AI 반도체 - CPO - 고속 광통신에 대한 종합적인 개요

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2026.4.16
[Scaling high-speed data movement from IM-DD to Copackaged Optics/Coherent/Silicon Photonics]

제공된 문서는 AI 데이터센터의 급증하는 데이터 수요를 해결하기 위한 고속 광통신 기술의 핵심 원리와 시스템 구조를 체계적으로 다루고 있습니다. 글은 먼저 전통적인 단거리 통신 방식인 강도 변조-직접 검출(IM-DD)과 이를 구현하는 플러그형 광 트랜시버의 기본 개념을 설명한 뒤, 송신부의 핵심인 수직 표면 발광 레이저(VCSEL)의 구조와 성능 절충안을 분석합니다. 이어서 신호가 이동하는 매체인 광섬유의 종류 및 감쇠·색분산 같은 주요 신호 손실 요인을 심층적으로 짚어냅니다. 궁극적으로 본문은 대역폭, 전력, 비용 간의 한계를 극복하기 위해 실리콘 포토닉스와 코어런트 광학 등 차세대 대역폭 확장 기술로 나아가는 산업적 배경과 기술적 과제를 조명하는 것을 목적으로 합니다.

 

그림 1. 확장 및 스케일 아웃 네트워크를 갖춘 데이터 센터 아키텍처와 단거리 및 장거리 통신 모두에서 광케이블이 수행하는 역할. 출처: Temporiti, E. “VCSEL 기반 솔루션: 구성 요소, 회로 및 통합” ISSCC 2026

 

그림 2. IM-DD 시스템의 상위 블록 다이어그램. 출처: P. Hanumolu. “저복잡도 코히런트 광 링크를 위한 아날로그 및 혼합 신호 접근 방식” ISSCC 2026

 

그림 3. 고속 데이터 전송 시 전기적 상호 연결 문제를 보여주는 기존 플러그형 광 트랜시버 모듈. 출처: P. Ossieur. “VCSEL, 집적 포토닉스에서 코히런트 솔루션까지 광 통신 시스템 개론” ISSCC 2026

 

그림 4. 교과서에 나오는 패브리-페로 레이저부터 브래그 반사기를 사용하는 최신 VCSEL 레이저까지의 레이저 발전 과정. 출처: F. Aflatouni. “실리콘 포토닉스 기반 솔루션: 구성 요소, 회로 및 통합” ISSCC 2026

 

그림 5. VCSEL(수직 공진 표면 방출 레이저)의 단면도. 출처: E. Temporiti. “VCSEL 기반 솔루션: 구성 요소, 회로 및 통합” ISSCC 2026

 

그림 6. VCSEL의 출력/전류 특성 및 스위칭 영역. 출처: E. Temporiti. “VCSEL 기반 솔루션: 구성 요소, 회로 및 통합” ISSCC 2026

 

그림 7. VCSEL 소재 변형. 출처: E. Temporiti. “VCSEL 기반 솔루션: 구성 요소, 회로 및 통합” ISSCC 2026

 

그림 8. 다중 채널 구동에 사용되는 VCSEL 어레이. 출처: E. Temporiti. “VCSEL 기반 솔루션: 구성 요소, 회로 및 통합” ISSCC 2026

 

그림 9. VCSEL에서 신뢰성과 대역폭 간의 상충 관계. 출처: E. Temporiti. “VCSEL 기반 솔루션: 구성 요소, 회로 및 통합” ISSCC 2026

 

그림 10. VCSEL을 직접 구동하기 위한 유사차동 방식. 출처: E. Temporiti. “VCSEL 기반 솔루션: 구성 요소, 회로 및 통합” ISSCC 2026

 

그림 11. 싱글 모드 광섬유와 멀티 모드 광섬유. 출처: https://blogs.cisco.com/sp/fiberopticspt2singlemultifiber

 

그림 12. 실리카 기반 광섬유에 사용되는 전송 창. 출처: E. Temporiti. “VCSEL 기반 솔루션: 구성 요소, 회로 및 통합” ISSCC 2026

 

 

 

 

 

「고속 광통신 개론」 챕터별 분석

이 글의 중심 주장은 “광통신의 고속화는 광소자 하나의 성능 향상이 아니라, 전기·광학·패키징 전 구간의 병목을 함께 해결하는 문제”라는 것입니다.

