chapter 3-1 직접변조레이저를이용한초고속전송기술 * 김훈 한국과학기술원교수 I. 결과물개요 개발목표시기 2021. 12. 기술성숙도 (TRL) 개발전 개발후 TRL 3 TRL 5 결과물형태 POC 실험보고서, 알고리즘검증방법제 3 자검증, 시험인증 Keywords 광트랜시버, 광전송, 레이저다이오드, 이더넷, 직접변조 외부기술요소광학 / 전자소자권리성특허 II. 기술의개념및내용 1. 기술의개념 광전송시스템을가장경제적으로구현하는방안은직접변조레이저와직접검출수신 기를사용하는것임 * 본내용은김훈교수 ( 042-350-7433) 에게문의하시기바랍니다. ** 본내용은필자의주관적인의견이며 IITP 의공식적인입장이아님을밝힙니다. *** 정보통신기획평가원은현재개발진행및완료예정인 ICT R&D 성과결과물을과제종료이전에공개하는 ICT R&D 사업화를위한기술예고 를 2014 년부터실시하고있는바, 본칼럼에서는이를통해공개한결과물의기술이전, 사업화등기술활용도제고를위해매주 1~2 건의관련기술을소개함 정보통신기획평가원 27
주간기술동향 2019. 10. 23. [ 그림 1] 기술개념도 본과제에서개발하는기술은경제성이탁월한직접변조레이저-직접검출수신기시스템의전송속도를극대화하는기술로, 다음과같은기술로구성 - 상기시스템을위한 100Gb/s급초고속변복조및신호처리기술 - 선형성이우수한직접변조레이저와직접검출수신기기반 TOSA와 ROSA 기술 - 40Gb/s 직접변조레이저기반광가입자망을위한광링크기술 2. 기술의상세내용및사업화제약사항 기술의상세내용 - 경제성이탁월한직접변조레이저-직접검출광수신기시스템에특화된초고속광전송기술 기존의 DML 기반광전송시스템이통상 10Gb/s 이하단거리 ( 예, 10km 이하 ) 에주로활용되었으나, 본과제에서는 25Gb/s 이상 ( 최대목표 100Gb/s 급 ) 초고속신호를단거리에서중거리 ( 예, 40km) 까지전송할수있는원천기술을개발 직접변조레이저모델링에입각한변조방식도출및디지털신호처리방 28 www.iitp.kr
법, 간소화기술개발 직접변조레이저의동적특성 (dynamics) 에대한분석을바탕으로전송에악영향을미치는것으로알려진레이저의처핑을이롭게활용하여 DML의전송용량을극대화하는기술개발 전체시스템의성능을극대화하기위한소자에서전송시스템까지의종합적인연구개발 DML/DD 기반광전송시스템모델링 DML/DD 기반광전송시스템을위한초고속변복조기술및신호처리기술 선형성이우수한광대역 DML 기반 TOSA/ROSA 기술 40Gb/s 광가입자망을위한직접변조레이저 ( 또는 VCSEL) 기반광링크기술 DML을이용한 100Gb/s급초고속신호전송기술 기술이전범위 - 직접변조레이저주파수응답특성모델링방법 - 직접변조레이저의비선형특성보상을위한디지털신호처리알고리즘 - 단일직접변조레이저를활용한 100Gb/s급변조방식선정및신호처리알고리즘 - 초고속광가입자망을위한직접변조레이저기반광전송링크의전력마진예측 사업화제약사항 - 현재광트랜시버관련표준또는규약의경우외부변조기기반으로작성되어있어서특정항목의경우이조건을만족시키는것이매우어려움 직접변조레이저기반광트랜시버관련표준또는규약의경우상대적으로낮은전송속도 ( 예 ; 10Gbps) 에대해서만규정되어있는반면, 본과제에서추구하고자하는고속전송속도의경우에는외부변조기기반에대해작성되어있으므로모든항목을만족시키기매우어려움 초고속직접변조레이저기반광트랜시버에대한표준화작업등이병행될경우사업화파급효과가클것으로예상됨 - 파장가변레이저의경우통상고속직접변조가어려우며, 따라서현재로는특정파장에대해동작하는직접변조레이저에한정해서연구개발, 사업화, 표준화등을추진하는것이합당하다고판단됨 정보통신기획평가원 29
