광트랜시버 구조, 전기 신호가 빛이 되어 오가는 신호 경로

친구 열 명이 한 줄로 서서 귓속말로 문장을 전하는 게임을 해 보셨을 겁니다. 중간에 한 명이 잘못 들으면 끝에서는 전혀 다른 문장이 나오죠. 전달자가 많고 거리가 멀수록 오류가 쌓입니다.

광트랜시버 구조를 이 게임에 빗대면, 말을 크고 또렷하게 바꿔 던지는 확성기와 그것을 알아듣는 귀가 한 몸으로 붙은 모양입니다. 전기 신호를 빛으로 바꿔 보내고, 도착한 빛을 다시 전기 신호로 되돌립니다. 게임과 다른 점은 실제 링크에는 신호를 깨끗이 다시 만드는 재생 회로가 있어 오류가 단순히 쌓이기만 하지는 않는다는 것입니다.

광트랜시버 구조, 전기와 빛을 오가는 번역기

광트랜시버(Optical Transceiver)는 송신기와 수신기가 한 모듈에 들어 있는 부품입니다. 서버나 스위치 쪽에서는 고속 전기 신호가 들어오고 나가며, 모듈의 반대편에서는 광섬유와 빛으로 연결됩니다. 흔히 스위치 포트에 꽂는 교체형 모듈 형태로 쓰이며, SFP 계열이나 QSFP 계열처럼 크기와 단자 규격이 정해진 폼팩터가 있습니다.

안쪽은 크게 빛을 만드는 송신 광 부품과 빛을 받는 수신 광 부품, 그리고 이 둘을 전기 쪽에 잇는 회로로 나뉩니다. 전체 흐름을 먼저 보고 각 블록을 따로 살펴보면 이해가 쉽습니다.

구리 배선 대신 광 링크가 필요한 이유

구리 배선을 따라가는 전기 신호는 속도가 높아질수록 손실이 급격히 커져 도달 거리가 짧아집니다. 서버와 스위치가 멀어질수록 구리만으로 잇기가 점점 어려워집니다. 광섬유는 같은 속도에서도 신호 손실이 훨씬 작아 먼 거리를 갈 수 있습니다.

문제는 칩이 내보내고 받는 신호가 전기라는 점입니다. 그래서 전기와 빛 사이를 번역해 주는 모듈이 링크의 양 끝에 필요하고, 이 번역기의 구성이 곧 광트랜시버입니다. 번역이 얼마나 빠르고 정확한지가 링크 전체의 속도와 전력을 정합니다.

송신 경로, 드라이버와 TOSA

모듈 입구로 들어온 고속 전기 신호는 먼저 CDR(Clock and Data Recovery, 클록 데이터 복원) 회로나 DSP에서 다듬어집니다. 칩에서 모듈까지 오는 동안 일그러진 파형을 정돈하고 클록을 복원해 타이밍을 맞춥니다. 이어서 드라이버(Driver)가 레이저나 변조기를 구동할 만한 전류나 전압으로 신호를 키웁니다.

TOSA(Transmitter Optical Sub-Assembly, 송신 광 서브어셈블리)는 빛을 만드는 레이저 다이오드와 이를 광섬유에 맞추는 광학 부품을 하나로 묶은 부분입니다. 가장 단순한 방식은 레이저에 흐르는 전류를 신호에 따라 바로 바꾸는 직접 변조입니다. 속도가 높거나 먼 거리를 가야 할 때는 레이저는 일정하게 켜 두고 별도의 변조기(Modulator)로 빛의 세기를 바꾸는 외부 변조가 쓰입니다.

직접 변조는 구조가 단순하고 비용이 낮지만, 전류를 바꿀 때 파장이 함께 흔들려 먼 거리에서 신호가 퍼지기 쉽습니다. 외부 변조는 이 흔들림을 줄이는 대신 소자가 하나 더 필요합니다. 이 균형이 용도별 구조를 가릅니다.

레이저는 온도에 민감해서 모듈 안에서 온도를 제어하거나 출력을 보정하는 회로가 함께 들어갑니다. 파장 간격을 촘촘히 나눠 쓰는 방식에서는 온도에 따른 파장 이동이 특히 중요한 문제가 됩니다.

수신 경로, 포토다이오드와 TIA

ROSA(Receiver Optical Sub-Assembly, 수신 광 서브어셈블리)는 광섬유에서 나온 빛을 포토다이오드에 모으는 부분입니다. 포토다이오드는 빛을 광전류로 바꾸는데, 이 전류는 대개 아주 작습니다. 전류가 작으면 바로 읽기 어려우므로 곧바로 증폭이 필요합니다.

