[광섬유 통신 인프라의 개발과 기술동향 ③] 초대용량 전송 기술

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[광섬유 통신 인프라의 개발과 기술동향 ③] 초대용량 전송 기술

2017년 7월 1일 (토) 00:00:00 | 지면 발행 ( 2017년 7월호 - 전체 보기 )

[광섬유 통신 인프라의 개발과 기술동향 ③]
초대용량 전송 기술

광섬유 전송기술은 대용량 정보통신 네트워크를 지지하는 중요한 기술이다. 현재, 1개의 파장당 40Gbps를 장거리 전송하는 시스템이 상용화되어 있으며, 1개의 광섬유로 테라비트급 전송도 실현되고 있다. 대용량 전송에 관한 연구개발에서는 1996년에 1Tbps 전송이, 그리고 2001년에 10Tbps가 보고되었으며, 2011년에 들어 마침내 100Tbps 전송이 실현됐다. 이 과정에서 개발된 전송기술은 대용량 정보의 효율적인 장거리 전송에 이용되어 전송비용의 저감에 크게 기여하고 있다. 그러나 엑사바이트(Exabyte, 1EB=10¹⁸ bytes) 시대에 대응하기 위해서는 여전히 전송용량의 대폭적인 확대가 필요하며, 전송 인프라가 되는 광섬유 혁신과 더불어 전송기술의 향상이 요구되고 있다. 본고에서는 엑사바이트 시대를 향한 전송기술의 연구개발 동향 및 주요기술에 대해 소개한다.

정리 편집부

엑사비트에 대응하는 광전송 기술

엑사비트(10¹⁸)의 정보 네트워크에 필요한 광섬유 전송에 대해 알아본다. 네트워크 처리에 의해 전송경로가 1000으로 배분되는 경우, 각 경로(링크)에는 페타비트(10¹⁵)의 전송용량이 필요하다. 이 값은 현재 상용 시스템의 약 1000배로, 관련 연구에서 보고되고 있는 최대전송량에 비해 10배나 되는 수치이기 때문에 대단히 크다고 할 수 있다.

광섬유 전송의 대용량화에는 주로 2가지 기술이 이용되어 왔는데 첫째는 빛의 변조속도를 고속화하는 방법으로, 시분할 다중(TDM)으로 불린다. 두 번째는 서로 다른 파장의 빛을 여러 개 묶는 방법으로, 파장분할 다중(WDM)으로 불린다. TDM에 의한 대용량화에 있어서는 상용 수준에서 40Gbps가 실현되었으나 가일층의 고속화는 고속신호의 생성 및 장거리 전송이 어려워지기 때문에 용이하지 않다. 한편, WDM에 의한 대용량화의 경우는 상용 수준에서 100파장에 가까운 다중화의 실현이 가능하지만, 사용 가능한 파장 영역이 제한돼 있기 때문에 파장수를 더 대폭적으로 늘리는 것은 용이하지 않다.
이러한 가운데 최근에는 다양하고 새로운 접근법에 의한 대용량화가 시도되고 있다. 예를 들어 한정된 대역에 다중화가 가능한 파장수를 늘리기 위해 동일한 전송용량으로 광스펙트럼이 좁은 신호를 적용하는 기술이 연구되고 있다. 그 중에서 특히 빛의 다치 변복조(多値變復調) 기술의 중요성이 높아지고 있다. 또 광섬유 중에 존재하는 2개의 편파축(偏波軸)에 신호를 다중화하여 전송함으로써 전송용량을 2배로 하는 연구가 이루어지고 있다. ‘편파다중기술’로 불리는 이 기술은 차세대 100Gbps 시스템에서의 실용화를 목적으로 개발이 진행되고 있다. 그리고 후술할 멀티 코어 광섬유를 이용하면, 전송용량을 코어 몇 배로 확대할 수 있기 때문에 이 멀티 코어 다중 전송의 중요성이 높아지고 있다. 또한, 복수의 전파모드를 갖게 한 멀티모드 광섬유를 전송로(傳送路)로 하고, 각 전파모드에 각각의 정보를 다중화하여 전송하는 멀티모드 다중 기술의 시도도 이루어지고 있다. 이 새로운 대용량 전송기술에 관한 이미지를 [그림 1]에 정리했다. 이후의 내용에서는 이 대용량 전송기술에 대한 설명이 이어진다.