• 원문: A Comprehensive Overview of High-Speed Optical Communications
• 저자·게시일: Chad, 2026년 4월 14일.[1]
• 분석 범위: 공개 본문 전체. CPO·실리콘 포토닉스·외부 변조·코히어런트 광통신의 상세 본문은 유료 구간으로 확인되지 않았습니다.
• 구성 원칙: 원문 제목과 전개 순서를 따르되, 목차 없는 도입부에만 분석용 제목을 붙였습니다. 원문 내용과 분석·주의점을 구분하고, 같은 기술의 설명은 해당 챕터에만 배치했습니다.

전체 구조

구분	원문 챕터	해당 챕터에서 다루는 질문
도입	제목 없는 도입부	AI 데이터센터에서 왜 광통신이 중요해졌는가?
1	The workhorse for short reach — IM-DD & Pluggable Optical Transceiver	현재 단거리 광통신의 기본 구조는 무엇인가?
2	System architecture breakdown of an IM-DD	시스템을 어떤 구성요소로 나누어 이해할 것인가?
3	TX Driver — Direct Modulation	전기 신호를 어떻게 빛으로 바꾸는가?
4	Fibers	빛을 전달하는 과정에서 무엇이 손상되는가?
5	Receiver — Photodetector	수신된 빛을 어떻게 데이터로 판정하는가?
6	Why Scaling IM-DD is hard	기존 구조의 속도를 계속 높이기 어려운 이유는 무엇인가?

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도입. AI 데이터센터의 문제는 연산에서 데이터 이동으로 확장된다

원문 내용

저자는 AI 데이터센터의 대역폭 수요 증가에 따라, 문제가 단순히 데이터를 빨리 계산하는 데서 패키지·보드·랙·클러스터 사이로 데이터를 효율적으로 이동시키는 문제로 확장되고 있다고 설명합니다. Figure 1은 scale-up과 scale-out 네트워크에서 광통신이 담당하는 역할을 제시합니다.[1]

글의 출발점은 특정 기업이나 제품 비교가 아니라, “고속 광통신을 확장할 때 근본적으로 어떤 물리적 제약이 생기는가?”라는 질문입니다.[1]

분석

이 도입부는 광통신을 독립된 통신 부품 시장이 아니라 AI 시스템의 데이터 공급 능력을 결정하는 기반 기술로 배치합니다.

여기서 중요한 것은 연산과 통신을 경쟁 관계로 보는 것이 아닙니다. 연산장치가 빨라질수록 필요한 데이터를 충분히 공급하고 결과를 전달할 수 있어야 하므로, 연산 성능 향상이 데이터 이동 요구를 함께 끌어올린다는 관점입니다.

읽을 때의 주의점: 도입부는 기술의 필요성을 설명하는 문제 제기입니다. 특정 광통신 방식이 AI 학습시간이나 비용을 얼마나 개선했는지 보여주는 실증 결과는 아닙니다.

 

1. 단거리 광통신의 기본형: IM-DD와 플러거블 트랜시버

원문: The workhorse for short reach — IM-DD & Pluggable Optical Transceiver
관련 도표: Figure 2~3

1-1. IM-DD: 광세기에 정보를 싣고 직접 검출한다

IM-DD는 Intensity Modulation–Direct Detection, 즉 강도 변조·직접 검출 방식입니다. 송신 측은 빛의 세기에 정보를 싣고, 수신 측은 도달한 광세기를 검출합니다. 원문은 이진 신호뿐 아니라 PAM4와 같은 다중 레벨 신호도 예로 듭니다.[1]

강도 변조를 구현하는 방법은 다음 두 가지로 구분합니다.[1]

구분	원리	구분해야 할 핵심
직접 변조	전기 신호로 레이저 자체의 광출력을 변화시킴	광원과 변조 기능이 직접 연결됨
외부 변조	일정하게 공급되는 광캐리어를 별도 변조기로 변화시킴	광생성과 정보 부호화를 분리함

분석: IM-DD와 직접 변조는 동의어가 아닙니다. 전자는 정보를 싣고 검출하는 방식, 후자는 송신 측에서 변조를 구현하는 방법입니다. 따라서 외부 변조를 사용해도 수신 방식이 직접 검출이면 IM-DD에 해당할 수 있습니다.

