Ⅰ. 서론 최근 인공지능, AR/VR, IoT, 클라우드 등 대용량 데이터 서비스의 보급으로 데이터 트래픽이 급증함 에 따라 데이터센터의 통신 수요가 폭발적으로 증 가하고 있다. Cisco에서 예측한 자료에 의하면 데이 터센터 트래픽은 매년 평균 27%씩 증가하는 추이를 보이고 있으며[1], 전 세계 클라우드 서비스 공급자 들의 데이터센터 인프라 구축 규모가 급속히 확대 되고 있다. 그 결과 Google, Arista 등 대형 데이터센터 운영 기업을 중심으로 400G 이더넷 기반의 12.8Tbps 스 데이터센터 통신용 광소자 및 광부품 기술 동향 Technology Trends of Optical Devices and Components for Datacenter Communications 한영탁 (Y.-T. Han, frenclin@etri.re.kr) 광통신부품연구실 책임연구원 이동훈 (D.-H. Lee, dhlee@etri.re.kr) 광통신부품연구실 책임연구원 김덕준 (D.-J. Kim, djkim@etri.re.kr) 광통신부품연구실 책임연구원 신장욱 (J.-U. Shin, shju@etri.re.kr) 광통신부품연구실 책임연구원 이서영 (S.-Y. Lee, sylee84@etri.re.kr) 광통신부품연구실 선임연구원 윤석준 (S.-J. Yun, yunseokjun@etri.re.kr) 광통신부품연구실 연구원 백용순 (Y. Baek, yongb@etri.re.kr) 광무선원천연구본부 책임연구원/본부장 ABSTRACT Intra- and inter- datacenter data traffic is rapidly increasing due to the spread of smart devices, cloud computing, and non-face-to-face services. Recently, 400-Gbps optical transceivers based on 100-Gbps/channel have been released primarily by major overseas companies. Various solutions for next-generation datacenter interconnect are being proposed by international standardization and multiple source agreement groups. Following this trend, ETRI has developed a 400-Gbps optical transmission/reception engine using 100-Gbps/channel light sources and photodetectors as well as a silica-based AWG. In the future, technologies of optical devices and components for intra-datacenter communication are expected to be developed based on a data rate of 200- Gbps/channel. Thus, 1.6-Tbps class optical transceivers will be released. KEYWORDS datacenter, light source, optical engine, optical transceiver, PAM4, photodetector ©2022 한국전자통신연구원 본 저작물은 공공누리 제4유형 출처표시+상업적이용금지+변경금지 조건에 따라 이용할 수 있습니다. * DOI: https://doi.org/10.22648/ETRI.2022.J.370205 * 본 연구는 2018년도 정부(과학기술정보통신부)의 재원으로 정보통신기획평가원의 지원을 받아 수행되었으며[2018-0-00220, 데이터센터 통신용량 증대를 위한 저전력 On-Board 집적 400Gbps 광송수신 엔진 기술], 또한 2021년도 정부(과학기술정보통신부)의 재원으로 정보통신기획평가원의 지원을 받아 수행 중인 연구임[2021-0-00395, 데이터센터 내부 네트워크용 800Gbps 광트랜시버 기술 개발]. 한영탁 외 / 데이터센터 통신용 광소자 및 광부품 기술 동향 43 위치가 2020년을 기점으로 활발하게 상용화되는 가 운데, 이더넷 스위치의 처리용량이 2년마다 두 배 씩 증가하는 무어의 법칙에 따라 2022년부터 1RU 당 25.6Tbps 속도를 수용할 수 있는 스위치가 도입 될 전망이다. 이러한 추세에 따라 이더넷 기반의 대 용량 스위치를 구현하기 위해 고밀도 장착이 가능 한 테라비트급 저전력 광모듈의 개발에 대한 요구 가 증가하고 있다. 기존 2~10km의 단일모드 광섬유를 이용한 400G 이더넷 규격의 경우, LWDM 또는 CWDM 기반 파 장분할 다중화 방식을 통해 전송용량을 증가시키 는 방식을 채택하고 있으며[2], 주로 이종 물질 간 의 하이브리드 집적 또는 실리콘 포토닉스, InP 기 반의 단일 집적 방식을 통해 구현되고 있다. 따라 서, 800Gbps 이상의 테라비트급 광모듈을 구현하 기 위해서는 기존 400Gbps 광모듈에 적용된 채널당 100Gbps 동작용 광소자 대비 변조속도 향상 및 고 차 변조방식 수용이 가능한 초고속 반도체 광원/광 검출기와 함께 초소형 WDM Mux/DeMux 소자뿐 만 아니라 DSP칩을 활용한 고속 신호처리 기술이 필요하다. 본고에서는 데이터센터 내부 데이터 전송을 위한 채널당 100Gbps 이상급 광소자, 광부품, 광트랜시 버 기술 동향을 살펴보고, 이와 관련하여 최근 수년 간 ETRI에서 개발한 초고속 광소자 및 광부품 제작 기술을 소개한다. Ⅱ. 데이터센터 통신 동향 1. 데이터센터 네트워크 구조 데이터센터는 클라우드 컴퓨팅, 빅데이터 분석, 또한 사물인터넷 구현 시 필요한 대용량 데이터를 저 장하고 처리하는 시설로서 Spine, Leaf, ToR, Server 와 같은 스위치들로 구성된다. 2019년부터 400Gbps 광트랜시버가 데이터센터 내부망을 중심으로 본격 도입되고 있으며, 800Gbps 광모듈은 2022년경 25.6Tbps 대용량 스위치의 상 용화와 함께 100m 이하의 Leaf-ToR 스위치 간 연 결을 위해 PSM8의 형태로 도입될 전망이다[3]. 또 한 500m~2km 구간의 Spine-Leaf 스위치 간 연결 에는 주로 가격, 전력소모 측면에서 유리한 파장당 200Gbps, 4채널 기반 800G-DR4/FR4 광모듈이 활 용될 것으로 예상된다[3]. 2. 데이터센터 표준화 및 시장 동향 2017년 IEEE802.3bs를 통해 400G 이더넷의 표 준화가 완료되었으며[2], 최근 100G Lambda MSA (Multiple Source Agreement)에서는 100Gbps × 4채널 CWDM 광인터페이스 기반의 400G-FR 및 400GLR4 광트랜시버 표준을 제정하였다[4]. 이더넷 스위치의 처리용량이 2년마다 두 배씩 증 가하는 추세에 따라 향후 51.2Tbps/102.4Tbps급 대 용량 스위치를 수용하기 위해 2023년경 200Gbps IM/DD 기술을 기반으로 한 800Gbps 및 1.6Tbps 이더넷 표준이 발표될 것으로 예상된다[5]. 2019년 하반기 AOI, Fujitsu, Huawei, Marvell(구 Inphi), Lumentum 등의 해외 메이저 업체를 중심으 로 800G Pluggable MSA가 결성됨에 따라 채널당 200Gbps 기반 800Gbps급 광트랜시버 개발이 본격 화되었으며, 2021년 6월 800G-FR4 광트랜시버의 규격이 발표되었다[6]. 2km 전송용 800Gbps 광트랜시버 규격의 경우 데 이터센터 내부에서의 대량수요를 고려하여 저전력 소모, 저가화를 위해 열전냉각기를 적용하지 않는 CWDM4 파장규격을 따르도록 규정되어 있다[6]. 현재 IEEE Beyond 400G Study group에서 파장 당 200Gbps PAM4 기반 10km 전송용 800G-LR4