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1 초청논문 Korean Journal of Optics and Photonics, Volume 24, Number 6, December 2013 DOI: Optical Components for High Speed Optical Communications Yongsoon Baek Optical Internet Components Research Team, Electronics and Telecommunication Research Institute, Daejeon , Korea (Received November 26, 2013; Accepted December 5, 2013) With the explosive growth of internet data traffic due to the FTTH penetration, prevalence of smart devices and cloud network service, the demand for higher bandwidth is ever increasing with the pace of more than 40% annual growth. To accommodate ultra high bandwidth traffic, optical components in each hierarchy have progressed rapidly. WDM has begun to be deployed along with higher bandwidth service in the access network. Next-generation ROADM is under development for efficient network management in the metro network. For long-haul transmission, an advanced modulation scheme based on coherent transmission technology has been adopted to enhance spectral efficiency. In this paper, core components to meet the demands of high speed, high efficiency and low power consumption will be reviewed. Keywords: Optical communications, Optical components, Coherent communications OCIS codes: ( ) Fiber optics components; ( ) Fiber optics sources and detectors; ( ) Coherent communications 대용량광통신부품기술동향 백용순 한국전자통신연구원광인터넷부품연구실우 대전시유성구가정로 218 번지 (2013 년 11 월 26 일받음, 2013 년 12 월 5 일게재확정 ) 스마트기기, 클라우드서비스, 광가입자망등의보급에따른멀티미디어기반의대용량인터넷트래픽의급속한증가로통신수요는연 40% 이상씩증가하고있다. 이러한대역폭증가를수용하기위해서광통신용광부품의진화도각계층별로빠르게진행되고있다. 가입자망에서는변조속도증가와더불어파장다중방식의도입이시작되고있고, 매트로망에서는보다효율적인망운용을위해차세대 ROADM 에대한개발이진행중이며, 장거리통신에서는코히어런트통신기반의새로운변조방식이도입되어스팩트럼효율을향상시키고있다. 본논문에서는이러한폭발적인통신대역폭증가요구에따른광통신망의진화와이를수용하기위한고속화, 효율화, 저전력화로발전하고있는핵심광부품에대해살펴본다. Keywords: 광통신, 광통신부품, 코히어런트통신 OCIS codes: ( ) Fiber optics components; ( ) Fiber optics sources and detectors; ( ) Coherent communications I. 서론 1990년대인터넷의보급으로시작된통신수요의급속한증가는 2000년대초반통신시장의거품이꺼지면서광통신시장의위축을불러왔지만이후에도통신수요는지속적으로증가해왔고근래에들어서는광가입자망의포설과스마트기기, 클라우드서비스등의보급에따라대용량통신수요는폭발적인증가세를보이고있고향후에도지속될것으 로예측되고있다. 1960년대에개발된반도체레이저와 1970 년대에개발된저손실광섬유를기반으로 1980년대부터본격적인광통신시대가개막되었고 1990년대에는광섬유광증폭기의발전과파장다중분할 (WDM: Wavelength Division Multiplexing) 방식의도입으로그림 1에서보듯이광통신용량은현재까지수십만배가넘는놀라운증가를지속하고있다. 광통신은시간다중분할 (TDM: Time Division Multiplexing) 방식을이용하며여러신호를시간축에서조합하며변조속 yongb@etri.re.kr Color versions of one or more of the figures in this paper are available online. 297

2 298 한국광학회지제 24 권제 6 호, 2013 년 12 월 FIG. 1. Progress in optical network. 도증가를통해전송속도를늘려왔으며 90년대들어여기에서로다른파장간에간섭이없는광의성질을이용한파장다중분할 (WDM: Wavelength Division Multiplexing) 방식을병행하여하나의광섬유를통해여러개의파장을함께전송하는방법으로전송용량을크게늘렸다. 하지만근래에들어폭발적으로늘어나는통신수요의증가는지금까지는거의무한대처럼보이던광섬유의대역폭이 2020년경에는한계에도달할것으로예측되어광통신방식의근본적인변화를요구하는단계에다다르고있다. [1] 이는광통신대역폭증가를위한물리적인변조속도의증가는전자소자의속도증가포화현상및발열등의문제로한계점에다다르고있고장거리전송에필요한광섬유증폭기의사용이가능한파장대역도고정된파장규격을갖는기존통신방식에서는거의소진되어새로운전송방식이필요하기때문이다. 이로인해 40 Gbps 이상의초고속장거리통신에는기존심볼당 1비트를전송하는광세기변조방식 (OOK: On-Off Key) 에서위상및멀티레벨변조를이용하는진보된변조방식을도입하여심볼당여러비트의신호전송을통해스팩트럼사용효율을높이는방식이도입되고있다. [2] 한편광통신은전송용량이크고손실이작으며상대적으로고가인특성때문에초기에는장거리통신에만사용되었다. 그러나통신용량의증가에따라그적용범위를넓혀, 보다짧은거리의도시간을연결하는통신에활용되기시작했고 2000년대중반부터는마침내개별가입자에게까지광통신이보급되는시대를맞이하게되었다. 이와같이장거리전송에서, 도시간통신, 가입자망까지적용범위를확대함에따라광통신망은자연스럽게계층구조를가지게되었고각계층별로다른요구사항에따라발전해왔으며그계층구도는그림 2와같다. 