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[광섬유 통신 인프라의 개발과 기술동향 ④] 광해저케이블 시스템의 과제와 전망

2017-07-01

[광섬유 통신 인프라의 개발과 기술동향 ④] 광해저케이블 시스템의 과제와 전망 본고에서는 광해저케이블 시스템의 특징과 현황기술을 소개하고, 이와 함께 향후 예상되는 대폭적인 트래픽 증가에 대응하기 위한 「광섬유 전송용량과 시스템 길이의 곱」을 「엑사」의 영역에 도달시키기 위한 기술과제에 대해 알아본다. 정리 편집부 국제통신수요의 증대를 배경으로 광해저케이블 시스템은 1990년대 이후 급성장했다. [그림 1]에 주요 태평양 횡단 광해저케이블 시스템의 광섬유당 전송용량 추이를 나타냈다. 1989년에 서비스를 개시한 TPC(Trans Pacific Cable)-3에서 처음으로 광통신 방식이 이용된 이후, 1996년에 TPC-5에서 광증폭 기술이, 1999년에 서비스를 개시한 China-US 케이블에서는 파장분할 다중(WDM: Wavelength Division Multiplexing) 전송기술이 각각 도입되었다. WDM 전송기술이 도입되면서 전송용량의 확대에 박차가 가해져 1999년 이후 5년간 1000배의 용량 확대가 실현되었다. 그 후 2000년대 초반부터 몇 년간은 신규 시스템의 건설이 중단되었지만, 최근의 수요 증대에 따라 건설이 재개되고 있다. 해저 케이블 시스템은 여러 가지 면에서 육상 케이블 시스템과 다르다. 먼저, 태평양 횡단 케이블 시스템에서는 최대수심이 8000m에 달하기 때문에 그 수심에 견딜 수 있는 고내압성, 고장력성이 케이블과 중계기에 요구된다. 또 해저에 부설된 광해저케이블은 수리 및 유지보수가 어렵기 때문에 높은 신뢰성도 필요하다. 또한, 중계기의 크기 및 소비전력의 제약으로 심선 수(心線數)가 제한되기 때문에 심선당 전송용량의 확대가 매우 중요한데 광증폭 중계 시스템에서는 잡음 및 파장분산 등 전송열화 요인이 수천km의 장거리에 걸쳐 누적되기 때문에 그 영향을 경감하기 위한 전송기술이 필수적이다. 광해저케이블 시스템의 기술현황 최근의 태평양 횡단 광해저케이블 시스템에서는 전송속도 10Gb/s의 신호를 100채널, 약 0.3nm의 파장간격으로 파장다중화하여 전송함으로써 광섬유당 전송용량 1Tb/s급의 시스템이 실현되고 있다. 변조방식으로는 빛의 점멸에 의해 정보를 전송하는 강도변조신호가 이용되어 왔지만 최근에는 강도변조신호보다 수신감도가 높은 위상변조신호의 도입이 시작되고 있다. 또, 시스템 마진의 확대를 위해 고성능의 오류정정부호가 도입되고 있다. 전송로로는 이득대역이 30nm 정도까지 확대된 저잡음 광증폭기와 분산 매니지먼트 전송로가 사용되고 있다. 분산 매니지먼트 전송로에서는 전송 중에 누적되는 광섬유 파장분산의 파장의존성의 영향을 피하기 위해 분산특성이 역특성이 되는 2종류의 광섬유를 이용함으로써 광대역에 걸친 평탄한 파장분산특성을 실현하고 있다. 광해저케이블 시스템의 최근 동향 동영상계의 인터넷 트래픽 증가 등으로 인해 최근 태평양 횡단 회선 수요가 대폭적으로 늘어나면서 기존의 해저케이블 용량으로는 부족한 실태에 이르게 되었다. 그에 따라 2000년대 초반의 건설러시(건설붐) 이후 몇 년간 중단되었던 신규 해저케이블 건설이 재개됨과 동시에 기존 해저케이블의 업그레이드가 이루어졌다. 