전기전자/정보통신

NTT 기술저널_2017. 03 요약 (p8~12)

대용량 광네트워크의 진화를 지탱하는
공간 다중 광통신 기술
카와무라 류타로(川村　龍太郎)외 1명 / NTT미래열도 연구소 소장

이 글에서는, 광대역(Broadband)의 향후 발전을 지탱하는 초 대용량 공간다중방식 광통신기술을 소개한다. 본 기술에서는 광섬유 통신시스템을 구성하는 광 전송∙노드 장치, 광섬유 등에 새롭게 공간 자유도(Degree of Freedom)를 고려한 구성∙설계가 시행된다. SMF(싱글 모드 광섬유)의 물리적 한계를 극복하고, 광섬유 1심을 통해 현재의 100배 이상인 1Pbit/s를 넘는 대용량 전송과 10Pbit/s 이상의 노드스루풋 (Throughput)를 가진 차세대 광네트워크의 실현을 지향한다.

-- 대용량 광 네트워크의 발전과 기술 과제 --
최근, 인터넷을 통한 동영상, 전자 결제 등이 광범위하게 보급됨에 따라, 통신 네트워크는 우리들의 생활에 없어서는 안될 기반이 되고 있다. 모바일 통신 분야에서도 2020년을 목표로 새로운 서비스인 5G 기술 검토가 시작되었고, 10Gbit/s를 넘는 광대역, 저지연 서비스 실현을 위한 검토도 시행되고 있다. 또한, IoT기술 진전으로 보다 다양한 단말기가 통신 네트워크에 접속되고 있어, 통신 네트워크는 우리들의 생활 속 사회 기반이자, 없어서는 안될 인프라로써 보다 그 중요성이 높아질 것으로 전망된다.

지금까지는 한 개의 광섬유에 빛이 통과하는 길(코어)이 오로지 하나이고, 유도 모드도 하나가 되도록 설계된 SMF가 기본 전송 매체로 사용되어왔다. NTT연구소는 그 광대역 기능을 최대한으로 살려 경제적인 최첨단 광전송 방식을 적시에 연구 개발∙실용화해, 30년 동안 약 5자릿수에 가까운(2년간 2배) 대용량화에 공헌해왔다. 최근 실용화된 코히런트(Coherent) 광 처리기술은 수신감도와 주파수 이용 효율 향상과 함께 기존에는 난제였던 장거리 전송 시의 광섬유가 변형되는 특성을 보완하는 성능을 큰 폭으로 향상할 수 있게 되었다.

이를 통해 현재 광섬유의 서로 다른 편파 축에 각각 다른 광신호를 4위상 값 위상 변조 신호로 변조해 편파 다중 및 전송이 가능, 하나의 파장 당 100Gbit/s수준의 대용량 전송이 실현되었다. 기존의 한 개의 광섬유에 기존과 같은 주파수 간격 50GHz 간격으로, 80채널 정도의 광신호를 파장분할다중(WDM: Wave length Division Multiplexing) 방식으로 전송하는, 전송 용량 8Tbit/s의 대용량 광네트워크가 실용화되고 있다. NTT연구소는 광 변조신호의 높은 수치를 더욱 높은 64 이상으로 고도화해, 한 개의 SMF로 100Tbit/s 이상의 대용량 전송을 검증하고 있다.

또한 편파다중의 16-QAM(Quadrature Amplitude Modulation) 변조 기술을 기본으로 한 다양한 디지털 신호처리기술과 2부반송파(Sub-carrier) 다중을 적용해, 1 채널에 400Gbit/s, 섬유 당 20Tbit/s 수준의 대용량 광 네트워크가 실용 단계에 들어섰다. 또한 현재의 대용량 광네트워크에서는 전송 중의 광중계노드(Relay Node)에 광 스위치를 구사한 ROADM(Reconfigurable Optical Add/Drop Multiplexer)노드를 삽입, 대용량 광신호를 전기 신호로 변환하지 않고 실현함으로써 광네트워크의 확장성이 현격히 향상될 가능성이 있다. 최근에는 여러 루트의 ROADM 실용화를 통해 100Gbit/s 채널을 임의의 파장, 임의의 루트에 자유롭게 설정할 수 있는 대규모 광중계노드가 실용화되고 있다.

