[테마특강] 테라비트 완전 광통신기술

김경헌

<>경북대 물리학과 졸업

<>미국 뉴욕주립대 물리학 박사

<>미항공우주국 상임주재 연구원

<>미국 햄프턴대학 연구조교수

<>현재 ETRI기초기술연구부 완전 광통신 연구팀장

초고속.대용량 멀티통신 "가늠자"

완전광통신 기술이란 빛이 가지고 있는 물리적 특성을 최대한 이용하여 테라(10¹²)비트급 이상의 고속 대용량 정보통신 시스템을 구현하기 위한 통신 기술을 말한다. 그 동안 동선의 전류 흐름을 이용한 통신기술인 전자식정보 통신이 주류를 이뤘다. 하지만 정보의 양이 점점 증가한서 이러한 전자식 통신방식이 처리하는 양이 한계 수준에까지 다다랐다. 테라급 정보처리시대를 열어 나아가기 위해서는 전자식 방식이 가지는 한계성 극복이 무엇보다필요하다. 그 해결방법이 광학적 방법이다. 그 동안 증가하는 정보를 처리하기 위해 국부적으로 빛을 이용한 광통신 기술이 이용됐다. 그러나 다가올 초고속 정보화 시대에서는 기존의 전자식 통신망과 신호처리 시스템이 완전히광학적인 통신망과 신호처리 시스템으로 대치될 전망이다.

기존의 광통신 기술은 주로 장거리 통신에만 사용됐다. 물론 최근 광통신기술이 거리 고속 데이터 망에 응용되고 있다. 기존의 장거리 광통신에서는여러 채널에서 나오는 전기신호중 상대적으로 낮은 속도의 신호를 전자식으로 묶어 처리하고 이를 광신호로 바꾸어 광섬유를 통해 전송했다. 신호 증폭이 필요한 경우 다시 전기 신호로 바꾸어 전자식으 증폭하고 이를 다시 광신호 바꾸어 전송해 왔다. 최근 광신호를 직접 증폭해주는 기능을 가지도록 희토류 원소인 어븀 이온(Er³)이 첨가된 실리카 광섬유가 기존 전자식 증폭기를 대체하는 광 증폭기로 사용되면서 광통신 시스템의 전송 용량을 증가시키는데 크게 기여하고 있다. 그러나 가정용 통신망이나 가입자망은 대부분 두가닥으로 된 동선을 통해 전기적인 신호를 주고받고 있어 광통신에 대한 실감을 별로 갖지 못하고 있다. 하지만 앞으로 영상전화 및 고화질 텔레비전등과 같은 대용량 멀티미디어 서비스에 대한 요구가 커질수록 가정이나 가입자 또는 단말기에서 나오는 정보를 광신호로 변환한 다음 전기적인 신호로의변환없이 상대측 가입자 또는 단말기에 직접 광신호로 전달하는 완전 광 통신망 구도가 될 것이다.

정보 통신 분야에서 빛이 응용될 수 있는 물리적 특성으로는 공간, 시간및 파장(또는 주파수) 등이다. 광섬유를 통한 유선 통신에서 빛의 공간적 특성은 광섬유라는 광 도파로 경로에 한정된다. 따라서 대용량 정보처리를 위해서는 궁극적으로 광신호의 시간적 특성과 파장(또는 주파수) 특성을 최대한으로 이용해야 한다. 이러한 광통신 기술에는 크게 시간분할다중 기술과파장(또는 주파수) 분할다중 기술이 있다.

정보 전달의 대용량화·정확성·다양한 정보의 용이한 취급 등을 위해 앞으로 디지털 정보통신 기술이 주종을 이룰 것으로 전망된다. 디지털 정보의전달은 주로 펄스 형태의 신호를 이용하게 된다.

시간분할다중 통신 기술은 여러 채널에서 오는 짧은 펄스신호들을 시간축상에서 펄스사이에 섞어서 함께 전송하거나 신호 처리하는 디지털 신호처리방법이다. 기존에는 긴호를 다중화 하거나 증폭시킬 경우에 주로 전기적인신호로 처리하고 다만 광섬유로 보내는 과정에서만 광신호를 이용했다. 따라서 전자소자의 속도가 신호 처리용량을 고속화하는데 주된 장애 요인이었다.