당면한 수요 증가에 대해서는 이미 실용화 단계에 있는 기술들로 대응할 수 있겠지만, 현재의 트래픽 증가 속도가 앞으로도 지속될 경우 현재의 기술만으로는 대응에 한계가 있어 더 큰 규모의 대용량화를 실현하기 위한 기술개발이 필수불가결하다. 이러한 대용량화 요구에 부응하기 위해 파장당 전송속도를 40Gb/s 이상으로 고속화하는 연구개발이 진행되고 있다. 전송속도를 고속화할 시의 커다란 문제는 전송속도의 고속화와 함께 소요 광신호대 잡음비(SNR: Signal to Noise Ratio) 및 파장/편파분산의 영향이 증대되는 것이다. 이러한 문제들에 대처하기 위해 위상변조방식의 적용이 검토되고 있으며, 위상변조방식을 이용한 40Gb/s 기반 WDM 전송실험으로부터 대양횡단거리전송도 보고되고 있다. 해저케이블 시스템의 이노베이션 「전송용량과 시스템 길이의 곱은 4년에 10배의 속도로 증가한다」는 무어의 법칙(Moore's Law)이 논의되고 있다. 최근의 광해저케이블에서도 이 법칙에 따라 전송용량이 확대되고 있으며, 이미 「페타」(광섬유 용량 1Tb/s×전송거리 10000km)의 영역에 도달하고 있다. 따라서 지금부터 약 15년 후인 2030년을 고려할 경우, 광해저케이블의 연구개발은 「엑사」의 영역을 목표로 할 필요가 있다. 이것은 전송거리가 10000km인 광해저케이블을 상정했을 경우, 광섬유 용량으로 100Tb/s에 해당한다. 100Tb/s의 광섬유 용량을 실현하기 위해서는 이용 가능 대역의 확대와 더불어 단위 주파수당 전송 가능한 용량에 상당하는 주파수 이용효율의 대폭적인 향상이 필수적이다. 광증폭기의 증폭대역으로서 현황기술을 기반으로 100nm 정도를 이용 가능하게 하려면 주파수 이용효율을 8b/s/Hz 정도까지 향상시킬 필요가 있다. [그림 2]에 최근의 장거리 WDM 전송실험에서 얻어진 주파수 이용효율과 전송거리의 관계를 나타냈다. 최근에는 디지털 신호처리를 이용한 코히런트 수신기술의 연구개발이 왕성하게 진행되고 있으며, 여기에 나타내는 실험의 대부분은 편파 다중화된 다치변조 신호의 코히런트 수신을 나타내고 있다. 500km 이상의 장거리 파장 다중전송에서 얻어지는 최고 주파수 이용효율은 6.2b/s/Hz인데 전송거리가 길어짐에 따라 광섬유 전송 중 비선형 광학효과의 영향이 커지기 때문에 높은 주파수 이용효율을 얻기가 어려워진다. 그리하여 5000km 이상의 전송실험에서는 주파수 이용효율이 4b/s/Hz 이하로 제한되고 있으며, 그 향상이 커다란 과제가 되고 있다. 다음으로 주파수 이용효율의 이론한계에 대해 알아본다. 통신시스템에서의 주파수 이용효율의 이론한계는 샤논의 한계로 알려져 있으며, 광통신 시스템에서의 구체적인 검토도 이루어지고 있다. 이러한 검토를 기반으로 편파다중시스템에 확장한 결과를 [그림 3]에 나타냈다. 여기서는 위상편이방식(PSK: Phase Shift Keying)과 직교진폭변조(QAM: Quadrature Amplitude Modulation)의 경우에 대해 플롯했다. 또, 그림의 횡축에 표시된 SNR은 비트당 SNR이므로 10Gb/s 및 100Gb/s 신호를 가정하여 분해능을 0.1nm으로 한 경우의 광SNR도 그래프의 하부에 나타냈다. [그림 3]에는 최근 고주파수 이용효율 시험에서 얻어진 결과도 플롯하였는데 고주파수 이용효율의 실험결과만큼 이론한계와의 차이가 벌어지는 경향을 확인할 수 있다.