이 원고는 일본 《電氣評論》誌에서 번역 전재한 것입니다.광통신 기술의 동향화이버를 전달매체로 하는 광통신은 광화이버의 저손실화 및 레이저 다이오드(LD)의 실온 연속발진에 성공하면서 1980년대에 시작됐다.광화이버는 동 축 케이블에 비해 훨씬 저손실(0.2dB/㎞), 광대역이였기 때문에 중계계의 네트워크를 중심으로 급속하게 보급됐다. <그림1>에 광 네트워크에 하나의 회선에 해당하는 용량의 진전을 묶는다. 당초 전송용량을 증가시키기 위해 시분할 다중(TDM)방식을 이용했다. TDM에서는 시간을 세밀하게 나누어 상호 복수의 신호를 실음으로써 다중화하는 방식이다. 현재 TDM에서는 2.5Gb/s부터 10Gb/s가 주류를 이루고 있고 40Gb/s도 도입을 계획 중에 있다. 또 1995년경 개발된 파장다중(WDM)은 북미에서 IP트래픽의 급증에 대처하기 위해 장거리계 네트워크를 급속하게 도입했다. WDM에서는 각기 다른 파장의 광 신호를 합분파 필터로 묶어 하나의 회선 광 화이버로 전송하고 파장다중분만 전송용량의 확대를 가능하게 하고 있다. 게다가 현재 IP트래픽은 예상을 뛰어넘는 기세로 증가되고 있으며 WDM은 장거리중계에서 링 네트워크의 시내망으로 확대되고 있다. 액세스에서는 최근 인터넷의 폭발적인 보급과 함께 광화(Fiber to the home, FTTH)의 파장이 착실하게 확대되고 있다. 1유저가 각 가정에서 100Mbit/s의 정보량을 사용하는 것이 당연하다는 상황을 생각하면 광 화이버로 국(局)과 유저를 연결하는 FTTH는 대역제한이 없고 또한 거리에 따라 전송속도도 변하는 경우가 없기 때문에 네트워크의 기본 인프라로서 가장 적합하다. 향후 Gbit/s 보다 그 이상의 정보량을 1유저가 취급하게 되는 것은 먼 장래의 일이 아니다.이와 같이 광통신 시스템을 구성하기 위해서는 광 화이버와 LD라는 획기적인 디바이스의 발명에서 발단한다. 더욱이 WDM, TDM, FTTH와 같은 각 종 시스템 구축에는 그 이외에 이제까지 없던 새로운 각종 필터의 광 부품, 및 고속 전자회로 부품의 개발이 필요했다. 여기서는 각 시스템을 이에 이용되는 광 디바이스를 중심으로 개설한다. 또 장래 네트워크에 관해서도 간단하게 소개한다.TDM송신할 다채널의 전기신호는 우선 송신 측의 전자회로에서 고속 전기신호로 다중화되고 다음으로 광원과 광변조기를 연결해 광의 고속신호로 변환해 전송된다. 수신측에서 고속의 광신호는 수광기에 의해 고속의 전기신호로 변환되고 이어지는 전자회로에서 다채널의 저속전기신호로 분리된다. TDM광통신에서는 하나의 파장에 고속의 광 신호를 실어 전송하기 때문에 이용되는 디바이스 레이저, 광변조기, 수광기(포드 다이오드), 및 전자회로에 대해서는 고속으로 동작하는 능력이 필요하다. 이제까지 TDM 광통신 시스템으로는 10Gbit/s의 전송속도 시스템이 실용화되고 있다. 또 현재는 40Gbit/s로 동작하는 디바이스가 실용화되는 레벨까지 올라있고 40Gbit/s의 TDM 광통신 시스템 구축을 가능하게 하고 있다.광원인 레이저로는 보통 단색성에 뛰어난 분포귀환형(DFB) 반도체 레이저 등이 이용된다. 고속성에 뛰어난 광변조기로는 이제까지 유전체인 LiNbO3의 전기광학효과를 이용한 간섭계형 광변조기와 반도체의 전계흡수효과를 이용한 전계흡수형(EA) 광변조기가 개발됐다. 광원과 광변조기에 대해서는 동작의 고속성과 더불어 소형이면서 저소비 전력이 요구된다. 이들 과제를 만족할 광원·광변조기로서 DFB레이저와 EA광변조기를 동일반도체 기판 위에 집적한 변조기 집적광원의 개발을 추진하고 있다<그림2>. EA변조기에 대해 광도파로와 병주하는 전극구조를 연구함으로써 40Gb/s라는 고속변조가 가능하게 된다. 또 수광기인 포드 다이오드(PD)에 대해서는 고속 광 신호를 열화 시키지 않고 고출력 전기신호로 변환하는 기능이 요구된다.TDM광통신에 있어서는 광변조기를 초고속으로 구동하는 전자회로나 수광 후의 초고속 전기 신호를 식별, 재생하고 저속 신호로 분리하기 위해 전자회로가 불가결하다. 