광신호 자체를 증폭시켜 주는 광증폭기가 사용때 신호의 전송 및 처리 용량을 증가시켰다. 앞으로는 각 채널에서 발생되는 정보를 광신호로 변환하여원하는 상대방에게까지 광신호로 직접 정보를 전달하는 완전 광통신 기술로이루어진 고속 대용량 통신 시대가 이루어질 것이다.

이러한 완전 광통신 기술로 광 시간분할다중 기술이 꼽힌다. 이 기술은 근본적으로 약 1백30THz수준인 통신용 광주파수까지 고속으로 광신호의 다중화가 가능하다. 하지만 광섬유 자체의 손실 특성으로 사용 가능한 파장영역은1.5m과 1.3m 파장 대에서 각각 약 15THz로 총 30THz로 한정된다. 광 시간분할다중 전송 용량을 더 크게 하기 위해서는 초당 광펄스의 생성과 더불어 광섬유의 분산 효과를 부상하는 기술 광동기 신호 재생, 저손실의 광섬유 기술등에 대한 활발한 연구가 필요하다. 시간 분할다중 광통신기술의 제한적특성을 보완하기 위한 방법이 각 채널 광신호의 다른 파장(또는 주파수) 특성을이용해 대용량 신호를 처리하는 파장 (또는 주파수) 분할다중 광통신 기술이다. 이를 위해 파장 가변 광원 및 주파수 안정화, 광필터, 균일한 증폭 특성의 광증폭, 파장변화 등의 소자 기술 개발과 비선형 광학효과 등에 대한 연구가 진행되어야 한다. ETRI기초기술연구부에서도 이 분야의 선도적인 연구가 이루어지고 있다. 궁극적으로는 시간분할다중 기술과 파장(또는 주파수)분할다중 기술을 혼합하여 각 채널별로 상대적으로 낮은 속도로 시간분할다중화하고 이를 최대로 파장분할다중하여 전송하거나 처리하게 하는 형태로연구되고 있다. 목적은 빛이 가지는 물리적 정보처리 용량을 최대로 이용하기 위한 것이다.

빛을 매체로 이용한 광전송 및 정보처리 용량은 비록 실리카 광4유의 저손실 영역과 색분산, 비선형 광학 효과 등으로 인해 제약이 있지만 테라비트급(Tbit/s)이상의 대용량 광전송 용량이 가능하다. 그 동안 국간 또는 도시간, 대륙간의 대용량 정보 전달을 위한 장거리 통신망에 주로 이용되어온 광통신 기술은 10비트/s 수준까지 실용화됐으며 최근에는 비트/s(초당 1조 비트의 데이터를 처리하는) 수준까지 실험실에서 가능할 정도로 발전했다.

이밖에 광섬유의 색분산 효과와 비선형 효과를 효과적으로 이용해 광섬유내에서 전달되는 광펄스의 폭이 변하지 않도록 유지된 광 솔리톤(sptical soliton)을 이용한 광전송기술도 연구되고 있다. 어븀 광섬유 증폭기의 발전으로 고출력의 광펄스를 얻는 것이 용이해 이 분야 기술에 많은 발전이 이루어져 왔다. 솔리톤 전송의 큰 장점은 상대적으로 높은 강도의 광 세기로 신호전송이 가능해 장거리 전송에 적합하고 수신 에러가 적으며 광 검축기의 높은 감도를 필요로 하지 않는다는 점이다. 그러나 솔리톤 전송에서는 솔리톤을 유지하기 위해 주기적인 광증폭이 필요한데 이 과저에서 유도되는 증폭기잡음에 의해 시간 에러는 5국 최대 전송속도와 거리에 대한 한계를 야기시킨다. 최근 증폭기 잡음에 의한 시간 에러는 결국 최대 전송속도와 거리에 대한 한계를 야기시킨다. 최근 이 한계를 극복하는 방법과 시간 및 파장분할다중 구도를 이용하는 방법으로 수백 기가급 이상의 광 솔리톤을 수백 km이상전송한 연구 결과가 보고되고 있다.