주간기술동향 2019. 10. 23. III. 국내외기술동향및경쟁력 1. 국내기술동향 KAIST 연구팀은 1.55μm에서동작하는상용직접변조레이저를활용하여 52Gb/s on-off keying(ook) 신호를표준단일모드광섬유 15km 전송한결과를발표한바있으며, 또한동일소자를활용하여 56Gb/s PAM-4(4-level pulse amplitude modulation) 신호를 20km 전송한결과도발표하였고, 최근에는 1.3μm에서동작하는상용직접변조레이저를활용하여 136Gb/s DMT(discrete multi- tone) 신호를 30km 전송하는데성공하였는데, 이는연구팀이파악하는바로는단일직접변조레이저를활용하여얻은가장높은전송용량임 ETRI 연구팀은 1.59μm 대역에서동작하는 10Gb/s 직접변조레이저를개발하고 FEC와분산보상없이단일모드광섬유 20km 전송한결과를보고한바있음 OE Solutions사는 1.31μm에서동작하는 25Gb/s DML chip을이용하여표준단일모드광섬유 10km 전송이가능한 uncooled TOSA를개발하고있으며, 25Gb/s bottom illuminate pin PD를적용한 ROSA도개발하고있음 레이칸사는 10Gb/s 직접변조가가능한장파장 (1.3μm와 1.55μm) VCSEL을상용화하였음 2. 해외기술동향 미국의 Finisar사는 1.3μm 직접변조레이저를활용하여 2 채널 112Gb/s 단거리전송시스템을최근시연한바있으며, 채널당전송용량은 56Gb/s임 이회사의연구팀은 1,310nm 파장대역에서동작하며변조대역폭이 55GHz를초과하는특수한 short-cavity distributed reflector(scdf) 레이저를제작하고, 이를이용하여세계최초로 112Gb/s PAM-4 신호를 2.2km 전송한결과를보고하였는데, 이러한결과를얻기위해연구팀은복잡도가높은비선형등화기를사용하였으며, 최근에는 DML을사용하여발생한 112Gb/s PAM-DMT 신호를 12km 단일모드광섬유에전송한결과를보고하였음 30 www.iitp.kr
미국의 Alcatel-Lucent사의 Bell Labs 연구팀은단일 VCSEL을이용하여 115Gb/s DMT 신호를단일모드광섬유 4km 전송한결과를보고한바있음 유럽의 ADVA, DTU, Vertilas 공동연구팀은최근변조대역폭이 25GHz에달하는 1,525nm인장파장 VCSEL을사용하여 56Gb/s PAM-4 신호를생성하고이를단일모드광섬유 15km 전송한결과를발표하였는데, 이결과를도출하기위해연구팀은송신단전치등화기와수신단선형등화기를활용하였으며, 이연구팀은또한동일소자를활용하여 84Gb/s PAM-4 신호를 1km 전송한결과도보고하였음 덴마크의 DTU와 Huawei 연구팀은 10GHz 대역폭을가진 1,550nm 직접변조레이저를이용하여 56Gb/s duobinary PAM-4 신호를수신단디지털신호처리과정없이표준단일모드광섬유 10km 전송한결과를보고하였음 일본의 Fujitsu 연구팀은 50Gb/s DMT 변조신호를광증폭기나분산보상없이 10Gb/s 용으로개발된 1.55μm DML를사용하여 20km 전송한실험결과를발표하였으며, 또한 65Gsample/s CMOS DAC core와 DML를사용하여 100Gb/s DMT 변조신호를 10km 전송한결과도발표하였음 일본의 Fujitsu 연구팀은 400G 이더넷광전송시스템을위해 4채널 LAN-WDM 기술을활용하여 469Gb/s( 채널당약 117Gb/s) DMT 