이 구분을 놓치면 글 후반의 “외부 변조”를 IM-DD와 완전히 별개의 통신 체계로 오해하기 쉽습니다.

1-2. 플러거블 트랜시버: 전기 신호와 광신호 사이의 모듈

원문은 플러거블 광트랜시버를 호스트 칩과 떨어진 위치에서 전기 신호를 광신호로, 또는 그 반대로 변환하는 모듈로 설명합니다. 주요 구성은 다음과 같습니다.[1]

구성요소	원문에서의 역할
SerDes·DSP	직렬화·역직렬화와 등화
EIC	드라이버와 혼합신호 처리 등 전자회로
PIC	광학 기능을 담당하는 집적회로·광소자 영역

분석

이 부분의 핵심은 모듈 내부보다 호스트 칩과 모듈 사이에 남아 있는 전기적 연결입니다. 광케이블 구간이 빨라도, 데이터가 광트랜시버에 도달하기 전 전기 배선에서 품질이 저하되면 링크 전체 성능을 확보할 수 없습니다.

또한 IM-DD는 신호 방식, 플러거블은 구현·장착 형태이므로 서로 다른 분류 축입니다. 이 챕터는 두 개념을 함께 소개하지만 동일시해서는 안 됩니다.

[확인 필요] 원문은 “224+ Gbps”를 언급하지만 해당 문장만으로는 레인당 속도인지, 어떤 인터페이스 조건인지 명확하지 않습니다. 이를 트랜시버 전체 처리량이나 특정 표준의 확정 사양으로 확대해서 읽으면 안 됩니다.

 

2. IM-DD 시스템 분해: 송신기 → 광섬유 → 수신기

원문: System architecture breakdown of an IM-DD

원문 내용

이 챕터는 시스템을 Transmitter, Fiber, Receiver로 나누고, 각 구성요소의 선택지와 설계 고려사항을 순서대로 살펴보겠다는 짧은 안내입니다.[1]

분석

독립된 기술 설명이라기보다 이후 본문을 읽기 위한 기능 분해 기준입니다.

• 송신기: 신호를 얼마나 빠르고 안정적으로 생성하는가?
• 광섬유: 전달 과정에서 어느 정도의 감쇠와 왜곡이 발생하는가?
• 수신기: 손상된 신호를 어느 수준까지 판정할 수 있는가?

이 구조의 장점은 성능 문제를 특정 부품 탓으로 성급하게 돌리지 않도록 한다는 것입니다. 예를 들어 수신 오류가 발생해도 원인은 송신 파형, 전송 매체, 수신 잡음 중 어느 곳에나 있을 수 있습니다.

 

3. 송신기: 직접 변조 레이저와 VCSEL의 성능·수명 절충

원문: TX Driver — Direct Modulation
하위 절: Laser / VCSEL / Driving the Laser
관련 도표: Figure 4~10

3-1. 레이저: 광학적 이득과 공진 구조의 결합

원문은 전류 주입에 의해 활성영역에서 유도방출이 발생하고, 반사 구조를 통해 빛을 유지하며, 광학적 이득이 손실을 넘어서는 조건에서 발진이 시작된다고 설명합니다. 또한 DFB 레이저에서는 주기적인 격자가 파장 선택적인 피드백을 제공한다고 소개합니다.[1]

분석: 레이저는 단순히 전기 신호를 받으면 즉시 빛이 켜지는 이상적인 스위치가 아닙니다. 발진 조건과 동적 응답이 존재하므로, 이후 설명되는 지연·진동·파형 왜곡의 원인이 됩니다.

3-2. VCSEL: 단거리 병렬 광링크에 적합한 구조

VCSEL은 수직 방향으로 빛을 방출하는 레이저입니다. 원문은 다중 양자우물 활성영역, 상하부의 DBR 반사층, 산화막을 이용한 구속 구조 등을 설명합니다.[1]

저자가 제시하는 주요 장점은 다음 두 가지입니다.[1]

• 제조·검사 측면: 웨이퍼 상태에서 여러 소자를 검사하기 용이함.
• 병렬화 측면: 어레이로 구성해 여러 광레인을 구동하기 용이함.