주로대륙간을연결하는장거리전송 (Long haul) 의경우전송거리가수천 km에이르며, 도시간을연결하는매트로망의경우수백에서천 km 정도를거리를담당하며, 가입자망의경우현재는최대 20~30 km 정도의거리를포함한다. 각계층별로통신거리뿐아니라통신방식, 그리고통신속도등각각다른요구사항을가지므로이에따라최적화된광부품이개발되고있다. 또한최근급격히늘어나고있는 FIG. 2. Schematic diagram of optical network hierarchy. 대용량데이터를효율적으로처리하고공급하기위한대규모데이터센터의건설로데이터센터내또는데이터센터사이의대용량통신에도광통신이사용되기시작했다. 이러한광가입자망의보급과데이터센터의광통신수요는전에없던많은양의광부품수요를발생시켜기존고품질, 고가격의광부품시대에서저가격, 소형, 저전력소모의광부품개발이핵심요구사항으로등장하고있다. 한발더나아가데이터처리속도의증가에따라초단거리보드레벨통신에까지구리선통신대신광인터커넥션을도입하는연구가진행되고있으며컴퓨터의 CPU와메모리사이의통신도광으로연결하는시대가도래할것으로예측되고있다. 이러한급속한환경변화에따라광통신부품은통신속도, 거리및적용대상에따라최적화된구조로발전하고있으며이와함께저가화, 소형화, 저전력화를구현하는방향으로발전하고있다. 본논문에서는광통신계층구조에따라광가입자망, 매트로망, 장거리통신용광부품으로구분하여망의특징과핵심광부품에대해살펴본다. II. 가입자망용광부품기술 1990년대인터넷의보급으로광대역가입자망통신수요가시작되었다. 초기에는구리선을이용한서비스가제공되었으나전송거리및대역폭의제한으로광가입자망의보급이 2000년대에들어본격적으로이루어지기시작했다. 우리나라의광대역가입자서비스는보급률및제공되는통신속도면에서세계최고수준을자랑하고있으며한걸음더나아가방송통신위원회의 미래를대비한인터넷발전계획 ( ) 에의하면향후에도유선가입자망은 UHDTV, 홀로그램, 가상현실등비디오콘텐츠중심의트래픽에의해

3 초청논문 대용량광통신부품기술동향 백용순 299 FIG. 3. Schematic configuration of TDM-PON, WDM-PON. 2020년에는최대 4 Gbps의대역폭이소요될것으로예측되어지속적인투자가진행될것으로전망된다. 광가입자망의가장큰특징은앞서언급한바와같이기존통신망구축과는비교할수없는대규모광통신부품수요에있다. 또한가입자망은주로전화국과가입자간의연결로점대다점 (point-to-multi point) 연결성격을가지고있다. 따라서광가입자망의구성방식은이러한상황을반영하여대부분수동가입자망 (PON: Passive Optical Network) 으로구성되고있다. 수동가입자망이란전화국에서가입자근처까지는단일광섬유를활용하고원격지 (Remote node) 에서각가입자로는수동분배기를이용하여분기한뒤개별광섬유를통해전달되는방식을취한다. 이로인해수동가입자망은광섬유의효율적사용은물론원격지에전기를필요로하지않기때문에유지비용이적게드는장점을가지고있다. 이러한수동가입자망은그림 3과같이다시시간분할방식과파장분할방식으로구별된다. 시간분할방식수동가입자망 (TDM-PON: Time Division Multiplexing-Passive Optical Network) 의경우가입자로의하향신호는수동광파워분배기로나뉘어브로드캐스팅되는방식을취한다. 상향신호의경우각가입자별로할당된시간영역에서상향통신을전송한다. 이러한 TDM-PON의경우전화국에서하나의광송수신기로많은수의가입자를수용할수있고가입자의사용상태에따라대역폭할당을유연하게할수있는장점이있으나사용자수가늘어날경우대역폭이줄어들고하향신호가모든가입자에게분배되기때문에보안상의취약점을가지고있다. 파장분할방식수동가입자망 (WDM-PON: Wavelength Division Multiplexing-Passive Optical Network) 의경우서로다른파장의 WDM 채널신호를원격지에서배열도파로회절격자 (AWG: Arrayed Waveguide Grating) 를이용하여각가입자별로파장분기를통하여통신하는방식을취한다. WDM- PON은각가입자별로별개의파장으로통신하기때문에실제로는점대점방식의통신을취하게되어가입자가광송수신기가가지는최대대역폭의사용이가능하며보안측면에서우수한장점이있다. 하지만각가입자별로다른종류의파장을가진광원을준비해야하므로비용이상승하는단점이있다. 현재비용적인이점으로대부분의광가입자망이 TDM-PON 방식으로구성되어있다. 광가입자망의표준화는 ITU-T, IEEE 등국제표준화기구에서이루어지고있으며전송프로토콜에따라 GPON (Gigabit Passive Optical Network), EPON(Ethernet Passive Optical Network) 등으로나뉘어 TDM-PON의표준화가진행되었으며가입자망의대역폭증가에따라 WDM-PON의표준화도시작되어현재활발히진행중이다. EPON의경우 한국, 일본, 중국등에서많이포설되어있으며 GPON은미국, 유럽등에서주로사용된다. 현재 EPON은 1Gbps 통신이, GPON은 2.5Gbps 통신이이루어지고있으며양쪽기술모두 10Gbps로통신속도를업그레이드하기위한광소자및기타부품개발이거의완료되어있는상황이다. TDM- PON에서사용되는광부품의경우프로토콜에관계없이동작파장과동작속도가가장중요한파라메터가된다. 핵심광부품으로는직접변조형 DFB(Distributed Feedback) 레이저, PIN-PD, 광분배기등이있고 10Gbps 가입자망의경우변조속도향상에따른전송거리확보를위해전계흡수형변조기집적 DFB 레이저 (EML: Electro-absorption Modulator integrated Laser) 가광송신기에적용되고있으며광수신기의경우수신감도향상을위한아발란치광검출기 (APD: Avalanche Photo Diode) 등이사용된다. 광가입자망의경우송신, 수신에서로다른광섬유를사용하는기존광통신망과는다르게하나의광섬유를통한양방향통신방식을택하고있어상향, 하향신호가각각다른파장을가진다. 이러한이유로상하향파장을분리하는파장필터와이를포함하는효율적인패키징기술이중요하다. 경우에따라 CATV용파장신호가더해지거나 10G 가입자망이동시에적용될경우 3가지파장을수용해야하는 Triplexer가구성된다. 가장보편적으로 TO 캔을이용한패키지방식이주고사용되고있다. 하이브리드또는모노리식집적형구도도연구, 개발이이루어져일부광부품업체를통해상용화가되었으나상대적으로높은비용으로점유율이낮은편이다. 그림 4 는 10G-EPON용으로개발된 TO 방식의 OLT(Optical Line Terminal) 용 Triplexer TOSA를나타내고있다. 하향송신부는서로다른파장을갖는 1.25 Gbps와 10 Gbp의신호를송신할수있는 TO 캔송신기 2개와상향신호를수신하는 TO 캔수신기로구성되어있으며 2개의박막필터를이용하여파장을분리하는방식을취한다. 그림 4 는이를적용한 10G-EPON용 XFP 트랜시버를나타낸다. WDM-PON의경우가입자수만큼서로다른파장의광원이필요하기때문에설치및유지비용이상대적으로높다.