초다치 변복조 기술

대부분의 광섬유 통신에서는 빛의 ON/OFF에 의한 2치 신호(二値信號, binary signal)를 이용하여 펄스당 1비트의 전송이 이루어지고 있다. 이에 대해 다치신호(多値信號, multi-level signal)는 다치 상태를 이용하여 펄스당 복수의 비트를 전송할 수 있다. 따라서 2치 신호의 경우에 비해 변조속도를 낮출 수 있어 고속변조를 하지 않고도 대용량 전송을 실현할 수 있다. 또한, 다치신호의 광스펙트럼은 좁기 때문에 고밀도 다중화가 가능하다. 이처럼 다치신호는 대용량화를 가능케 하는 중요기술이다.

빛의 다치신호는 광파의 진폭과 위상을 다치변조함으로써 얻을 수 있다. 다치 변복조 기술은 전기통신 및 무선통신에서 활용되고 있다. 다양한 다치 변복조 방식 가운데 직교진폭변조(QAM) 방식이 주된 방식이다. QAM 방식은 광전계의 동상성분과 직교성분을 다치변조하므로 다른 방식에 비해 다치상태(심벌) 간 간섭하기 어렵고, 잡음 및 일그러짐에 강하다. 그 특성을 살린 광섬유 전송에 대한 연구가 왕성하게 진행되고 있다.

다치 변복조 기술을 빛에 적용하는 데에는 크게 2가지 과제가 있다. 첫 번째는 레이저 광원의 위상잡음에 의해 위상 방향의 다치화가 어렵다는 점이다. 두 번째에는 고속 변복조의 과정에서 생기는 파형 일그러짐에 의해 성능 열화가 일어나기 쉽다는 점이다. 이 과제들에 대한 대처가 다치 변복조의 실현에 있어 핵심사항이 된다.

광다치 변복조에 의한 512-QAM 신호전송 실험이 보고되었다. 이 실험에서는 심벌속도 3Gsymbol/s의 512-QAM 신호(54Gbps) 생성에 있어서 광원의 위상잡음에 의한 열화를 억제하기 위해 아세틸렌 흡수선을 이용한 주파수 안정도가 높은 광섬유 레이저가 개발되었다. 또, 생성신호에 포함되는 일그러짐에 대해서는 구동신호에 예등화(豫等化, pre-equalization) 필터 처리를 실시함으로써 해결했다. 변조신호에 대해서는 나이퀴스트 필터(Nyquist Filter) 처리를 실시하여 여분의 성분을 제거한 결과, [그림 2](a)에서와 같이 4.1GHz라는 매우 좁은 스펙트럼 신호를 생성하는 데 성공했다. 이러한 기술들에 의해 150km의 광섬유 전송 이후 [그림 2](b)에서와 같이 512개의 심벌이 명료하게 분리된 양호한 수신신호가 얻어지고 있다.

고밀도 다중의 실현에 있어서는 광직교 주파수 분할 다중(OFDM) 기술도 유효하다. OFDM 기술은 직교하는 복수의 서브캐리어에 의해 그 간격들을 좁혀 스펙트럼폭이 좁은 신호를 생성하는 기술이며, 다치 변복조 방식과 조합하여 사용되는 경우가 많다. 100Tbps 전송에서는 128-QAM을 이용한 OFDM 신호가 이용되었다.