이 역할을 하는 것이 TIA(Transimpedance Amplifier, 트랜스임피던스 증폭기)입니다. 작은 전류를 전압으로 바꾸고 증폭하며, 대역폭은 넓게 유지하면서 잡음은 낮춰야 합니다. 그래서 TIA는 포토다이오드 바로 옆에 붙어 있는데, 배선이 길어지면 기생 성분이 늘어 속도와 잡음이 함께 나빠지기 때문입니다.

TIA의 출력은 다시 증폭단을 거쳐 CDR 또는 DSP로 들어가고, 여기서 클록을 복원해 각 비트를 판정합니다. 신호를 깨끗이 새로 만드는 이 단계가 있어서 귓속말 게임처럼 오류가 그대로 쌓이지 않습니다.

CDR과 DSP, NRZ에서 PAM4로

전기 쪽 변조 방식은 세대가 올라가며 달라지는 경향이 있습니다. 초기에는 신호를 두 레벨로만 나누는 NRZ(Non-Return-to-Zero)가 쓰였고, 더 높은 속도가 필요해지면서 네 레벨로 나눠 한 번에 2비트를 싣는 PAM4(4-level Pulse Amplitude Modulation)가 쓰이는 경우가 늘었습니다.

속도는 두 배가 되지만 잡음에 견딜 여유가 줄어드는 거래입니다. 이를 메우려고 신호 파형을 보정하는 등화와 오류 정정을 맡는 DSP가 모듈 안에 들어가기도 합니다. 이렇게 광트랜시버 구조는 속도가 오를수록 광 소자 못지않게 전기 회로의 비중이 커지는 방향으로 움직입니다.

파장과 재료, 링크 버짓

광섬유는 파장에 따라 손실과 분산이 달라서 쓰기 좋은 파장대가 정해져 있습니다. 일반적인 단일모드 광섬유에서는 1.3 µm 부근에서 분산이 작고 1.55 µm 부근에서 손실이 가장 작아, 먼 거리 링크는 이 근처 파장을 씁니다. 데이터센터 안의 짧은 거리에서는 850 nm 부근의 다중모드 광섬유와 VCSEL 조합이 흔히 쓰입니다.

재료도 파장을 따라갑니다. 850 nm 부근의 레이저는 GaAs 계열을, 1.3~1.55 µm의 레이저와 수신 포토다이오드는 InP 기판 위의 InGaAsP나 InGaAs 계열을 쓰는 것이 일반적입니다. 실리콘은 1.1 µm보다 긴 파장을 거의 흡수하지 못해 이 파장대의 수신에는 맞지 않습니다.

광 링크에서는 이 링크 버짓을 늘 확인합니다. 송신 출력과 수신 감도 사이의 폭이 총손실보다 커야 링크가 열리기 때문입니다. 광섬유로 보내면 신호가 전혀 열화되지 않는다는 생각은 오해로, 손실과 분산, 잡음이 모두 있어서 버짓 계산과 재생 회로로 관리합니다.

블록별 역할 비교 표

구분	위치	하는 일	주로 쓰이는 반도체
레이저 다이오드	송신(TOSA)	전류를 받아 빛을 만듦	GaAs 계열, InP 계열 화합물 반도체
변조기	송신(TOSA)	일정한 빛의 세기를 신호에 따라 바꿈	InP 계열 또는 실리콘 광소자
드라이버	송신 전기 회로	레이저나 변조기를 구동할 신호를 키움	실리콘 기반 고속 회로
포토다이오드	수신(ROSA)	빛을 광전류로 바꿈	InGaAs 계열, 단거리에서는 실리콘
TIA	수신(ROSA 근처)	작은 전류를 전압으로 바꿔 증폭	실리콘 기반 저잡음 회로
CDR / DSP	송수신 전기 회로	클록 복원, 등화, 비트 판정	실리콘 CMOS 계열 로직

핵심 정리

광트랜시버 구조는 전기 신호를 빛으로 바꾸는 송신 경로와 빛을 다시 전기 신호로 되돌리는 수신 경로를 한 모듈에 담은 것입니다. 송신에서는 드라이버, 레이저, 변조기가, 수신에서는 포토다이오드, TIA, CDR과 DSP가 각자 맡은 일을 이어받습니다. 속도가 높아질수록 PAM4와 DSP처럼 전기 회로가 맡는 몫이 커지는 경향이 있습니다.

귓속말 게임으로 돌아가면, 광 링크는 말을 크게 던지는 쪽과 또렷하게 알아듣는 쪽 사이에 중간 재생 단계를 끼워 오류가 쌓이지 않게 한 구조입니다. 모듈 사양을 읽을 때는 파장과 광섬유 종류, 변조 방식, 링크 버짓이 서로 맞는지부터 확인하시기 바랍니다.

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