현재까지 개발된 대용량 전자식 교환기의 총 신호처리 용량은 대당 수 비트/s 정도이다. 앞으로 정보처리 수요 용량이 수 천 또는 수 만 배로 커질것으로 보여 정보처리용 교환기도 광학적으로 정보처리가 가능한 광 교환기로바뀌어야 한다. 이를 위해 현재 광신호처리 소자 및 방식 등에 관한 연구가활발히 이루어지고 있다. 특히 광신호의 공간적, 시간적 및 파장(또는 주파수) 특성을 이용한 공간분할형, 시간분할형과 파장(또는 주파수) 분할형 광교환기 등에 대한 연구가 주로 이루어지고 있다. 공간 분할형 광교환기는 2차원적 평면상에서 광신호의 진행경로를 바꾸어 주는 스위치를 이용하는 방법과 3차원적 공간에서 광신호의 경로를 바꾸어 주는 자유공간 광교환 방법이 있다. 후자가 병렬형 광신호 처리에 용이하나 집적화 및 안정화에 어려운단점이 있다. 시간분할형 광교환기는 펄스 열을 시간적으로 처리하는 광변조기 또는 광 스위치를 이용하는 것이며 파장 또는 주파수분할형 광교환기는파장(또는 주파수)에 따른 신호를 처리하는 광필터 또는 광분리 소자 등을이용하는 것이다.

빛과 물질의 상호작용을 이용, 고속 대용량 광통신 기술에 필요한 기능소자를 구현하기 위해 반도체 재료와 유기물, 강유전체 등 재료에 대한 연구도진행중이다. 또 이들 재료의 효과적인 조합과 구조에 따른 광원, 광신호 변조, 광논리, 광기억, 광연산, 광검출기 기능 소자들에 대한 연구가 활발히진행되고 있다. 게다가 빛의 공간적 및 파장적 특성을 이용한 병렬처리 구도는 앞으로 대용량 신호처리에 있어 많은 가능성을 가지고 있어 홀로그램 등에 관련된 소자 기술과 신호 처리 기술에 대한 연구도 활발하게 진행되고 있다.

앞으로 모든 가입자들이 광섬유로 연결되는 완전 광통신시대에서는 현재사용되고 있는 전화망과 분배식 방송망, 다양한 데이터망 등이 모두 통돼 하나의 통합망에서 모든 정보가 제공될 것으로 기대된다. 이러한 통합된 완전광토신망에서 대용령 정보교환이 효과적으로 이루어지기 위해서는 기존 전자식 신호처리기술보다 빛의 물리적특성을 최대한 이용한 멀티미디어 신호처리용 광신호 처리기술이 필요하다. 그러나 광전송 및 광교환 기술을 포함하여각 분배점 허브 노드에서의 광신호의 분배와 취합에 관련된 소자 및 신호처리 기술, 그리고 전체저리 통신망 운영 등에 관련된 하드웨어 및 소프트웨어적 기술 등이 아직 연구되어야 과제로 남아 있다. 물론 최근 광필터나 파장선택적 거울 등에 의한 빛의 파장 특성을 이용해 광신호의 광학적 분배 및삽입소자, 신호 채널들간 광 상호 분배기(Optical Cross Connect)등에 관한연구가 이루어지고 있으나, 아직 초보적인 수준에 불과하다.

테라급 광정보처리 시대를 열어가기 위한 완전 광통신시스템에서 핵심이되는 워천 기술의 조기 확보를 위해 소재에서부터 시스템에 관련된 모든 첨단 기술들이 ETRI를 비롯 여러 선진 연구기관들에서 활발히 연구되고 있다.

다가올 테라비트 정보처리 시대에는 대용량 정보의 교환으로 다양한 멀티미디어 서비스가 대중화되어 사회생활의 커다란 변화를 볼고 올 것으로 예상된다.