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장거리 백본망에 주로 적용되어 온 고밀도 파장 분할 다중화( DWDM ) 전송 시스템은 최근 인터넷으로 대표되는 멀티미디어 서비스의 급속한 확산과 함께 광역 통신망(MEAN)에도 도입되고 있습니다. MEAN 애플리케이션에서는 일반적으로 SFP(Small Form-Factor Pluggable) 및 기타 소형 광 트랜시버가 고밀도로 장착됩니다. 따라서 SFP 패키지 형태의 DWDM 광 트랜시버 개발이 기대되었습니다.
저자는 SFP 설계 및 파장 제어 분야에서 축적된 기술을 활용하여 펠티에 소자가 통합된 소형 동축 송신기 광 서브어셈블리(TOSA)를 개발하여 SFP 플랫폼( DWDM-SFP )에서 DWDM 애플리케이션을 위한 2.5Gbps 광 트랜시버를 성공적으로 개발했습니다.
펠티에 소자를 통합한 소형 동축 TOSA 개발
새롭게 개발된 펠티에 소자를 내장한 동축 TOSA의 외관과 핀 배열은 각각 그림 1과 그림 2에 나타내었다. DFB 레이저 다이오드(LD), 모니터 포토 다이오드(PD), LD 온도 제어를 위한 새롭게 개발된 펠티에 소자, 그리고 LD 온도 감지를 위한 서미스터가 8핀 패키지에 내장되어 있다. 여기에 절연체와 파이버 리셉터클이 부착되어 있다. 이러한 내부 부품의 크기를 줄이고 열 부하를 최소화하여 전력 소비를 줄임으로써, 저자들은 직경 5.6mm, 길이 12.7mm의 냉각 동축 TOSA를 구현했는데, 이는 기존 냉각 버터플라이형 모듈의 8분의 1 크기이다.
그림 3은 모듈의 전력 소비량의 케이스 온도 의존성을 보여줍니다. 이 평가에서는 LD의 온도와 전류를 각각 40°C와 35mA로 설정했습니다. 그 결과, 전력 소비량을 230mW 이하로 성공적으로 억제했으며, 이는 기존 버터플라이형 모듈보다 8배 더 작은 수치입니다. 이를 통해 저전력 소비와 간단한 방열 구조를 가진 DWDM-SFP를 쉽게 구현할 수 있습니다.
패키지 개발
SFP는 그림 4와 같이 통신 장비의 개방 포트에 삽입되는 새끼손가락 크기의 플러그형 광 트랜시버입니다. 광 커넥터가 삽입되는 리셉터클 부분과 통신 장비의 전기 커넥터와 결합하는 엣지 커넥터와 같은 SFP의 외형 치수 및 기타 중요한 치수 사양은 다중 소스 협정(MSA)에 의해 표준화됩니다. 개발의 목표는 MSA뿐만 아니라 다음과 같은 구조 요구 사항을 저비용으로 충족하는 패키지를 만드는 것이었습니다. 1) 고밀도 패키징 구조, 2) 효율적인 방열 구조, 3) 전자파 간섭(EMI) 차폐 구조. 이러한 요구 사항을 충족하기 위한 솔루션은 다음과 같습니다.
고밀도 패키징 구조를 실현하기 위해 저자는 인쇄 회로 기판(PCB)의 윤곽과 그 위의 전자 부품을 포함한 내부 구조의 3차원 배열을 최적화했습니다.DWDM -SFP 와 TOSA의 최대 작동 케이스 온도는 각각 70도와 75도입니다.따라서 SFP와 TOSA 사이의 온도 차이를 5도 이내로 유지해야 합니다.열을 방출하는 기능을 하는 그림 5의 부품 번호 1과 2는 구리 합금으로 만들어졌으며 열전도도는 각각 350과 300 W/mK입니다.부품 번호 1은 PCB에 장착된 트랜시버 IC 및 기타 부품에서 SFP 후면으로 열을 전달하는 기능을 합니다.TOSA와 수신기 광학 하위 어셈블리(ROSA)에서 나오는 열은 패키지의 상단과 하단에 있는 열 시트를 통해 전달됩니다. 그림 6은 이 세 가지 열 전도 경로를 보여주는 개념도이고, 그림 7은 열 시뮬레이션의 결과를 보여줍니다.그림 7에서 "a" 영역의 온도는 다른 영역에 비해 충분히 낮아 TOSA가 다른 열원과 열적으로 잘 분리되어 있음을 나타냅니다.그림 8은 TOSA와 SFP 사이의 케이스 온도 차이를 측정한 결과입니다.어떤 조건에서든 온도 차이가 5도 C 미만임을 보여줍니다.3-3 EMI 차폐 구조 EMI 차폐 구조를 만드는 일반적인 방법은 수용구 부분에 금속 도금을 하는 것입니다.금속 도금은 비용이 많이 들기 때문에 저자는 수용구 부분에 도금 공정을 수행하는 대신 내부 판금 부품을 3차원으로 조립하여 EMI 차폐를 위한 새로운 구조를 개발했습니다. 그림 9는 DWDM-SFP 16개에 대한 EMI 측정 결과를 보여줍니다. 미국 연방통신위원회(FCC)는 전자파 방사를 54dBuV/m 미만으로 엄격히 제한하도록 규정하고 있습니다.
회로 기판과 파장 제어 기술에도 약간의 개발이 있었지만, 여기서는 자세히 설명하지 않습니다.
결론
저자들은 DWDM 애플리케이션을 위한 SFP 크기의 2.5Gbps 광 트랜시버를 성공적으로 개발했습니다. 펠티에 소자가 통합된 소형 동축 TOSA, 최적화된 방열 구조, 그리고 새롭게 개발된 트랜시버 IC를 탑재한 고밀도 실장 보드를 개발하여 소형화 및 저전력(1W)을 달성했습니다. 또한, 최적화된 TOSA 설계와 CPU에 의한 정밀한 파장 제어를 통해 트랜시버는 우수한 파장 안정성을 확보하여 직접 변조 LD의 온도 제어만으로 100GHz 그리드 간격을 충분히 충족할 수 있었습니다. 또한, 장거리 전송에서도 우수한 특성을 보였습니다. 저자들은 향후 저전력 소비 및 RoHS 준수와 같은 부가가치가 높은 DWDM-SFP를 개발할 계획입니다. SFP 또는 DWDM/CWDM/OADM에 대한 더 자세한 전문 지식은 fiber-mart.com으로 문의해 주시기 바랍니다. 여기에서는 CWDM/DWDM/모듈, CWDM OADM 및 DWDM OADM 모듈(예: DWDM 1채널 OADM)과 같은 제품을 제공합니다.
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