또한 원문은 단거리 멀티모드 링크에 흔히 사용되는 850 nm GaAs VCSEL과, 단일모드·장거리 및 통신 파장대에 사용되는 1310/1550 nm InP 계열 레이저·변조기를 대비합니다.[1]

분석: 여기서 재료와 파장은 단순한 부품 사양이 아니라, 연결할 광섬유와 적용 거리를 함께 좌우하는 선택입니다. 다만 원문의 InP 레이저·변조기 설명 전체를 VCSEL에만 해당하는 내용으로 읽어서는 안 됩니다.

3-3. 바이어스와 소광비: 켜짐·꺼짐의 차이도 전력 비용이 있다

VCSEL은 문턱전류 이상에서 발진하고, 유효한 동작영역에서는 입력 전류와 광출력이 대체로 선형 관계를 보입니다. 원문은 적절한 DC 바이어스를 설정해야 한다고 설명합니다.[1]

또한 논리 1과 0의 광출력 비율인 소광비(extinction ratio)를 강조합니다. 광레벨 차이가 뚜렷하면 검출 여유를 확보하기 쉽지만, 저자는 이를 높이는 과정에서 구동전류와 전력 부담이 커지는 절충을 제시합니다.[1]

분석: 설계 목표는 단순히 “빛을 강하게 만들기”가 아닙니다. 필요한 출력 레벨과 변조 폭을 확보하면서 전력·발열·동적 응답을 함께 관리해야 합니다.

[보완 필요] “소광비가 높을수록 항상 더 좋은 링크”라는 일반화는 피해야 합니다. 이 절은 설계 절충의 방향을 설명할 뿐, 평균 광출력이나 바이어스 조건을 고정한 정량 비교를 제시하지 않습니다.

3-4. 대역폭을 높이는 전류가 수명을 줄일 수 있다

원문은 VCSEL의 비이상적 특성으로 턴온 지연, 지터, 완화진동을 들고, 전류밀도를 높이면 대역폭을 높일 수 있지만 평균고장시간이 줄어들 수 있다고 설명합니다. Figure 9의 핵심이 이 대역폭–신뢰성 절충입니다.[1]

구동회로에서는 전압 신호를 전류로 변환하며, 차동·의사차동 방식과 다양한 회로 구성을 소개합니다. 필요한 전류를 늘리는 과정에서 출력 정전용량 증가가 속도를 제한할 수 있다는 점도 지적합니다.[1]

이 챕터의 의미

이 부분은 단일 레인의 속도를 높이는 것과 여러 레인을 병렬로 늘리는 것이 서로 다른 확장 전략임을 보여줍니다. VCSEL은 어레이화에 유리하지만, 개별 소자의 고속화에는 전력·파형·수명 제약이 따릅니다.

따라서 평가 기준도 최대 전송속도 하나가 아니라, 목표 온도와 동작전류에서의 신호 품질 및 장기 신뢰성을 포함해야 한다는 해석이 가능합니다. 이는 원문의 절충관계에서 도출한 실무적 시사점입니다.

 

4. 광섬유: 손실과 분산은 서로 다른 문제다

원문: Fibers
관련 도표: Figure 11~15 및 색분산 도표

4-1. 멀티모드와 싱글모드의 선택

원문은 광섬유를 다음과 같이 구분합니다.[1]

구분	원문이 제시한 특성	주요 절충
멀티모드	상대적으로 큰 코어, 여러 전파 모드, OM1~OM5 분류	단거리에서 비용상 이점이 있으나 모드분산으로 거리 제한
싱글모드	작은 코어, 단일 모드 전파	모드분산을 피하지만 광원·결합·설치 측면의 복잡성 고려

저자는 멀티모드가 단거리에서 비용과 복잡성 측면의 이점이 있으며, 향후 높은 대역폭 수요를 고려해 싱글모드를 검토하는 흐름을 설명합니다.[1]

분석: 이 선택은 케이블 가격만의 문제가 아닙니다. 광원, 접속·결합 방식, 요구 거리, 향후 업그레이드까지 포함한 링크 단위의 선택입니다.

다만 이 글만으로 모든 단거리 링크가 싱글모드로 전환될 것이라고 결론내릴 수는 없습니다.