4 300 한국광학회지제 24 권제 6 호, 2013 년 12 월 FIG. 4. Schematic diagram of triplexer TOSA, Photograph of a 10G-EPON XFP transceiver. 이러한문제점을해결하기위해저가의파장무의존 (Colorless) 광원개발에대한연구가활발히진행되고있다. 대표적인방법으로는외부씨앗광원 (Seed light) 을주입하는방식인데비교적저가인 FP-LD나반사형광증폭기 (RSOA: Reflective Semiconductor Optical Amplifier) 에씨앗광원을주입하는방식이개발되어상용화되었으나여전히비용문제로보급은저조한편이다. 씨앗광원주입기반의 WDM-PON 방식은파장을제어하는장치가별도로필요하지않는장점을가지나외부광원이별도로필요하며 FP-LD나 RSOA의변조대역폭에제한이있어주로 2.5 Gbps 이하의 WDM-PON에활용된다. [3, 4] 10 Gbps 이상의 WDM-PON 구축을위해서광신호를증폭하는 SOA와신호변조를위한흡수전계형변조기 [5, 6] 가단일집적된 REAM-SOA에대한연구가진행중이다. 또다른 WDM-PON 구현방식은파장가변형광원을사용하는방식으로이경우는독립적인광원구성으로단순한구조로시스템구성이가능하나파장가변광원의저가화가관건이다. 최근에는폴리머도파로기반의저가형직접변조파장가변광원을이용한 WDM-PON이 2.5 Gbps급까지개발되 [7, 8, 9] 었고 10Gbps에대한연구가진행중이다. WDM-PON의경우국내기술이세계적으로선도적인위치에있으며다양한기술들이개발되었다. 그림 5 는 10 Gbps용 REAM-SOA로, 20 km이상전송이가능하며전송속도와전송거리를늘리기위한연구가진행중이다. 그림 5 는 2.5 Gbps 동작속도를갖는폴리머회절격자기반의외부- 공진형 (ECL: External Cavity Laser) 파장가변광원을나타낸것이다. 폴리머의높은열광학계수를이용하여회절격자부분에형성된히터에전류주입을통한작은온도변화 FIG. 5. Photograph of REAM-SOA, Schematic diagram of tunable PLC-ECL. 로도넓은범위의파장이동이가능하다는장점이있다. 현재 2.5 Gbps의동작속도를갖는트랜시버가이를기반으로상용화진행중에있으며 10 Gbps 변조가능한저가형파장가변광원에대한연구도진행중에있다. WDM-PON은가격경쟁력측면에서어려움을가지고있으나가입자망의대역폭요구가지속적으로증가함에따라적용가능성이점차높아지고있으며가격경쟁력확보를위한저가형광원개발을통해그도입시기를당기려는노력이진행중이다. WDM-PON에서는원격지에서각가입자로의파장분기가필요하며이를위해 AWG가사용되는데실외의열악한환 경에서도사용가능한온도무의존형 AWG가필요하다. 일반적으로 AWG는온도에따라중심파장이변하는데온도무의존형 AWG는온도변화에따른파장변화를보상하기위해입력부위치를온도에따라자동으로조정하는기계적인장치를이용하는방법과광경로상에홈을만들어실리카와반대의열광학특성을갖는실리콘레진을채워보상하는방법이가장많이사용되고있다. [10] 가입자망에대한지속적인대역폭증가전망에따라 ITU- T에서는차세대광가입자망기술 (NG-PON2) 에대한표준화작업을진행하고있으며이를위해각국의통신사업자의요구사항을조사하고, 이를만족할수있는광가입자망기술들에대해검토하였다. NG-PON2의주요요구사항을살펴보면총전송용량 40 G, 가입자당 1.25 Gbps, 전송거리 40 km, 수용가입자수 64가입자이상수용등으로이러한요구사항을만족하는기술로 TWDM-PON, WDM-PON, OFDM-PON 및하이브리드 PON 등이후보기술로제안되었고 2012년초 TWDM-PON이채택되었다. [11] TWDM-PON은기존 TDM-PON에서파장수를확대한개념으로초기 WDM 4채널을채택하고있으며 WDM-PON과

5 초청논문 대용량광통신부품기술동향 백용순 301 FIG. 7. Position of ROADM in optical network and its role. FIG. 6. PON standardization roadmap, Schematic configuration of TWDM-PON. 는달리원격지에서광파워분배기를사용하므로기존가입자망에거의변화를주지않으면서도대역폭증가가가능하며네트워크상황에따라유연하게대처할수있는장점이있다. 이러한 TWDM-PON 시스템구성에서핵심부품은가입자측에서파장선택을위해저가의가입자용파장가변광원및수신기를개발하는것이다. 향후에도광가입자망의트래픽은지속적으로증가할것으로예측되며이를수용하기위해서보다진보된가입자망기술에대한연구가진행중이다. 현재는 WDM 기반의광가입자망구성이유력하나순수 WDM-PON보다는하이브리드형태의조합이될가능성이매우높다. OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)-PON은현재장거리망에도입되고있는코히어런트통신을가입자망에응용하기위한기술로현재는디지털신호처리기개발비용문제, 시스템의복잡성등여러가지난관을가지고있지만장거리통신에서의기술발전에따라유망한기술로평가받고있다. [12] III. 매트로통신용광부품 매트로망은일반적으로도시간을연결하는통신망으로장거리통신의점대점 (point-to-point) 통신방식에서벗어나다점대다점 (multi point-to-multi point) 방식의통신이필요하다. 