최근은 반도체 재료인 InP를 토대로 한 초고속 전자회로의 연구개발이 진행되고 있으며 이제까지 40Gbit/s 이상으로 동작하는 IC의 발전에 성공했다.WDMWDM광통신이란 파장이 각기 다른 빛에 각각 다른 신호를 싣고 이들 광 신호를 하나의 광 화이버로 전송함으로써 대용량 통신을 가능하게 하는 방법이다. 그 구성을 <그림3>에 나타낸다. WDM에서는 국제전기통신연합(ITU)에서 표준화된 1550㎚ 근방의 주파수 그리드(ITU-Grid)에 맞춰서 각 채널이 설정된다. WDM시스템에서는 파장이 각기 다른 빛을 합파하는 광합파기와 분리해서 추출하는 광분파기 등의 광파 디바이스가 상당히 중요하다. 또 넓은 파장대역에서 WDM광 신호를 증폭할 수 있는 광대역 광증폭기도 중요하다.1. 마이크로 옵틱스형 합분파기WDM에서 가장 중요하고 널리 사용되고 있는 합분파기 중 하나는 DWDM용 간섭막 필터를 이용한 것이다. 유전체 다층막 필터(TFF)는 고 굴절율과 저 굴절율의 유전체 박막을 번갈아 쌓아놓은 구조를 이루고 있으며 층계면에서 다중반사로 인해 원하는 필터링 특성을 얻는 것이다. 파장을 λ으로 하면 각 층의 두께는 λ/4이며, 고·저 굴절율의 페어(1주기)의 두께가 λ/2가 되므로 층계면에서의 반사광이 같은 모양으로 가산되어 결과적으로 밀러(mirror)가 된다. 이러한 λ/4의 다층막 밀러를 λ/2 두께의 공간 층을 끼워 2개로 맞대면 평탄한 두 장의 유리판을 평행하게 배치한 단순한 패브리 패로 구조가 되어 공진파장만을 투과하는 특성이 실현된다. WDM에서 요구하는 저손실과 직사각형의 스펙트럼 형상을 얻기 위해서는 적층구조를 3에서 4단 겹친 구성(복합 패브리 패로구조)으로 한다. 그러기 위해서는 박막 수는 총 200층 가까이 필요한 경우가 많다. 또 WDM용으로는 협대역이면서 0.1㎚정도의 파장정밀도가 바람직하기에 굴절율 및 막 두께(정확하게는 양자의 적 광학장)로 일 만분의 일 이하의 정밀도가 요구되어 제조가 어려웠지만 최근 수요급증에 따라 제조기술이 비약적으로 진보하고 있다. TFF의 특징으로 ①투과영역의 평탄한 정도가 높은데다 차단영역의 소광 정도가 높은 직사각형에 가까운 스펙트럼을 갖는다, ②투과영역의 손실이 적고, ③온도 의존성이 적으며, ④편파 의존성이 적다는 점 등, 광학특성으로 아주 뛰어나다. 그러나 TFF를 다파장 합분파기로 이용하려면 <그림4>에 보이듯이 파장 수에 맞춰 필터와 렌즈를 조합시키지 않으면 안 되며 소형화, 비용절감, 양산성 향상이 앞으로의 과제로 남아있다.2. AWGWDM에서 파장수가 많아지면 합분파기로서 어레이 도파로 그레이팅(AWG)이 이용된다. AWG의 구성을 <그림5>에 나타낸다. AWG는 입출력 도파로, 길이가 서로 다른 다수의 도파로에서 만들어지는 어레이 도파로, 및 2개의 슬래브 도파로에서 구성된다. AWG에서는 입력 포트에서 다수의 파장( λ1, λ2,…, λn)을 입사하면 각 출력 포트에서 파장 λ1을 개별적으로 추출할 수 있으며 WDM용 합분파기로 이용된다.AWG는 PLC기술을 이용해 작성된다. PLC는 Si기판 위에 구성된 SiO2를 주성분으로 하는 광도파로에서 만들어지며, 물리적, 화학적으로 안정적이고 광 화이버와 정합이 좋다는 이점을 갖고 있다. PLC의 제작방법으로 광 화이버 제작방법을 응용한 화염퇴적법(FHD)과 LSI제작에 이용되는 반응성 이온 엣칭(RIE)을 조합한 방법이 있다. FHD법에 따라 Si기판에 하부 클래드층과 코어층을 쌓는다. 코어층에는 GeO2를 도프도료해서 굴절율을 높인다. 코어막 형성 후, 포토리소그라피와 RIE를 이용해 원하는 도파로 형태를 정밀하게 가공하고 재차 FHD법을 이용해 상부 클래드로 코어부를 덮어 매입형 단일모드 도파로를 구성한다. 