4-2. 파장대는 적용 조건과 함께 읽어야 한다

원문은 850 nm, O-band의 1310 nm, C-band의 1550 nm, 그리고 C-band를 확장하는 L-band를 소개합니다.[1]

[보완 필요] 1310 nm와 1550 nm는 여기서 각 대역을 설명하는 대표값입니다. 대역 전체가 하나의 파장인 것은 아닙니다. 또한 원문의 “L-band로 용량을 2배 확대”라는 표현은 파장 채널·증폭·전송 설계 조건이 제시되지 않아, 모든 링크에 적용되는 보장값으로 읽어서는 안 됩니다.

4-3. 네 가지 전송 열화의 차이

열화 요인	원문의 설명	분석상 구분
손실	산란·흡수 등으로 전파 후 광출력이 감쇠	신호의 크기가 줄어드는 문제
색분산	파장에 따른 전파 특성 차이로 펄스가 퍼짐	파장 성분 간 도착시간 차이
모드분산	서로 다른 공간 모드의 전파 지연 차이	멀티모드의 여러 경로·모드 문제
편광모드분산	섬유 비대칭 등으로 편광별 지연 차이 발생	편광 상태 간 도착시간 차이

이 네 가지는 원문이 제시한 주요 열화 요인입니다.[1]

이 챕터의 의미

가장 중요한 구분은 감쇠와 왜곡을 동일하게 취급하지 않는 것입니다. 신호가 약해진 문제와 펄스가 퍼져 인접 신호와 겹치는 문제는 다릅니다.

또한 싱글모드가 모드분산을 피한다는 설명을 “싱글모드에는 분산이 없다”로 확대하면 안 됩니다. 이 절의 가치는 서로 다른 물리적 원인을 분리해 이해하도록 하는 데 있습니다.

 

5. 수신기: 빛의 검출보다 중요한 것은 잡음 속 판정이다

원문: Receiver — Photodetector
관련 도표: Figure 16

원문 내용

수신기는 역바이어스된 PIN 광검출기에서 입사광에 비례하는 전류를 생성하고, TIA가 이를 전압으로 변환·증폭하는 구조로 설명됩니다.[1]

저자가 제시한 주요 평가 항목은 다음과 같습니다.[1]

• Responsivity: 입사광에 대한 전류 응답도.
• Capacitance: 광검출기의 정전용량.
• Noise·Dark current: 잡음과 암전류.
• Q-factor: 신호 레벨과 수신 잡음의 관계를 나타내는 품질 지표.
• BER: 비트 오류율.

원문은 Q-factor와 BER의 관계를 다음과 같이 제시합니다.[1]

분석

수신기의 목표는 빛의 존재를 감지하는 데 그치지 않습니다. 제한된 시간 안에 잡음과 겹친 신호 레벨을 구분하는 것입니다.

따라서 광출력이 충분해 보이더라도 수신 대역폭, 잡음, 검출기 특성에 따라 오류가 발생할 수 있습니다. 이 챕터는 앞에서 설명한 물리적 열화를 최종 데이터 품질인 BER과 연결하는 역할을 합니다.

[보완 필요] 위 식을 모든 변조 방식과 수신 조건에 그대로 적용해서는 안 됩니다. 통상적인 이진 판정·가우시안 잡음 모델에서 사용하는 관계로 읽어야 하며, PAM4나 실제 링크 평가에서는 판정 레벨과 오류정정 적용 전·후 조건 등을 별도로 확인해야 합니다. 원문은 이 적용 조건을 상세히 전개하지 않습니다.

 

6. IM-DD 고속화의 한계: 세 가지 확장 축에 각각 비용이 따른다

원문: Why Scaling IM-DD is hard
관련 도표: Figure 17

6-1. 처리량 확대를 위한 세 가지 선택

Figure 17은 IM-DD의 확장 축을 다음과 같이 정리합니다.[1]

확장 축	늘리는 대상	원문이 제시하는 대가
심볼당 비트 수	한 번의 신호 상태로 전달하는 정보량	SNR 요구 증가
심볼률	단위 시간에 보내는 심볼 수	대역폭·잡음·전력 부담
광섬유·파장 수	병렬 전송 채널 수	비용·복잡성 증가

분석

이 표가 글 전체에서 가장 중요한 시스템 설계 관점입니다. 대역폭 확대에는 여러 방법이 있지만 어느 방법도 추가 비용 없이 처리량만 늘려주지는 않습니다.