디지털 코히런트 광수신 기술
빛의 진폭과 위상을 이용하는 다치신호를 수신하는 방식의 디지털 코히런트 기술에 관한 연구개발이 왕성하게 진행되고 있다. 위상신호를 수신하는 코히런트 기술은 1980년대부터 연구가 진행돼 오고 있으며, [그림 3]에서와 같이 신호광(信號光)과 수신기 광원(국부발진기 광원)을 간섭시켜 위상정보를 광강도로 변환해 검파한다. 이때 수신 시의 신호광과 국부발진기 광원 사이의 위상변이를 억제하기 위해 빛의 위상동기(位相同期)가 필요한데 디지털 코히런트 기술에 의해 검출신호를 디지털화하여 신호처리함으로써 안정적인 위상동기가 실현되고 있다. 그 결과, 다치신호의 안정적인 수신이 가능해져 대용량 광전송 기술이 크게 발전하게 되었다.

디지털 코히런트 수신에서는 대용량의 고속 디지털 신호처리가 과제가 된다. 그 처리량은 100Gbps급 신호를 수신하여 매초 테라비트급이 된다. 이러한 대규모 신호처리방식에 관한 연구개발에서는 오프라인 처리기술이라고 하는 평가기술이 이용된다. 이것은 샘플링 출력을 메모리에 축적하여 그것을 PC상의 소프트웨어로 신호처리하는 것으로, 다양한 처리방식의 비교가 가능하다. 단, 메모리에 의한 데이터 축적량은 유한하기 때문에 장시간의 신호를 취득·평가할 수 없다는 점이 과제가 되고 있다.
이를 해결하기 위해 FPGA(Field Programmable Gate Array)상에 신호처리 회로를 구현하여 평가를 실시하는 연구가 진행되고 있다. FPGA는 회로를 다시 새겨 넣을 수 있기 때문에 갖가지 방식에 대해 장시간 동작특성을 평가할 수 있다. [그림 4]에 보이는 FPGA 기반의 디지털 신호처리 시스템을 이용하여 100Gbps 신호의 실시간 수신이 이미 실현되고 있으며, 1000km 전송의 장시간 특성 등 유용한 평가결과가 나타나고 있다. 그러나 향후 더욱 증대되는 대용량화에 FPGA를 이용한 평가를 적용하기 위해서는 보다 대규모 신호처리의 효율화가 요구된다.

멀티코어 다중전송과 멀티모드 전송

멀티코어 광섬유 및 멀티모드 광섬유를 이용한 대용량화에 대한 검토가 활발히 이루어지고 있다. 기존의 싱글코어·싱글모드 광섬유에 입력 가능한 광파워의 상한을 극복하는 방식으로 효과적이기 때문에 전송로 기술의 선행연구에 이어 전송기술의 연구가 시작되고 있다.멀티코어 광섬유를 이용한 전송에서는 7코어 광섬유를 이용한 16.8km의 전송실험이 보고되었다. WDM 신호(172Tbps-QPSK 신호 97파장 다중)를 7개의 코어를 이용해 전송시킴으로써 총 용량 109Tbps의 전송이 달성되었다. 멀티코어 광섬유 전송에서는 코어 간의 신호간섭이 있는 경우 전송신호의 특성열화가 발생할 우려가 있지만, 이 실험에서는 간섭을 억제한 멀티코어 광섬유를 이용하여 그 영향을 억제하는 데 성공했다.한편, 멀티모드 광섬유의 공간모드를 활용한 다중전송도 진전을 보이고 있다. 많은 보고를 통해 2~3개의 전파모드를 갖게 한 few mode fiber로의 전송이 이루어지고 있으며, 타 모드로의 다중분리(多重分離), 빛에 의한 분리불완전으로 생기는 간섭을 제거하기 위한 기술 등이 검토되고 있다. 전송거리는 현재 10km 전후가 많지만, 향후 디바이스 및 수신기술의 발달에 의한 장거리화 및 대용량화가 실현될 것으로 전망된다.