이와 같이 제작된 PLC에서는 도파로 전반손실로서 0.3dB/m라는 아주 뛰어난 특성을 얻고 있다. PLC제작으로 제작된 100GHz 간격 32채널 AWG에서는 저손실, 저 크로스 토크 등 양호한 광학특성을 얻을 수 있다. 또 전 채널 모두 거의 동일한 특성을 지녀 AWG의 이점인 고정밀도의 파장 맞추기, 저손실 등 양호한 특성이 다 채널화가 되어도 유지된다. 3. 광증폭기광증폭기는 광 화이버의 손실보상에 이용되며 광 네트워크에 필수인데 특히 일괄 증폭이 가능한 WDM에서는 그 비용효과가 크다. 통상 이용되는 Er첨가 광 화이버 증폭기(Er-doped fiber amplifier : EDFA)의 구성을 <그림6>에 나타낸다. 증폭용 이득매체가 Er첨가 화이버이며 Er은 1.55㎛대에서 3준위계의 천이를 지니고 있다. EDFA의 광 증폭 원리는 레이저와 동일하며 반전분포에서 유도 방출된다. 여기광으로는 0.98 또는 1.48㎛의 반도체 레이저가 이용된다. 여기광은 WDM 커플러로 신호광과 합파되어 수십m의 광 화이버로 들어간다. 반사로 인한 레이저 발진을 방지하기 위해 아이소레이터(Isolater)가 필요하다. 일반적으로 30dB이상의 이득과 20dBm 정도의 출력을 얻을 수 있다. EDFA는 고이득, 고출력, 광대역, 저잡음, 편파 무의존 등 뛰어난 특징을 갖고 있으며 널리 이용되고 있다.FTTH각 가정까지 광화(Fiber to the home, FTTH)를 실현하는 광 액세스 네트워크 시스템으로서 크게 나눠 싱글 스타(SS) 방식, 수동 광통신망(PON) 방식의 2종류가 있다. SS방식은 국과 유저를 하나의 화이버로 연결하는 단순한 구성이며 LAN 등에서 사용되었던 전기·빛의 변환을 실행하는 미디어 컨버터(MC) 등이 이용된다. 본 방식은 유저 수에 관계없이 네트워크를 구축할 수 있다. 그렇지만 유저가 증가하면 국장치(MC)의 수가 증가하고 공간 절약화, 효율적인 관리가 과제로 남는다. 한편 <그림7>에 나타냈듯이 PON방식은 하나의 국장치(OLT)와 복수의 유저장치(ONU)를 스프리터를 끼워 연결하는 것으로 화이버 본 수의 삭감, 국장치의 공유로써 경제화를 꾀하고 있다. 이러한 방식은 국장치의 집약화가 가능해져 유저 수 증대에 대응할 수 있다. 단 다중화 기술을 요하며 또 국으로의 상향 신호로서 버스트 신호를 이용하기 때문에 유저에서의 버스트 송신기술, 국에서의 버스트 수신기술이 필수다. 양측 모두 현재 1Gbit/s급의 서비스를 행하고 있으며 장래 한층 진보된 고속화가 예상된다. 또한 스플리터로는 <그림8>에 나타냈듯이 소형, 고안정적인 PLC형이 일반적으로 이용되고 있다.ONU의 키 디바이스인 광 트랜시버의 구성을 <그림9>에 나타낸다. 각 가정에 도입되는 하나의 화이버로 상하 신호를 보내기 위해 1.3/1.55㎛대를 합분파하는 WDM필터, LD. PD로 구성된다. 이와 같이 광 트랜시버는 현재는 미소한 렌즈를 이용한 마이크로 옵틱스형이 주류를 이루고 있다. 최근 10Gbit/s 이서네트가 규격화되면서 LAN 백본과 메트로/액세스에서 10Gbit/s 광 트랜시버 혹은 트랜스 폰더를 적용하는 기운도 높아지고 있다. 액세스 네트워크 구축에 있어서 중요한 포인트는 경제화이며 국, 유저로 이용되는 광 모듈의 저비용화는 필수가 되고 있다.장래동향광통신 네트워크에서는 WDM과 TDM 양자로 인한 대용량화와 더불어 장해 시 복구 등을 포함한 네트워크의 운용을 전기적으로 처리하는 일이 기술적으로도 비용적으로도 어려워지고 있다. 그래서 앞으로는 <그림10>에서 보듯이 point-to-point의 WDM에서 각 교점(노드)으로 전기처리가 개재하지 않고 빛 그대로 신호처리를 실시하는 것이 바람직하게 되었다. 