매트로망에서는전송대역폭을늘리기위해파장이다른여러채널의신호를하나의광섬유를통해전달하는 DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing) 방식을채택하고있으며각노드에서는필요한신호를추출 (Drop) 해내고노드에서생산된신호를삽입 (Add) 하는방식 (OADM: Optical Add-Drop Multiplexing) 으로신호를전달한다. 현재가입자망에서시작한트래픽증가를수용하기위해서통신사업자에의한매트로망의증설및고도화작업이지속적으로진행되고있다. 기존의매트로망에서는 DWDM의여러전달파장중특정노드에서추출 / 삽입될신호에특정파장을미리할당하는고정형방식, 즉 Fixed OADM(F-OADM) 방식이사용되었다. F-OADM에서는각노드에서파장이고정된필터를이용하여정해진파장의신호를추출하고파장이고정된레이저를이용하여정해진파장의새로운신호를삽입하였다. 이러한 F-OADM 방식의가장큰문제점은특정노드의트래픽증감에따라할당파장을증가또는감소시켜야할경우노드상에서필요한하드웨어를직접설치및조정하는작업을수행해야한다. 이러한방식은음성위주의안정적트래픽에서는안정적운용이가능하였으나현재와같이데이터위주의통신량의변화가급격한상황에서는효율적운용이불가능하다. 이러한문제점을해결하기위해추가채널의추출 / 삽입뿐아니라기존채널의수정작업도원격지에서수행할수있는장치를 Reconfigurable OADM(R-OADM) 이라한다. [13] 이러한원격지제어를수행하기위해서는원격지에서제어가가능한스위치및가변광감쇄기등핵심광소자와이의제어기술의개발이핵심요소이다. ROADM의도입으로매트로망의유연성및효율성증대를통하여운용비용의절감을가져올수있기때문에 2000년대중반부터미국, 일본을중심으로도입되기시작하였으며국내에서도현재 KT가 ROADM 시스템을도입하고있는중이다. 한편 OADM에서는출입되는신호의경로수를일반적으로자유도라표현하는데일반적인링구조의매트로망에사용되는 OADM의자유도는 2이다. 증가하는트래픽의수용과보다효율적인망운용을위해서는기존링타입의매트로망구조에서메쉬형태로발전할것으로예측되는데이러한메쉬네트워크에서는자유도 3이상을지원하는 ROADM이필요하다. ROADM 시스템은파장의존성, 자유도, 파장선택성등에따라기능상몇가지로분류할수있으며각분류에따라다른기술이사용된다. 이러한 ROADM의기능상의차이및발전은궁극적으로 DWDM 매트로망의효율성증가를목적으로하므로다양한구도의 ROADM 시스템이함께

6 302 한국광학회지제 24 권제 6 호, 2013 년 12 월 혼재되어쓰여질가능성이높다. 자유도 2의링네트워크에사용되는 iplc(integrated Planar Lightwave Circuit) 기반의 ROADM의경우핵심소자로신호의통과또는삽입결정을위한 2 1 스위치어레이와통과또는삽입되는채널간의광세기조정을위한가변광감쇄기, 통과또는삽입된채널의다중화를위한평탄한필터특성을가지는 AWG 등이있다. [14] PLC 기반의광스위치구성에서는실리카기반의 PLC 소자의경우마흐젠더간섭계구조를이용하여스위치를구현하는데실리카의열광학계수가크지않아전력소모가큰편이다. 이를극복하기위해전극및도파로주변에트렌치를형성하여전력소모를줄이는방법이개발되고있다. 한편폴리머의경우상대적으로높은열광학계수를활용하여간섭현상을이용하지않고도적은전력소모를가지는디지털스위치와가변광감쇄기제작이가능하다. [15] 또한 iplc형 ROADM의경우 DWDM 신호의역다중화및다중화에 AWG가사용되는데 DWDM 신호가메트로망에전송될때많은수의 ROADM 노드를거쳐야하기때문에그림 8 와같이통과대역폭이넓은 Flat-top 특성을갖는 AWG의사용이필수적이다. 네트워크가복잡해짐에따라메쉬구조의네트워크가도입되면높은자유도의수용이가능한 ROADM 장치가필요하 며어떤파장이든임의의방향으로보내줄수있는기능을수행하는파장선택스위치 (WSS: Wavelength Selective Switch) 를필요로한다. [16] 파장선택스위치는하나의입력단에입사된 DWDM 신호를 N개의출력단에자유로운파장조합으로분산시킬수있는장치를말한다. 파장선택스위치는입력파장을분기또는결합하는 WDM 다중화 / 역다중화기 (Mux/Demux) 와파장별로경로변경이가능한스위칭소자가핵심부품이다. 평면도파로기반의파장선택스위치기술의개발도이루어지고있으나 [17] 높은삽입손실로인해일반적으로벌크광학계를이용한파장선택스위치가상용화되고있다. 벌크광학계를이용한파장선택스위치에는입력파장의분기 / 결합에는벌크회절격자가사용되고스위칭소자로는 MEMS(Microelectromechanical System), LC(Liquid Crystal), LCoS(Liquid Crystal on Silicon), DLP(Digital Light [18, 19] Processing) 등다양한기술이사용되고있다. 그림 9는파장선택스위치의개략적인구도와스위칭구도를나타낸다. ROADM은트래픽용량증가에따른네트워크발전에따라함께진화하고있다. 그림 10은 ROADM의다양한구도를나타낸다. 현재링네트워크구조에서는그림 10 와같은 iplc기반 ROADM이주로사용되고있고메쉬네트워크구조에서는 WSS가적용된 ROADM이사용된다. 통신용량의증가에따라메쉬구조가복잡해질수록한노드에서서로다른방향에서오고가는신호의파장대역에서의충돌이일어날가능성이높아진다. 3세대 ROADM에서는이러한충돌 FIG. 8. Photograph of polymer based 10 channel VOA/ Switch array, Transmission spectra of flat-top AWG. FIG. 9. Schematic diagram of wavelength selective switch, Various switching engines of WSS.