• 심볼당 정보량을 늘리면 신호 레벨을 더 정밀하게 구분해야 합니다.
• 심볼을 더 자주 보내면 회로와 채널이 더 빠르게 반응해야 합니다.
• 채널을 병렬로 늘리면 물리적 연결과 구성요소가 증가합니다.

즉, 특정 기술이 “확장 가능하다”는 주장은 어떤 축으로 확장하고 그 비용을 어디에서 부담하는지까지 봐야 의미가 있습니다.

6-2. 광학 문제와 전기 문제를 함께 해결해야 한다

원문은 광학 측 제약으로 색분산·편광모드분산·비선형 및 간섭 효과를, 전기 측 제약으로 고대역폭 잡음, 지터·스큐·ISI, 프런트엔드 대역폭 한계를 제시합니다.[1]

여기서 저자의 결론은 명확합니다. 광트랜시버와 광섬유가 빨라도 전기 신호가 충분한 품질로 그곳까지 도달하지 못하면 소용이 없다는 것입니다.[1]

분석

이 챕터는 앞의 개별 부품 설명을 종단 간 병목 문제로 통합합니다.

그렇다고 모든 열화가 모든 링크에서 같은 중요도를 갖는 것은 아닙니다. 원문은 가능한 제약을 열거하지만, 특정 거리·파장·속도에서 무엇이 지배적인지 정량적으로 비교하지는 않습니다. 따라서 이 글은 특정 구간의 최적 설계안을 제시하는 문서라기보다 검토해야 할 제약의 지도를 제공하는 입문서에 가깝습니다.

 

7. 유료 구간 예고: 네 가지 기술은 서로 다른 설계 축이다

아래는 공개 본문에 명시된 소개와 그에 대한 분류입니다. 유료 챕터의 상세 내용을 읽고 요약한 것은 아닙니다.

기술	공개 본문에 나온 설명	분석상 위치
CPO	광학 구성요소를 패키지 내부에 배치	배치·패키징의 변화
실리콘 포토닉스	실리콘 도파로를 통해 빛을 전달하고 변조	광학 집적 플랫폼
외부 변조	지속적으로 동작하는 레이저의 빛을 별도 변조	송신기 구현 방식
코히어런트 광통신	광영역에서 진폭과 위상을 활용	정보 부호화·수신 방식의 변화

공개 본문은 이 네 가지를 고속화를 위한 주요 흐름으로 제시한 뒤 상세 설명은 유료 구간으로 넘깁니다.[1]

분석: 이 네 가지를 서로 대체하는 단일 후보군처럼 비교하면 곤란합니다. 패키징, 집적 플랫폼, 변조 구현, 신호 방식이라는 서로 다른 층위이므로 조합 가능한 기술 축으로 이해하는 편이 적절합니다.

 

종합 평가

이 글이 잘 설명하는 것

개별 소자 → 전송 매체 → 수신 판정 → 시스템 확장으로 논의를 연결합니다. 특히 다음 두 가지 구분이 유용합니다.

1. 광학 성능과 전기적 연결 성능은 별개이며, 함께 확보되어야 한다.

1. 고속화에는 정보 밀도·심볼률·병렬 채널이라는 서로 다른 선택지가 있고, 각기 다른 비용이 따른다.

공개 본문만으로 판단하기 어려운 것

• 특정 거리·속도에서 어떤 기술이 가장 유리한지.
• 전력/bit, 지연, 오류율, 수명, 비용을 동일 조건으로 비교한 결과.
• CPO 전환의 유지보수·열관리·제조상 절충.
• 코히어런트 방식의 추가 복잡성을 정당화하는 적용 경계.

결론적으로, 이 글은 “어떤 광통신 기술을 채택해야 하는가”에 대한 선정 보고서가 아니라, “기술을 선정할 때 무엇을 구분하고 어떤 병목을 따져야 하는가”를 설명하는 개론입니다. 공개 범위에서는 특정 차세대 기술의 우월성보다, 기존 IM-DD의 구조와 확장 비용을 이해하는 데 가장 큰 가치가 있습니다.

출처

[1] https://www.siliconcodesign.com/p/optical-communications-a-primer — A Comprehensive Overview of High-Speed Optical Communications