이 경우 각 노드에서는 특정 파장을 자유롭게 추출(드롭)하고, 또 신호를 실어 송출(아드)하는 (OADM) 시스템, 및 빛 그대로 루팅할 수 있는 광 크로스커넥트(OXC) 시스템이 필요하다고 보고 있다. 그 때 OADM, OXC에서는 광 스위치가 키 부품이 된다. 이하, 광 스위치의 구성 예를 소개한다.1. PLC형 광 스위치광 스위치도 PLC를 이용해 구성가능하다. PLC형 광 스위치(PLC-SW)로는 열광학(TO) 효과에 따른 MZI형 스위치가 개발되고 있다. <그림11>에서 보이듯이 PLC-SW는 금속 히터를 가진 MZI 구조에서 이루어진다. 히터는 도파로 형성 후, 클래드 표면에 증착함으로써 형성된다.MZI에서는 양 팔의 위상차(광로장 L과 굴절율 차 △n의 적)=0에서는 크로스 포트로 출력되고 위상차= λ/2 (λ:파장)에서는 스루포트로 출력된다. 석영 계 유리의 굴절율은 온도 상승에 따라 증가하기 때문에 금속 히터의 가열에 따라 코어에 λ/2의 위상차에 상당하는 굴절율 변화를 유기하고 스위칭 동작을 실현한다. 응답속도는 약 2ms 정도이며 통상의 통신시스템에서는 충분한 값이다.PLC의 고집적성을 이용해 <그림11>의 PLC-SW 기본 유닛을 조합시킴으로써 ROADM용 및 소규모 OXC용 광 스위치를 구성할 수 있다. 특히 소규모 OXC에 필요한 논 블로킹(Non-blocking)형 NxN매트릭스 스위치로는 지금까지 16x16까지가 연구레벨로 시작되고 있다. 16x16 PLC-SW는 16단 스위치 단계에서 구성되며 16입력이 자유롭게 16출력으로 출력이 가능하게 구성되어 있다. 각 스위치 단계에서는 16x2의 MZI가 포함되어 칩 전체에서는 512개의 MZI라는 꽤 고밀도의 집적화가 이루어지고 있다. NxN 논 블로킹형 광 스위치는 소형, 저삽입 손실, 고소광비, 넓은 파장 범위를 얻을 수 있으며 OXC에 대한 적용이 기대된다.2. MEMS형 광 스위치장래 포토닉 네트워크에 필요한 대규모 광 스위치를 구성하는 방법으로 3차원의 MEMS를 이용한 방법이 제안되고 있다. 이 방법에서는 NxN의 대규모 광 스위치를 구성할 경우 구성요소 수가 N개의 오더가 되며, 2차원 평면형 광 스위치인 경우 N2의 오더에 비해 큰 폭으로 줄일 수 있다. 3차원 공간 광학 스위치의 기본적인 구성방법을 <그림12>에 나타낸다. 스위치 기능은 2축의 광로제어용 밀러로 표현되며 밀러는 MEMS 기술을 이용해 평면기판 위에 2차원으로 배치·제작된다. MEMS밀러의 2축 제어는 밀러 뒷면에 형성된 전극을 통해 정전력에 따라 행해진다. <그림12>의 삽입도에 MEMS형 3차원 밀러의 사진을 나타낸다. 금박막이 증착된 원형의 밀러가 2축으로 가동되고 있으며 2㎜간격으로 배치된다. 이 밀러는 진공 프로세스인 경우 Si의 심구가공기술 등을 구사해 제작된다. 입출력 화이버도 2차원적으로 고정되며 화이버 단면에 콜리메이트용의 2차원 마이크로 렌즈 어레이가 설치된다. MEMS형으로 100x100포트 이상의 광 스위치가 시작되고 있고 채널 당 비용이 적은 대규모 광 스위치가 기대된다.상기에서 소개했듯이 광통신 네트워크에 대한 대용량화, 고기능화를 목적으로 지금까지 각종 광 디바이스가 개발되고 있다. 하지만 광 디바이스의 대부분은 아직 단일 기능이며 실제로 시스템에서 사용하는 경워에는 복수의 광 디바이스가 보드 상에 탑재되어 광 화이버로 접속된다.예를 들면 메트로계의 링 네트워크를 대상으로 한 OADM 광회로는 광합분파 필터와 광 스위치를 조합해 구성할 수 있지만 이제까지는 그것들을 개별적으로 보드 상에 탑재하고 있었다. 이 구성은 화이버 처리가 번잡하고, 조립비용의 증대, 보드크기의 대형화를 낳고 있어 저비용의 광 시스템 구축이 힘들어졌다.그래서 2개의 AWG와 PLG-SW를 하나의 Si 기판에 집적하고 소형, 고기능의 광 집적형 OADM회로가 개발되고 있다. 향후 광 디바이스의 기능향상과 저비용화를 추진해 광 통신 네트워크 구축에 기여할 수 있기를 기대한다.