초고속광통신용광소자기술 오대곤 백용순 김경옥 서 세계적으로미래의지식정보사회로의전환을위한차세대인터넷, 멀티미디어서비스등초고속대용량정보통신의수요증가에맞추어대용량초고속광통신시스템의구축은향후미래의국가경쟁력을결정하는주요요인으로인지되고있다. 초고속광통신시스템은그용도와적용범위에따라, 크게장거리용광전달망시스템과단거리용광가입자망시스템으로구분될수있다. 특히, 광통신선진각국에서, 현재, 광가입자망전개에많은노력을기울이고있다. 광가입자망기술은전달망과가입자간을연결하기위한전송 ( 선로종단, 망종단 ) 장치와전송매체등의설비로구성되며, 고속액세스전송은일반적으로가입자에게수 Mb/s 사용대역을제공하는기술을말하는것이다. 특히가입자망에서수백 Mb/s 이상의가입자사용대역을제공할수있는것은광통신기술만이가능하다. 따라서, 이러한초고속광통신시스템을구성하기위한핵심광소자 / 부품기술의연구개발이세계적으로활발하게이루어져왔다. 국내에서도 ETRI에서광통신용광소자 / 모듈의연구개발이광범위하게이루어져왔다. 즉, 광전달 ( 전송 ) 망시스템용소자 / 부품개발로, 광대역광증폭기용광섬유 (optical fiber) 소재 / 소자, 증폭기모듈등의 wide band WDM (Wavelength Devision Multiplexing) 광전송소자및 40 Gb/s급광수신기, 고속색분산보상기등, 고속 WDM 광전송핵심소자의연구가진행되어왔다. 또한, 파장변환기, 광 3R 재생기, 광배선및접속모듈등의 OXC, 광라우터 / 광교환시스템용광소자개발과광엑세스용광집적모듈, Hot embossed PLC(Planar Light 저자약력오대곤박사는 KAIST 이학박사 (1987) 로서 155M/2.5G/10G급반도체레이저, 광검출기, 광증폭기, 그리고양자점레이저기술등을연구해왔으며현재한국전자통신연구원광소자그룹장을역임하고있다. 백용순박사는미국 University of Central Florida 이학박사 (1997) 로서현재한국전자통신연구원집적광소자팀선임연구원으로재직중이다. 김경옥박사는미국 University of Notre Dame 이학박사 (1988) 로서현재한국전자통신연구원실리콘포토닉스팀책임연구원으로재직중이다. 론 Circuit) 기술, VCSEL(Vertical Cavity Surface Emitting Laser) 등, 광가입자및근거리광통신망용광소자의연구개발이진행되어왔다. 이밖에, 차세대통신및광신호처리용신기능소자연구로 RF-Photonics 소자, 양자점레이저, Photonic crystal 등나노광소자및공정기술개발이진행되고있다. 세계적으로광가입자망의구축은 2002년부터시작되어, 일본, 미국등이광가입자망분야에서앞서가고있는실정이다. 한국의경우초고속인터넷보급률 1위로기존의 VDSL에의한초고속전송망이미국, 유럽등의광가입자망대역폭과근접한속도를보이고있어 FTTH(Fiber to the Home) 구축은오히려늦어지고있는실정이나, 향후방송 / 통신융합등급격히늘어날대역폭요구를수용하기위해서는궁극적으로광가입자기술로의전개가필수적으로이는국가경쟁력확보및세계시장의선점에중요한사항이다. 따라서여기에서는 ETRI 에서활발하게진행되고있는광통신용광소자분야중에서, 현재중점적으로추진되고있는 FTTH 분야광소자기술에대한소개와, 연구개발동향및전망등에대해기술하고자한다. Passive Optical Network 광가입자망의구성은설치비용 (CAPEX) 및운영비용 (OPEX) 에서장점을가지고있는수동분기방식 (PON: Passive Optical Network) 이가장유력한방식으로, PON 방식의광소자 / 부품연구개발에대하여기술하고자한다. PON 구조는능동광송수신소자와전기장비가없는수동분기소자들로만이루어진다. 주로옥외에위치하는수동분기소자는전원공급이필요없어전원중단에영향을받지않고 EMI에영향을받지않으며, 유지, 보수비용이저렴한장점이있고, 방송 (broadcast) 이용이하여비디오서비스에유리하며, DWDM(Dense-WDM) 과같은향후의증설에도상충되지않는다. 이러한 PON 방식은, 시분할방식 (TDM-PON) 과파장분할방식 (WDM-PON) 으로구별된다. 그림 1은 TDM(Time Division Multiplexing)-PON과 WDM-PON의구성에대한개략도를보여준다. 40