[그림 3]의 100Gb/s 시스템에 있어서 주파수 이용효율의 목표치를 달성하기 위해 필요한 광SNR을 추정하면, 8b/s/Hz의 주파수 이용효율을 얻기 위한 24dB의 광SNR이 필요하다. 이 값을 목표치로 하여 태평양 횡단 케이블에서 소요되는 신호파워를 계산한다. 그때, [그림 4]에 보이는 바와 같이 현재의 태평양 횡단 케이블과 같은 최단 루트(9000km) 외에 일본에서 캄차카 반도, 알래스카를 경유하는 루트를 상정했다. 여기서 경유지 간의 전송거리는 3000km로 가정했다. 먼저, 10Gb/s 기반의 태평양 횡단 케이블에 대해 소요 신호파워를 계산한 결과, 전 채널의 총 광섬유 입력파워는 25mW였다. 그다음, 목표 시스템에 대해 최단 루트와 경유 루트의 각각에 있어 주파수 이용효율을 8b/s/Hz로 한 경우의 소요 신호파워를 계산했다. 이때 광섬유 손실 및 광증폭기의 잡음지수를 저감할 수 있도록 상정하여 가능한 한 소요 신호파워를 저감하는 조건(광섬유 손실: 0.23→0.16dB/km, 광증폭기 잡음지수: 5.5→3.5dB, 광증폭기 간격: 45→40km)에서 계산을 실시했다. 그 결과, 최단 루트와 경유 루트에 대해 계산된 전 채널의 총 광섬유 입력파워는 각각 900mW, 280mW였다. 이로부터 8b/s/Hz의 주파수 이용효율을 얻기 위해서는 경유 루트를 가정한 경우라도 광섬유 입력파워는 현재의 10배 정도로, 광중계기의 고출력화가 필수적이다. 광중계기의 출력은 해저케이블의 급전용량에 비례하기 때문에 현재보다 10배 정도의 급전용량이 필요하게 되어 큰 과제가 되고 있다. 한편, 광증폭기의 이용 가능 대역을 현재의 2배 이상으로 확대하고, 목표로 하는 주파수 이용효율을 4b/s/Hz로 한 경우, 광섬유 입력파워는 최단 루트의 경우라도 현재의 6배 정도가 된다. 특히, 경유 루트를 가정할 경우, 현재의 2배 정도의 광섬유 입력파워로 충분하기 때문에 광증폭기의 광대역화도 중요한 과제가 되고 있다. 이상의 검토결과로부터 100Tb/s의 광섬유 용량을 실현하기 위한 연구개발 과제는 다음과 같이 정리된다. 먼저, 광송수신 기술로는 비선형 내력이 크고, 고감도의 변조방식이 필요하다. 변조방식으로는 기존의 방식과 마찬가지로 단일 반송파를 이용하여 QAM 등을 사용해 다치화하는 방법 외에 복수의 반송파를 이용한 OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)도 후보로 들 수 있다. 또, 송수신단국에서의 디지털 신호처리기술의 중요성도 날로 높아지고 있으며, 오류정정부호의 고성능화 및 파장/편파분산뿐만 아니라, 광섬유 전파 중에 발생하는 비선형 광학효과를 효율적으로 보상하는 신호처리기술, 그리고 모드다중전송을 실현하기 위한 모드분리 처리기술이 중요하게 다뤄질 전망이다. 광전송로 기술로는 광섬유의 저손실화 및 저비선형화가 필수적이다. 한편, 증폭기의 광대역화, 저잡음화, 고효율화 역시 필수불가결하다. 케이블 및 중계기 기술로는 광섬유 입력 신호파워의 증대에 대응하기 위한 내압의 향상(10배 정도)과 함께 급전선의 저저항화(1/10 정도) 및 중계기 회로의 저소비전력화가 요구된다. 또 케이블의 용량 증대를 위해서는 광섬유의 멀티코어/모드화를 포함한 다심화(多芯化)가 유효하며, 수용 가능한 심선 수를 10배 이상으로 증가시키기 위한 다심수용케이블의 개발 및 중계기 회로의 초소형화가 필요하다. < Energy News >