7 초청논문 대용량광통신부품기술동향 백용순 303 (c) (d) FIG. 10. Diagram of iplc-type ROADM, Diagram of Multi-degree ROADM, (c) Diagram of CDC ROADM using Multicast Switch, (d) Illustration of flexible spectrum architecture. 을막는기능 (Contentionless) 을포함시키며이를위한핵심부품이 MxN WSS의도입이다. [18] 그림 10(c) 에서와같이노드에서광송수신기를하나의뱅크로묶고효과적인입출력을위해 MxN WSS를배치하면새로운경로설정시기존설정파장에무관하게신호처리가가능하다. 이러한 MxN WSS를구현하기위한방법으로 PLC기반의멀티캐스트스위치의개발이진행되고있다. 멀티캐스트스위치를사용하면기존설정에관계없이임의의포트에서임의의파장을임의의방향으로보낼수있어 Contentionless ROADM 구성이가능하다. [20] 한편데이터변조방식및데이터변조속도에따라신호가가지는파장선폭이달라짐에따라그림 10(d) 과같이기존의고정된 DWDM 채널간격 (50 또는 100 GHz) 에서자유롭게중심파장및채널간격을조절할수있는플렉시블그리드 (Flexible grid) 도입이논의되고있다. ROADM 에서도이러한기능의수용을위해서 LCoS 기술을이용하여플렉시블그리드수용이가능한파장선택스위치의개발이이루어지고있다. [21] 플랙시블그리드수용이가능한 ROADM 스위치가적용되면변조속도에따라채널간격의유연한배분을통해전송스팩트럼효율을약 30% 정도증가시킬수있을것으로기대하고있다. 최근들어트래픽패턴의급격한변화수용과클라우드환경에적응하기위해전달평면과제어평면을분리하는 SDN (Software Defined Network) 의도입이논의되고있다. [22] 진정한 SDN 구현을위해서는물리계층까지소프트웨어에의해자유롭게경로설정, 망관리등이가능하게할수있는시스템의도입이요구되고있으며이러한기능의수행에필요한핵심장치가 ROADM이다. 이러한 SDN 구현을위한 ROADM은앞서설명한어떤파장이든 (Colorless), 어떤방향으로도 (Directionless), 기존경로설정에무관하게 (Contentionless) 스위칭이가능한 CDC 기능과더불어스팩트럼효율을높이기위해 Flexible grid를수용할수있는기술이되어야한다. CDC-F 기능을갖는 ROADM의도입으로네트워크의효율성을크게향상시킬수있어 ROADM의도입은점차확대될것으로전망된다. 한편 DWDM을이용한매트로망의운용에서각노드에는다량의 ITU 규격을만족하는파장을가진여러개의광원이필요한데이를파장가변광원으로대체할경우재고량감소로인한운용비용절감이가능한장점이있어파장가변광원에대한다양한연구가이루어지고있다. [23] 파장가변광원은기본적으로광대역광원과파장선택필터를이용하여특정파장만을선택적으로발진하게하는구조이다. 통신용파장가변광원의경우소형화, 저전력화가함께구현되어야하며매트로용파장가변광원의경우필요에따라변조기를집적하는구조로개발된다. 현재통신용으로개발되는파장가변광원의경우크게 3가지방식으로나뉠수있다. 첫번째는 DFB 어레이를이용하는방식으로 DFB의좁은파장가변범위를극복하기위해 DFB 어레이를제작하여넓은범위의파장가변영역를구현하는방식이다. [24] 두번째는외부공진기를이용하는방법으로광대역이득을갖는반도체광

8 304 한국광학회지제 24 권제 6 호, 2013 년 12 월 원과넓은범위의파장변화가가능한필터를조합하여파장가변광원을구성하는방식이다. [25] 마지막으로넓은파장가변범위를구현하기위해주기가조금다른반사형필터를이득매질양쪽에두어버니어효과를이용하여파장가변범위를확보하는방법이다. [26-28] 첫번째방식의예로그림 11 는여러채널의 DFB 어레이를멀티모드간섭계를이용하여결합시켜단일집적형파장가변광원을제작한방식이고그림 11 는 MEMS 거울을이용하여필요한 DFB와공진기를구성해파장가변을하는방식이다. 두번째방식의예로그림 11(c) 는광대역광원과외부회절격자를조합하여특정파장을발진시키는구조로 MEMS 구동계를이용하여파장가변을하는구조이고그림11(d) 는광대역광원과결합된폴리머도파로에회절격자를새긴뒤히터를이용해온도변화에따른굴절률변화를통한회절격자반사파장의변화를이용해파장가변광원을구성하는방법이다. 마지막방식으로그림 11(e) 는주기가조금다른부분회절격자 (SG: Sampled Grating) 를이득매질양쪽에두어전류인가에따른굴절률변화와버니어효과에의한파장변화범위확대로넓은범 위의파장가변이가능하도록하는구조이다. 그림 11(f) 는유사한구조를부분회절격자 Y모양으로나누어제어의효율성을높인구조이다. 이와같이여러가지구조의파장가변광원에대한연구가지속적으로이어져왔고아직도다양한연구가이루어지고있다. 10 Gbps 이하의경우주로광변조기가집적된파장가변광원을이용하여기존트랜시버대비크기및전력소모가크게줄어든 XFP(10 Gbps(X) Form-factor Pluggable) 트랜시버가향후시장을지배할것으로예측된다. 컴퓨터간의통신프로토콜로출발한이더넷 (Ethernet) 기술은인터넷의보급으로가장보편적인통신프로토콜로발전하여현재는대부분의통신이이더넷을사용하고있다. 이더넷의표준은 IEEE 802.3에서이루어지고있으며기가비트이더넷표준화 (1998년) 에이어 10기가비트이더넷표준 (2002 년 ) 을제정하였다. 그리고 2010년 6월에는거리별로 40G, 100G까지표준화가완료된상태이고금년부터 400G에대한표준화가추진될예정이다. 40/100G 이더넷에대한거리별표준화현황을살펴보면표 1과같다. [29] 단거리통신에서는 850 nm 대역의 VCSEL과다채널광섬유를이용한병렬통 (c) (d) (e) (f) FIG. 11. Examples of tunable lasers types: Monolithic selectable DFB array with MMI, Hybrid selectable DFB array with MEMS mirror, (c) Tunable external cavity diode laser with MEMS actuator (d) Polymer based tunable PLC-ECL, (e) SG-DBR laser, (f) Modulated grating Y laser.