신호를 30km 전송한결과를보고한바있음 중국의 Huazhong University와 Shanghai Jiao Tong University 공동연구팀은 1,550nm에서동작하는직접변조레이저를이용하여 2채널 56Gb/s PAM-4 신호를광증폭기 (EDFA), 광지연간섭계 (optical delay interferometer), 수신단 Volterra 비선형등화기등을이용하여 100km 전송한결과를보고하였음 중국의 ZTE 연구팀은 2채널 101.64Gb/s( 채널당약 50Gb/s) DMT 신호를 20km LEAF 광섬유를통해실시간전송한결과를최근보고하였음 3. 표준화동향 직접변조레이저전송기술이활용가능한 400G 이더넷광트랜시버기술과관련하여 IEEE 에서 2013 년 3 월 IEEE802.3 에 400G 이더넷 Study Group 을결성하고 2017 년 12 월표준제정을목표로현재표준화활동이진행중에있음 정보통신기획평가원 31
주간기술동향 2019. 10. 23. 400G 이더넷신호전송방식으로전송거리및매체에따라 25Gb/s NRZ, 50Gb/s NRZ, 50Gb/s PAM-4 등에대한마무리논의가활발하며, 전송기술이발전함에따라 채널또는광섬유당 100Gb/s 를수용할수있는기술에대한논의도진행중임 4. 기술적경쟁력 경쟁기술 EML 기반광전송시스템 코히어런트광전송시스템 본기술의우수성및차별성 경제성이가장우수한직접변조레이저기반초고속전송기술 전송용량은코히어런트시스템에미치지못하지만경제성이매우탁월하여단거리시스템에활용됨 IV. 국내외시장동향및전망 1. 국내시장동향및전망 국내시장은세계시장에비해규모는작으나, 초고속인터넷망보급등으로인해연평 균 10% 이상고속성장하고있으며, 국내중소업체가비교적선전하고있음 2. 해외시장동향및전망 이더넷트랜시버시장 구분 2016 2022 2025 세계시장규모 ( 억원 ) 20,000~23,000 36,000~63,000 48,000~104,000 한국시장규모 ( 억원 ) 232~265 414~725 552~1,200 2014년시장규모와예상 compound annual growth rate(cagr) 10~18%(Lightwave, 2014) 를이용하여추정한값임. 전세계네트워크장비시장에서의국내시장비중 1.15%(Gartner, 2011) 를고려하여추정함 < 자료 > 10G/40G/100G Data Center Optics Market Size and Forecast, Infonetics, 2014. 3. 제품화및활용분야 활용분야 ( 제품 / 서비스 ) 광모듈, 광트랜시버 제품및활용분야세부내용 1. 이더넷광트랜시버 : 100G, 400G 이더넷광트랜시버 2. 광가입자망송수신기 : 광가입자망광트랜시버모듈 32 www.iitp.kr
V. 기대효과 1. 기술도입으로인한경제적효과 경제성이탁월한광트랜시버기술개발로국내광트랜시버업체경쟁력제고 국내데이터센터네트워크, 모바일프론트홀 / 백홀, 광가입자망관련통신장비산업의발전 국내광전소자및초고속전자소자산업의발전 세계최고수준의정보통신인프라를유지 / 발전시켜초고속데이터의사용을가능하게함으로써이를활용할수있는관련 IT 산업의발전유도 초고속광전송관련고급전문인력양성 2. 기술사업화로인한파급효과 사회/ 문화 / 경제적으로초고속데이터를활용하는새로운수많은서비스창출 초고속클라우드데이터센터망구축에활용되어클라우드서비스의활성화 UHDTV, 4K/8K 비디오등초고속전송을필요로하는차세대디스플레이보급의활성화 세계최고수준의정보통신인프라구축에따른국가경쟁력제고 정보통신기획평가원 33