표 1. 여러가지 PON 시스템의특성비교. E-PON B-PON G-PON WDM-PON Standard IEEE 802.3ah ITU G.983 ITU G.984 None Framing Ethernet ATM GFP/ATM Protocol Independent Maximum Bandwidth 1 Gbit/s 622 Mbit/s 2.488 Gbit/s 1-10 Gbit/s per channel Users/PON 32 32 64 32 Average Bandwidth 30 Mbps 20 Mbps 40 Mbps 1~10 Gbps Video RF / IP RF RF / IP RF / IP Estimated Cost Lowest Low Medium High TDM-PON은가입자별로할당된시간에필요한데이터의송수신을수행하는방식으로중앙집중국 (CO: Central Office) 에서하나의광원으로여러가입자를수용할수있는장점이있으나, 시간분할에의해광소자의대역폭을최대로활용할수없으며전화국으로부터의정보가모든가입자에게분산되는이유로보안성에문제가있다. 그러나기존전달망에서확립된성숙된구도를확보하고있으며표준확립, 비용의우위를바탕으로현재 FTTH 구축에주류를이루고있다. TDM-PON은다시속도및프로토콜등에따라 B/G/E-PON 등으로분류된다. WDM-PON은물리적으로는 TDM-PON과같이전화국과가입자가하나의광섬유를통해분기점까지공유하는형식을취하고있으나파장분할을이용하여점대점 (point-to-point) 방식과같은연결구조를가진다. 따라서시분할방식과달리전체대역폭의이용가능하며, 채널수, 전송용량의증가, 통신방식 (Protocol) 이나전송속도에무관하게네트워크를구성할수있어광네트워크의유연성이크게증진될수있으며보안성에서 도탁월한우위를가지고있다. 그러나파장분할방식에서는분기가입자수만큼의광원을보유하고관리해야하는만큼비용측면에서불리하다. 따라서일반적으로 WDM-PON은 TDM-PON의후속시스템으로여겨지고있다. [ 표 1] 은여러가지 PON 시스템의개략적인비교를나타내고있다. 여기서, PON 시스템구성에필요한광소자 / 모듈은다음과같이분류된다. 1. OLT(Optical Line Termination) 용광송수신모듈공급자사무실에소재하여전달망으로부터각가입자로의하향송신 (down stream) 용광송신기 (optical transmitter) 와가입자로부터전달망으로의상향송신 (up stream) 의수신기 (receiver) 를포함한다. 2. POS(Passive Optical Splitter) OLT와 ONT 사이의여러지점에위치할수있으며, 광신호를각광가입자로분기또는수집하는역할을한다. 주로옥외에설치된다. 3. ONT(Optical Network Termination) 용광송수신모듈각광가입자종단에위치하는소자로각가입자로의하향송신 (down stream) 신호수신용광수신기와가입자로부터전달망으로의상향송신 (up stream) 을위한송신기를포함한다. 필요에따라 CATV 신호를수용하기위한아날로그용광수신기를포함한다. 다음에는 TDM-PON 및 WDM-PON에사용되는광소자 / 부품에대해서알아보기로한다. TDM-PON 용광소자 그림 1. PON 구성개략도 : TDM-PON 와 WDM-PON. TDM-PON 방식의 OLT 및 ONT에사용되는광송 / 수신소자의파장할당, 속도, 출력및수신감도등의규격은 B/G-PON의경우 ITU, E-PON의경우 IEEE에서규정하고있으며그상세내용은 [ 표 2] 와같다. OLT용광송수신기는송신 1.49 um, 수신 1.31 um로중심파장이할당되어있으며광원은전송에따른분산에의한에러발생을방지하기위해 InP 기반의반도체 DFB(Distributed 41