9 초청논문 대용량광통신부품기술동향 백용순 305 TABLE 1. 40/100G 이더넷표준화현황 FIG. 13. Comparison of CFP module density in linecard installation for different form factors. (c) FIG G TOSA module, 100 G ROSA module, (c) Schematic diagram of 100G Ethernet transceiver. 신방식을채택하였고비교적장거리인 10, 40 km 통신에서는 1.3 um 대역의 WDM 기술과단일모드광섬유를이용한전송방식이표준화되었다. 클라이언트네트워크란일반적으로이더넷을기반으로하는기업망을의미하였으나근래에들어통신이음성전달기반에서이더넷기반의데이터전달위주로발전함에따라넓은의미에서는전달망으로전해지기위해집속되는모든데이터네트워크를의미한다. 특히 Google, Facebook 등인터넷기반의서비스업체의대용량데이터센터의건설에따라데이터센터내또는데이터센터사이의트래픽은매우빠른속도로증가하고있다. 이러한대용량트래픽의수용을위해서는초소형, 저전력소모의고속클라이언트용트랜시버개발이필요하다. 데이터센터의특성상막대한양의데이터를처리해야하기때문에하나의라인카드가가지는데이터처리용량이매우중요하다. 제한된라인카드의면적에서처리용량을늘리기위해서는트랜시버가차지하는면적의감소와발열량을줄이는것이중요하다. 따라서클라이언트용트랜시버는고속화되면서도소형화, 저전력화를구현하는연구가진행되고있다. 100 G 클라이언트트랜시버는그림 12에서보듯이표준화규격에따라 4채널의광원, 광원들을결합시키는 AWG- MUX로구성된광송신기 (TOSA: Transmitter Optical Sub- Assembly) 와 4채널의입력신호를분리시키는 AWG-DEMUX 와 4채널의 PD 어레이로구성된광수신기 (ROSA: Receiver Optical Sub-Assembly) 로구성되어있다.[30] 그리고레이저들을구동하기위한드라이버 IC와수신부데이터를복원하기위한 CDR(Clock and Data Recovery) 어레이, SerDes, 제어용 MCU, FPGA 등전자소자가트랜시버에포함된다. 10 km이상의 100 G 이더넷신호의전송에는단일모드광섬유를매개체로 1.3 um 대역의 800GHz 채널간격을가진 25 Gbps 속도의 4채널이사용된다. 이를위해광원으로는 EML이사용되고있고수신기에는 PIN-PD 가사용된다. 40 km 전송의경우 1.3 um 대역의광섬유손실을보상하기위해반도체광증폭기 (SOA: Semiconductor Optical Amplifier) 가사용된다. 현재 CFP(100 Gbps(C) Form-factor Pluggable) 형태의트랜시버가 Finisar, JDSU, Oclaro 등을통해상용화되어있다. 하지만앞서언급한바와같이클라이언트용트랜시버의가장중요한요소인소형화, 저전력화를위해차기버전의트랜시버개발이필요하며전력소모를줄이기위해광원을직접변조레이저 (DML: Direct Modulation Laser) 로대체하고일부전자소자를라인카드로옮기는연구가진행중이다. 그림 13은트랜시버타입에따른라인카드상의장착예상도를보여주며 CFP2, CFP4 타입의트랜시버를적용하면장착밀도를 2배, 4배또는 8배까지증가시킬수있다. [31] IV. 장거리통신용광부품 장거리전송망의경우최우선으로고려해야할부분은전

10 306 한국광학회지제 24 권제 6 호, 2013 년 12 월 송속도와전송거리확보에있다. 장거리전송은대역폭확대를위해매트로망과마찬가지로 DWDM 방식을채택하고있으며점대점통신방식을사용한다. 광섬유는막대한대역폭을제공하지만근래에들어대용량트래픽의폭증으로광통신에서도전송효율을높이는작업이필요하게되었다. [32] 광통신은디지털신호의전송을위해일반적으로빛세기변조기술 (OOK modulation) 을이용하여 1, 0 의신호전송을해왔다. 이러한세기변조방식 (ASK: Amplitude shift key) 은 10 Gbps 전송까지는최고의기술로각광받아왔으나전송속도가높아짐에따라광섬유에서발생하는각종분산과비선형특성으로위상변조방식 (PSK: Phase Shift Key) 이선호되고있다. 또한통신용량의증가에따라 DWDM 전송에서채널당변조속도 (Baud rate) 의단순증가는전자소자 (c) FIG. 14. The constellation diagrams for OOK and BPSK, QPSK, (c) 16-QAM. 의물리적속도의한계, 고주파신호선제작및패키징의어려움등으로심볼당비트수를증가하는방향으로발전하고있다. 이를위해그림 14에서와같이크기변조와위상변조를결합하여하나의심볼로전송할수있는비트수를늘리는여러가지진보된변조방식이도입되고있다. 예를들어 OOK 변조방식의경우하나의심볼로 1비트의신호만전송할수있지만 16-QAM(Quadrature Amplitude Modulation) 변조방식의경우하나의심볼로 4비트의신호전송이가능하다. 따라서동일한변조속도를사용하여 4배의통신속도증가를가져올수있다. 한편광은전자기파의일종으로세기뿐아니라위상정보도가지고있다. 광통신은전송신호의검출방법에따라직접검출 (Direct Detection) 방식과코히어런트검출 (Coherent Detection) 방식으로구분할수있다. 빛의세기뿐만아니라위상, 편광및주파수등을변조하여신호를전송하는코히어런트광통신기술은 1980년대후반수신기감도증가및이에따른전송거리증가를위해초기연구가이루어졌다. [33] 이후 WDM 전송기술의발전으로관심에서멀어졌다가근래에들어통신속도향상에따른전송거리확대및효율증대의필요성에따라다시각광을받기시작했다. 직접검출방식은광검출기에도달하는광세기를전류로변환하는방식으로이과정에서위상정보는사라지게된다. 반면코히어런트검출방식에서는송신광과동일한또는유사한광원과간섭계를이용하여세기정보뿐아니라위상정보도검출할수있는방식이다. 따라서코히어런트검출방식의경우직접검출방식에비해훨씬복잡한구조와신호처리기술을필요로하지만장거리고속통신에서발생하는광섬유의분산, 비선형등의문제와복잡한변조방식처리의우월성때문에장거리통신에적용되기시작했다. 최근의코히어런트광통신기술의발전에힘있어, 차세대대용량광통신분야에있어서기술혁신이이루어지고있다. 