기술적 난관을 극복해야 합니다.

특히, 400Gbps/레인 기술은 기존 솔루션보다 더 넓은 대역폭과 빠른 응답 속도를 요구합니다. 그러나 기존 실리콘 소재 기반 소자는 이러한 초고속 동작 환경에서 응답 속도와 주파수 성능의 한계에 도달하기 시작했습니다. 따라서 인듐인화물(InP)과 같은 화합물 반도체를 기반으로 하는 새로운 소자 기술 개발이 활발히 진행되고 있으며, 이는 초고속 동작에 더욱 적합합니다.

차세대 포토다이오드 400 Gbps/레인 속도 요구

데이터 센터용 광 트랜시버의 속도를 높이려면 송신기와 수신기 측 장치 모두의 발전이 필요합니다. 여기에는 수신기의 핵심 부품인 포토다이오드의 추가 개발이 포함됩니다. 기존의 표면 조명형 PIN 포토다이오드는 최대 100 Gbps/레인, 200 Gbps/레인의 데이터 속도를 지원했으나, 400 Gbps/레인 클래스의 초고속 신호 사용이 점점 어려워지고 있습니다. 또한, 약한 광 신호를 정확히 탐지하고 고속 동작 중 열 발생을 해결하기 위한 조치가 중요한 과제가 되었습니다.

이러한 문제를 해결하려면 재료뿐만 아니라 포토다이오드 자체의 구조 자체의 발전도 필요합니다. Dexerials에서는 인듐 인화염(InP)과 갈륨 비소(GaAs)를 사용하는 고속 응답 포토다이오드 외에도, 기존 장치와는 다른 구조를 가진 웨이브가이드 포토다이오드에 대한 연구와 개발이 진행 중입니다.
도파관 포토다이오드가 어떻게 작동하는지에 대한 자세한 내용은이 문서를 참고하세요.

다음 글에서는 400Gbps/레인 시대에 핵심적인 역할을 할 것으로 예상되는 코히런트 라이트(Coherent Lite) 및 광자 집적 회로(PIC) 기술에 대해 자세히 설명합니다.
1.6T/3.2T 시대의 시작: 데이터 통신 및 PIC 개발을 위한 Coherent Lite 기술