표 2. TDM-PON 용광송수신소자의규격. Tx Rx Items Unit E-PON (10 km) E-PON(20 km) B-PON (ClassB) G-PON (ClassB) IEEE802.3ah G.983.1~8 G.984.1~3 622M 155M 622M 2.5G Wavelength nm 1490 1310 1490 1310 1490 1310 1490 1310 1490 1310 Avg Power dbm -3 ~ +2-1 ~ +4 +2 ~ +7-1 ~ +4-0.5 ~ +4-4 ~ +2 +1 ~ +6-1 ~ +4 +5 ~ +9-2 ~ +3 SMSR db 30 30 30 30 30 30 LD DFB FP DFB FP/DFB DFB FP DFB FP DFB DFB Sensitivity dbm -24-24 -24-27 -26.5-30 -25-27 -21-28 PD PIN PIN PIN PIN PIN PIN PIN PIN PIN APD Feed Back)-LD(Laser Diode) 가사용되며, 각가입자별로전송되는상이한세기의신호를검출하기위해수신감도가우수하고버스트모드동작이가능한광수신기 (Photodiode) 가이용된다. ONT용광송수신기는송신 1.31 um, 수신 1.49 um( 디지털신호 ) 와 1.55 um( 아날로그신호 ) 로중심파장이할당되어있다. 광원은가입자단에위치하는속성상저전력소비및넓은온도범위 (-40~85 o C) 에서비냉각 (uncooled) 동작이가능해야하며, 이를위해온도특성이우수한 1.3 um 대역의 InP기반반도체 FP(Febry-Perot)-LD가주로사용된다. 또한 TDM 시스템의특성상버스트모드 (Burst mode) 동작이이루어져야한다. 전송거 Analog PD FP LD (1.55 µm) (1.31 µm) Digital PD (1.49 µm) Analog WGPD Digital WGPD (1.55 µm) (1.49 µm) 리가 20 km인 PON 모듈에서는 DFB-LD의사용이요구되기도한다. 또한 CATV 신호중첩에의한 TPS(Triple Play Service) 를구현하기위해 CATV의아날로그신호수신을위한아날로그광수신기를포함하기도한다 (Triplexer). 위에서언급한송신기과수신기들의자체특성도중요하지만이들을컴팩트한하나의양방향모듈로구성하는방법들이더중요하다. 구성하는방법에따라양방향모듈의성능이결정되는기술적인측면도있고, 대량생산으로가격저하를유발할수있는경제적인측면도있다. 현재까지주류를이루고있는방법은송신기과수신기를각각 TO캔에패키지하여 WDM 필터를결합하여구성하는방법이다. 이방법은광학적, 전기적누화가작고기존의기술을이용하는장점이있다. 그러나부품수가많이필요하며모듈의크기가크고, 능동정렬이필요하여저가격화및대량생산에적합하지않다. 이러한점을극복하고자 PLC(Planar Lightwave Circuit) 기반의양방향모듈제작기술이제안되었고, 여러곳에서많은연구가진행되어왔다. PLC기반의양방향모듈제작기술은부품수가적으며모듈크기가작고수동정렬을하므로대량생산이가능한장점이있다. 상용화된 TDM-PON용광송수모듈은 TO can 패키징을이용한벌크형광모듈로 Infineon 등해외기업과한국의빛과전자, 네옵텍, 테라디안, OE 솔루션등에서제작, 판매하고있다. PLC 하이브리드집적형광 SC-FPLD (1.31µm) 그림 2. TDM-PON Triplexer 용양방향모듈 TO 패키징을이용한벌크형 Triplexer PLC 플랫폼을이용한하이브리드집적 Triplexer 개략도. 그림 3. ETRI 에서개발된 TDM-PON Triplexer 모듈. 42
표 3. TDM-PON 용수동분배기의특성. Operating Wavelength Range 1260-1360 and 1480-1580 nm (or 1650 nm) Splitting ratio Max. Insertion Loss1 (db) Max. Uniformity(dB) PDL Return Loss Directivity 1x4 <7.3 <0.5 1x8 <10.5 <0.8 1x16 <13.8 <1.0 <0.2 db >55 db >55 db 1x32 <17.1 <1.3 송수신모듈의개발은 NEC, NTT 등일본을중심으로활발하게진행되고있으나 [1] 이종소자간의결합효율향상등, 기술적난이도로상용제품은발표되지않고있으나미국의 Xponent사가 2005년 OFC에서 E-PON 스팩을만족하는 Triplexer를발표한바있다. [2] 국내에서는 ETRI, 삼성에서상용화를목표로개발해왔다. 그림 2는현재시판중인벌크형 Triplexer 광모듈과 ETRI의 PLC형 Triplexer의개략도이며, 그림 3은 ETRI에서제작된 Triplexer 모듈의사진이다. TDM-PON용수동분기장치는단순광세기분기장치로주로광섬유를이용한분기장치와 PLC를이용한분기장치로구별될수있으나일반적으로 8분기이상에서는 PLC를이용한분기가비용적인측면에서우월함을가진다. 