2012년 ITF는 100 Gbps 광통신에서여러가지변조방식중 OSNR(Optical Signal-to-Noise Ratio, 광신호잡음비 ) 특성과스펙트럼효율측면에서우수한이중편광직교위상천이변조방법 (DP-QPSK(Dual Polarization Quadrature Phase Shifting Key)) 을채택하였다. DP-QPSK 방식은 QPSK 변조를통해한개의심볼이 2비트의신호를생성할수있고이중편광을이용하여심볼당 4비트를전달할수가있어서 25G의보드속도 (baud rate) 로 100 G의데이터를전송하는것이가능하게되었다. DP- QPSK 코히어런트통신을구현하기위해서는그림 15에서와같이송신기를구성하는핵심부품은광분배기 (BS: Beam splitter), 직교위상변조기 (quadrature modulator), 편광변환기 (polarization rotator) 및편광결합기 (PBC: Polarization Beam Combiner) 이다. 수신기분야에서는편광분리기 (PBS: Polarization Beam Splitter), 90도광하이브리드 (90 deg optical hybrid) 및밸런스광검출기 (balanced detector) 가핵심광부품이다. [34] 한편송신기에는신호전송을위한고출력파장가변광원, 수신기에는코히어런트광검출을위한국부발진기용도의

11 초청논문 대용량광통신부품기술동향 백용순 307 FIG. 15. Schematic setup of the opto-electronic components of a transmitter, a receiver for DP-QPSK format. 파장가변광원이포함된다. 코히어런트통신에사용되는파장가변광원의경우매트로에서사용되는파장가변광원과마찬가지로 C-band 또는 L-band를포함하는파장가변범위와함께 16 dbm의높은출력광세기와수백 khz의낮은선폭을확보하는것이필수적이다. 이는코히어런트통신에서이중편광을사용하기때문에높은출력이송신기에필요할뿐아니라수신기의경우국부발진기의광세기가클수록수신감도가높아지기때문이다. 또한위상잡음을최소화하기위해서는좁은선폭을가진광원이필요하다. 현재장거리통신용파장가변광원은주요업체에서상용화되고있으나코히어런트통신을위한고출력과낮은선폭을동시에만족하는파장가변광원은연구가진행중에있다. 직교위상변조기는주로마흐젠더변조기 (Mach-Zehnder Interferometer) 가사용된다. 마흐젠더변조기의양단은전압을가했을때굴절률이변하는전기광학효과를이용하여높은속도의변조신호를발생시키며주요물질은전기광학효과가큰 LiNbO 3 또는반도체양자우물을이용한다. LiNbO 3 의경우구동전압이비교적높고크기가큰편이지만신뢰성있는변조특성을제공하고특히낮은삽입손실을가지고있어상용제품의대부분을차지한다. 변조방식이복잡해짐에따라여러개의마흐젠더간섭기가집적되어야하기때문에실리카광도파로와 LiNbO 3 도파로가하이브리드결합된구조의직교위상변조기가개발되어상용화되고있다. [36] 반면 InP 기반의마흐젠더간섭기는작은크기와낮은구동전압의장점을가지고있지만공정수율이낮고높은삽입손실과파장의존성등의단점으로상용화가미흡한편이다. [37, 38] 하지만 100 G DP-QPSK 및그이상의동작속도를위해서는보다더높은수준의집적화가요구되어반도체기반의전기광학변조기에대한연구가꾸준히진행중이며 FIG. 16. Configuration (top) and photograph (bottom) of the DP-QPSK modulator, Configuration (top) and photograph of DP-QPSK receiver. Infinera의경우자체개발한완전집적형송신기를시스템에적용하고있다. 이밖에도 GaAs기반의직교위상간섭기와실리콘포토닉스기반의직교위상변조기도개발되어코히어런 [39, 40] 트광모듈소형화및저가화를대비하고있다. 앞서기술한바와같이광통신에서광검출기를하나만사용할경우신호전류는입사된빛의세기 ( 전기장의제곱 ) 에비례하여신호의위상성분은사라지게된다. 코히어런트광통신에서는국부발진기와광하이브리드및밸런스광검출기를통해서신호의크기성분뿐아니라위상성분도검출하게된다. 코히어런트광수신을위해서는수신기에입력된광의위상성분검출을위해 2 4 구조를갖는 90도광하이브리드가필요하며 ±5도이내의출력단위상차를요구한다. 코히어런트광수신기에사용되는밸런스광검출기는광원잡음을상쇄시킬수있고큰 DC 신호가운데작은신호변화를검출할수있는장점을가진다. 밸런스광검출기의중요한특성변수로공통모드잡음제거율 (CMRR: Common Mode Rejection Ratio) 을들수있으며, 이때 CMRR은두 PD 간의특성차이뿐만아니라입사신호의경로차이에서발생하는편차에의해서도나빠지는변수이므로최적의특성을얻기위해서는세심한주의가필요하다. 벌크광학계를이용한편광분리기, 광하이브리드등이먼저상용화되었으나평면도파로를이용한광하이브리드에대한연구가진행되어광검출기가하이브리드집적된일체형코히어런트광검출기가개발되었 [41, 42] 다. 코히어런트광검출기에서도폴리머플랫폼을이용한광검출기, [43] InP 단일집적형광검출기, 실리콘포토닉스를이용한광검출기등다양한결과들이발표되고있다. [44] 그림 16은 NTT에서개발된코히어런트용 DP-QPSK용광

12 308 한국광학회지제 24 권제 6 호, 2013 년 12 월 송신기와광수신기의모습을보여주고있다. 광송신기의경우실리카광도파로와 LiNbO 3 도파로가하이브리드결합된구조로편광회전기, 편광결합기일체를 PLC 도파로상에구현하였다. 광수신기의경우에도편광분리기, 편광회전기, 90도광하이브리드가일체형으로구성되었으며광검출기가하이브리드집적되는구조를가진다. 이러한코히어런트광통신을위한광부품의장점은디지털신호처리기의도입으로동일한광부품을활용하여변조방식의변화가가능하다는점이다. 100 Gbps DP-QPSK 변조에사용되는동일한구도의광변조기와수신기를활용하여 16-QAM 변조방식을활용하면 200 Gbps 신호생성이가능하다. 2개의파장 (DC: Dual Carrier) 을이용하여 400Gbps 신호를전송하는기술이개발되었으며 [45] 이와같은 DC DP-16QAM 기술이 400 Gbps 전송의표준으로사용될전망이다. 