그러나 지금까지의 SMF를 이용한 광통신 시스템에서는 기존과 같은 중계 간격을 유지하면서 100Tbit/s 이상의 대용량화를 실현하는 것은 어려워지고 있다. 전송 용량의 물리적 한계 요인으로는 광섬유 통신에서 고유의 광 비선형 효과에 의한 주파수 이용 효율 향상이 제한되고 있고, 이용자 및 통신시스템에 대한 안전을 확보하기 위한 허용 광입력 파워의 제한이 있다. 또한 광중계노드에서는 광신호의 대용량화로, 루트 설정 시행을 위한 노드스루풋의 비약적인 향상을 목표로 새로운 노드 아키텍처 및 고집적(高集積) 광스위치 기술, 고밀도 배선∙커넥터 기술이 요구되어왔다. NTT연구소에서는 중계전송 시스템 및 광중계노드 시스템의 대용량화∙대규모화를 경제적으로 가능하도록 하기 위해, 앞서 말한 제한 요인을 회피하고 한 층 더 확대된 대용량 광통신을 실현하는 공간다중(SDM: Space Division Multiplexing) 광통신 기술의 연구 개발을 추진해왔다.

-- SDM광통신 기술의 개요 및 이점 --

-- SDM 광통신 기반기술의 요소 기술 --
본 특집에서는 DSM광통신 기반기술의 3개의 요소기술의 관점에서 현상의 연구 개발의 상황과 향후 전망에 대해 설명하겠다.
①광송수신 전송장치의 고성능화∙고집적화∙저전력화 기술
②광노드장치의 대규모∙집적화 기술(광증폭중계기∙광스위치)
③광전송 매체의 다중∙집적화 기술(SDM 광섬유∙광 커넥터 융착 접속)

먼저, ①광송수신 전송장치의 고성능화∙고집적화∙저전력화 기술에 대해서는 지금까지의 SMF 베이스의 광통신 시스템과 공통의 보편적인 기술과제이다. 본 특집에서는 공간 다중 광통신 시스템에서만의 코어 간 크로스토크 특성 및 디지털 신호처리의 과제와 앞으로의 Pbit/s급 전송의 실현성에 대해서 해설한다.

②광노드장치의 대규모∙집적화 기술(광증폭중계기∙광스위치)에 대해서는 광중계노드 스루풋을 현재보다 100배 이상 확대해 10Pbit/s급으로 확대하기 위한 다양한 광중계 노드 구성방법을 검토하여 SDM광증폭기 및 SDM 집적 광스위치 등의 새로운 디바이스 기술의 연구 개발의 도전에 대해 해설한다.

마지막으로, ③광전송 매체의 다중∙집적화 기술(SDM 광섬유∙광 커넥터 융착 접속)에 대해서는 30~100이상의 고밀도 공간다중(DSDM; Dense SDM))을 실현하기 위한 광섬유 전송매체의 과제와 실현성을 해설한다.

-- 앞으로의 전개 --
앞으로의 SDM광통신기술을 통한 시스템의 성능 향상이 기대되는 적용 영역, 즉, 데이터 센터 인터커넥션, 통신국 내부 및 전송 장치 내부 배선 등에 비교적 거리가 짧고, 소형 고밀도 장치가 강하게 요구되고 있는 가운데, SDM광통신기술의 적용은 더욱 기대되고 있는 적용 영역 중 하나이다. 또한 지상의 코어∙메트로 네트워크에서는 기존의 광섬유 케이블의 자원을 효율적으로 이용하면서, 광중계노드를 대규모화해 스루풋을 향상하는 SDM광통신기술이 중기적으로 필요하게 될 것이다. 또한 차세대 대용량 SDM광섬유 케이블은 표준화 및 실용화를 추진함으로써 Pbit/s 용량을 뛰어넘는 경제적인 코어∙메트로 대용량 광네트워크의 실현을 지원할 수 있을 것으로 기대되고 있다. 동시에 더욱 대용량화되는 국제 통신을 지탱하는 해저 케이블 시스템 안에서 SDM광통신 기술은 기존의 SMF전송 한계를 초월한 대용량화를 실현하고 해저 케이블 시스템 고유의 급전 전력 제한을 완화하는 기술로서도 기대되고 있다.

   -- 끝 --