광세기분기장치는한국의 PPI, 우리로광통신등에서우수한기술력및가격구조를가지고국내는물론해외시장에서도우위를보이고있다. 표 3은 TDM-PON용 PLC형광세기분배기의일반적인특성을나타낸다. WDM-PON 용광소자 WDM-PON 가입자망구성은한국에서가장활발하게연구되고있으며, 이를위한소자 / 부품은국내에서주로개발되며, 성공적인운영시 WDM-PON 광가입자망기술의세계적주도권확보에기여할수있을것이다. WDM-PON용광가입자망구성용광소자는가입자수만큼의다양한파장의광원을필요로한다. 따라서망구성에서의핵심요소는안정적이며저가의다채널광원의확보에있다. 일반적으로파장분할방식의네트워크는정확한파장관리를요구하고있으며이를충족시키기위해서는파장모니터링이가능한파장가변레이저또는 ITU 규격을충족시키는 DFB-LD 어레이를광원으로사용해야한다. 그러나이러한전달망용고가의전달망용광소자를가입자망에적용하기는비용측면에서불가능하여파장관리가간단하거나불필요한저가의다채널광원의개발이활발히이루어지고있다. 저가형 WDM-PON 광원구현을위한방식으로는 LED 또는 FP-LD를이용하는방법이연구되었으나 [3,4] LED의경우스펙트럼의일부만을사용하는낮은효율로인하여만족할 만한출력광세기를가지지못하며, FP-LD의경우모드분할잡음 (Mode Partition Noise) 으로인해사용하기에적합하지않다. 이러한문제점을해결하기위한방법으로 FP-LD에시드광원을주입하여특정파장을발진시키는 Injection-locking 방식이제안, 연구되었다. [5,6] 이는광대역광원 (BLS: Braodband Light Source) 으로부터파장분할용수동분배기인 AWG를이용하여 FP-LD에특정파장을주입하는방식으로모드분할잡음특성을해결할수있다. 이러한용도의 FP-LD는시드광원의입사를위해저반사박막증착이이루어져야하며모드분실을방지를위해 FP-LD의모드간격을 AWG(Arrayed Waveguide Grating) 의파장간격이하로줄여야한다. 한편광대역광원의 AWG를사용한필터링에의한시드광원생성을위해고출력 (~20 dbm) 의광대역 (>40 nm) 광원이필요하다. 이러한고출력의광원은광섬유증폭기 (EDFA) 또는 SLED(Super luminescent Light Emitting Diode) 를이용하여구현할수있다. FP-LD의 Injection-locking에의한 WDM-PON 구성은핵심광부품들의저가화가필요하다. 한편 FP-LD를이용하는 WDM-PON 방식은 1 Gb/s 이상의고속변조가불가능하여, 향후광가입자망속도증가에대처하기위해서는이를극복하기위한연구가필요하다. 이 FP-LD 를이용한방식은 KT와노베라에의해세계최초의 WDM-PON 을이용한 FTTH 상용서비스가시도되고있다. 이에대해, 다른저가형다채널광원의구성방식으로반사형반도체광증폭기 (R-SOA) 를이용한 WDM-PON 구성도시도되고있으며, ETRI에서는이를위해 R-SOA(reflective 참고문헌 [1] M. Oguru, et al., 1.25 Gb/s WDM Bi Directional Transceiver Module Using DFB-LD and PLC with Spot-size Conversion Region, ECTC, p. 305 (2002). [2] H. Blauvelt, et al., High Performance Planar Lightwave Circuit Triplexer with Passive Optical Assembly, OFC OThU7 (2005). [3] S.S. Wagner, et al., Electron. Lett. 26, 11 (1990). [4] S. L. Woodward, et al., Photo. Technol. Lett. 9, 1337 (1998). [5] H. Kim, et al., Photo. Technol. Lett. 12, 1067 (2000). [6] D. Shin, et al., C/S-Band WDM-PON Employing Colorless Bidirectional Transceivers and SOA-Based Broadband Light Sources, OFC, PDP36 (2005). 43