코히어런트광트랜시버구성을위해서는광부품이외에도여러가지전자소자가필요한데특히광수신부에는광수신기에서나온신호처리를위한디지털신호처리기 (DSP: Digital Signal Processor) 기술이매우중요하다. DSP를이용하여분산보상및클락추출등신호보정및복원이가능하며현재 100 G 코히어런트용 DSP는미국, 일본에서각각 ASIC 기술개발에성공했다. 100 Gbps 코히어런트광트랜시버의경우현재 OIF에서 mm 2 의크기와 80 W 이내의전력소모를갖는것으로 MSA가이루어져상용제품이출시되기시작했으나향후통신용량의증가를수용하기위해 CFP( mm 2, <32 W) 타입의크기, 더나아가 CFP2( mm 2, <12 W) 타입의크기로진화해야할것으로전망된다. 이러한모듈소형화구현을위해서는특히광부품의소형화가필요하며이를위해서는여러가지물질을기반으로한광집적회로 (PIC: Photonic Integrated Circuit) 기술의개발이진행중이다. 앞서기술한 SDN 기술이광전달망에활용되기위해필요한광송수신기술은유한한파장대역폭을효율적으로사용하기위하여대역폭가변및파장가변기술, 서비스품질요구조건에따른전송거리를가변할수있는기능이요구되고있다. 전속속도, 전송거리가고정된기존의광트랜시버와달리코히어런트광부품과디지털신호처리를이용하면소프트웨어제어로필요에따라전송거리, 전송속도및스펙트럼효율성등을조절할수있는유연한광트랜시버개발이가능하다. [46] 최근통신용량은연 40% 이상의급격한증가를보이고있어머지않아 DWDM 기술과코히어런트통신도입에의한스팩트럼사용효율향상만으로는통신량증가를수용하기힘든시기가도래할것으로전망되고있다. 이를극복하기위해다중모드광섬유를이용한다중모드통신과다중코어광섬유를이용한공간분할방식의광통신기술이개발되고있으며이에필요한광부품에대한연구도진행중이다. [47, 48] 다중모드전송방식은몇개의모드를지원하는광섬유를이용하여각각의신호를서로다른모드로여기시켜전송하는방식으로서로다른모드에신호를여기하고다시 FIG. 17. Progress of system capacity. 수신단에서각모드를효율적으로분리해내기위한연구가진행중이다. 공간분할광통신은다중코어를가진광섬유를이용하여통신대역폭을확장하는방식인데다중코어에신호입출력, 다중코어광섬유증폭기개발, 다중코어광섬유간의간섭문제등을해결하기위한연구가진행중이다. 이를적용하면그림 17에서보듯이포화상태에도달하고있는전송용량증가율을획기적으로높일수있을것으로기대하고있다. 하지만두가지방식모두대역폭의증가를가져올수는있지만기존광섬유와의호환성이부족하고새로운종류의광섬유포설이라는큰문제를가지고있어향후상용시스템에적용될지는조금더지켜보아야한다. V. 결론 앞서살펴본바와같이광통신용광부품은계층구조에따라전송거리, 전송속도뿐아니라코스트, 크기, 전력소모등을고려하여최적화된광부품의개발이진행되고있다. 인터넷의보급으로확대되기시작한광통신은오늘날스마트기기및클라우드서비스보급등으로더욱빠르게성장하고있으며향후에도그증가폭은더욱커질것으로예측되고있다. 이에따라전송방식의경우시간분할방식에서파장분할방식이도입되었고현재는코히어런트통신방식이도입되고있으며새로운전송방식에대한연구가진행중이다. 적용범위도기존중장거리통신뿐아니라데이터전송량확대에따라가입자망, 데이터센터, 모바일통신망및단거리광인터커넥션까지그범위를넓혀가고있다. 이러한광통신대역폭확대와광통신적용범위확대에따라광통신은또다른부흥기를준비하고있으며이러한다양한요구사항을충족시키기위해광통신부품은고속화, 집적화, 저전력화를통해더욱발전해갈것으로전망된다. References 1. R.-J. Essiambre, G. Kramer, P. J. Winzer, G. J. Foschini, and B. Goebel, Capacity limits of optical fiber networks, J. Lightwave Technol. 28, (2010). 2. P. J. Winzer and R.-J. Essiambre, Advanced optical

13 초청논문 대용량광통신부품기술동향 백용순 309 modulation formats, Proc. IEEE 94, (2006). 3. J. S. Jeong, H.-K. Lee, and C.-H. Lee, 1.25 Gb/s operation at 50-GHz channel spacing based on intensity noise suppression of wavelength-locked Fabry-Perot laser diode, IEEE Photon. Technol. Lett. 21, (2009). 4. A. D. McCoy, P. Horak, B. C. Thomsen, M. Ibsen, and D. J. Richardson, Noise suppression of inchorehent light using a gain-saturated SOA: Implications for spectrum-sliced WDM systems, J. Lightwave Technol. 23, (2005). 5. E. K. MacHale, G. Talli, P. D. Townsend, A. Borghesani, I. Lealman, D. G. Moodie, and D. W. Smith, Extended-reach PON employing 10 Gb/s integrated reflective EAM-SOA, in Proc. ECOC (Brussels, Belgium, Sep. 2008), CD, paper Th.2.F H.-S. Kim, D. C. Kim, K.-S. Kim, B.-S. Choi, and O-K. Kwon, 10.7 Gb/s reflective electroabsorption modulator monolithically integrated with semiconductor optical amplifier for colorless WDM-PON, Opt. Express 18, (2010). 7. K.-H. Yoon, S. H. Oh, K. S. Kim, O. K. 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