그림 4. ETRI 에서개발된 OLT 용 16 채널모듈과 ONU 용 BiDi 모듈. semiconductor optical amplifier) 를연구개발하고있다. 즉, 반도체광증폭기의광대역증폭특성 (>50 nm) 을이용하여시드 (seed) 광원을주입하고반도체광증폭기의직접변조를통하여고속의데이터를만들어내는방식이다. 시드광원으로광대역광원의스펙트럼분할을이용하는경우시드광원과 ASE 잡음간의공진에의해신호특성저하가나타나나반도체증폭기를포화영역에서동작하거나 [7] 광대역광원대신 DFB 어레이를이용하여시드광원을구성하는방법도제안되었다. DFB 어레이를이용하는경우 DFB의높은출력광세기를감안하여수십개의 PON 시스템이하나의광원을공유하여코스트를줄일수있다. 반도체광증폭기를이용한 WDM-PON 광원의제작은 FP-LD에비해상대적으로고가이나, 1 Gbps 이상의변조속도를구현할수있어차세대 FTTH 솔루션으로자리매김이가능하다. ETRI에서제작된반사형반도체광증폭기를이용한 WDM-PON 시스템은변조속도 1.25 Gbps, 25 km 전송을성공적으로구현하였다. 위의제안된 WDM-PON용광소자들은모두 OLT, ONT에적용가능하다. 그러나 OLT용광소자의경우가입자수만큼의광원이 CO에필요하므로안정된파장의광원개발과더불어소형 참고문헌 [7] P. Healey, et al., Elec. Lett. 37, 1181 (2001). [8] J. Lee, et al., Birefringence as a function of upper-cladding sub-layers in polymeric waveguides, OFC, MF33 (2004). 화, 집적화또한매우중요하다. 이를구현하기위해 PLC 플랫폼상에다채널광원을구현하여기존의다채널광원구조에서크기를획기적으로줄일수있다. 이를위해 PLC 플랫폼에 AWG와광원, 광검출기를집적하여다채널광송수신소자를구현하는방식이가능하다. 다채널광원으로는앞서설명한반사형반도체광증폭기를이용하는방식과 PLC 도파로상에회절격자를구성하여반도체광증폭기와더불어외부공진형레이저를구성하는방식이다. 이러한다채널, 소형 WDM-PON 광송수신기의제작을위해서는반도체어레이소자의안정적수율확보및멀티칩플립칩본딩공정기술의확보가매우중요하다. 그림 4는 ETRI에서제작된, PLC 기반 16채널 1.25 Gbps OLT용광송수신모듈과 세계최초의상용모듈인반사형반도체증폭기 (R-SOA) 가집적된 1.25 Gbps ONU용 BiDi 모듈이다. 한편 WDM-PON의수동분기소자는 CO로부터의다채널신호를각가입자로할당된파장별신호분할이가능한소자로박막을이용한파장분기장치와어레이도파로형회절격자 (AWG) 를사용할수있으나 DWDM 방식의다채널 (16 또는 32채널 ) 분기에는주로 AWG가사용된다. 수동분기소자는시분할방식에서와같이옥외소자로가장핵심이되는요소는온도변화에따른분기중심파장이변하지않아야하는온도무의존성 (Athermal) 을구현하는것이다. Athermal AWG 소자를구현하는방식으로는 AWG의입력부분의위치를기계적인장치로변화시켜온도의존성을없애는방식이있고실리카와폴리머의상이한굴절률변화계수를이용하여실리카경로의일부에폴리머를삽입하는하이브리드방식과폴리머기판을이용하여폴리머 AWG를이용하는올-폴리머방식등이있으며, ETRI에서는폴리머를이용한 Athermal AWG 소자의연구가이루어졌다. 결론위에서 ETRI에서연구개발하고있는광가입자망 (FTTH) 을구성하는여러종류의광소자 / 부품기술에대하여살펴보았다. FTTH 광소자 / 부품은가입자별로필요하기때문에많은수를필요로한다. 이를위한가입자용광소자 / 부품은저가화가핵심요소이며그밖에저전력소모등이주요이슈이다. 또한 FTTH에사용되는광소자의 spec은, 장거리전송용광소자에적용되는높은요구사항을그대로수용하면서, 가격은경쟁을통해초저가로시장이형성되고있는실정으로, 획기적으로코스트를줄일수있는방식의소자개발이필요하다. 초고속인터넷세계최고보급의 IT 강국의면모를 FTTH 분야에서도이어가기위해서는, 보다앞선방식의광가입자망구조에필요로하는각종광소자 / 부품의연구개발을통해전세계광가입자망구축을선도해나가야할것이다. 44