<테마특강>비영분산 광섬유(NZDSF) 기술동향

김대원 LG전선 광통신연구소 광케이블 연구실 전임연구원

◆최근 미국·유럽을 중심으로 초고속·대용량 장거리 정보통신망 구축을 위한 연구가 활발히 진행되고 있는 가운데 고밀도 파장분할 다중화(DWDM:Dense Wavelength Division Multiplexing) 광전송 기술이 차세대 네트워크 기반 기술로 각광받고 있다.

DWDM 광전송 기술은 광섬유내 간섭을 최소화해 전송의 효율성을 극대화한 「비영분산 광섬유(NZDSF:Non Zero Dispersion Shifted Fiber)」 기술을 기반으로 한다.

당초 광섬유는 기존 용융법을 뛰어넘는 합성법의 등장과 함께 보편화됐다. 전송손실이 발생하는 유리성분내 불순물을 줄여주는 합성법인 화학기상 성장법에 의해 ㎞당 전송손실을 20㏈ 이하로 낮출 수 있게 되면서 광섬유를 이용한 통신이 가능하게 된 것이다.◆

이후 80년대 중반 파장 1310㎚에서 0.5㏈/㎞의 전송손실 특성을 갖게 됐고 이같은 성과가 누적되면서 광섬유의 품질개선이 이뤄져 파장 1550㎚에서 0.20㏈/㎞까지 낮춘 현재의 전송손실에 도달하게 됐다.

광통신은 광섬유 기술 및 반도체 레이저 같은 광원개발 등에 힘입어 급속히 발전했다. 광통신은 인터넷을 비롯한 각종 데이터 서비스에 대한 수요증가로 향후 몇 년 간 활황을 거듭할 것으로 전망되고 있는데 이를 수용할 수 있는 가장 경제적인 방법이 바로 DWDM 광전송 기술인 셈이다.

DWDM 시스템은 장거리통신망·지역통신망·시내통신망 등을 가리지 않고 전송용량증대를 위해 급속히 확산되고 있다. 20∼40Gb/s에 달하는 DWDM 광전송 시스템의 광섬유당 전송용량은 앞으로도 계속 증가할 것으로 예상되고 있으며 기가급에서 더 나아가 테라급의 전송시스템이 멀지 않은 미래에 상용화될 것으로 전망된다.

기존 단일모드 광섬유(SMF:Single Mode Fiber)를 이용하면 광섬유의 색분산으로 인해 전송거리가 극히 제한될 수밖에 없다. 색분산이란 신호파장성분, 즉 모드에 따른 각 주파수에 대한 위상상수 변화율의 역수인 군속도 차이로 발생하는 신호의 퍼짐현상을 말한다. 색분산에 의해 수신단에서는 신호의 중첩이 일어나기 때문에 복조가 불가능하게 되는 등 치명적인 결함이 나타난다.

장거리망에 사용되는 광섬유는 파장 1310㎚에서 영분산을 갖는 SMF로 이 섬유는 빛을 전파하는 코어가 스텝 인덱스형으로 설계돼 있다. 즉 SMF에 파장 1550㎚인 레이저를 통과시키면 17㎰/㎚·㎞의 분산이 발생하며 이때 분산은 전송거리를 제한해 분산보상이 필요하다. 분산보상을 하기 위한 분산보상용 광섬유(DCF:Dispersion Compensation Fiber)가 상용화돼 있으나 값이 비싸 막대한 비용이 소요된다는 단점이 있다.

한편 광섬유의 전체적인 손실과 파장 간의 관계를 고려해보면 파장 1550㎚에서 분산값은 파장 1310㎚에 비해 크지만 반대로 손실은 최소화된다. 또한 파장영역 1530∼1565㎚를 증폭하는 새로운 광 증폭기가 개발됨에 따라 중계과정 없이 장거리 전송이 가능하게 됐다.

이에 따라 기존의 파장 1310㎚영역으로부터 파장 1550㎚의 영역으로 영분산을 천이시켜 분산과 손실의 최소화를 함께 도모한 분산천이 광섬유(DSF:Dispersion Shifted Fiber)가 출현하게 됐다. 이 광섬유는 색분산을 구성하고 있는 재료분산과 구조분산을 최적화해 설계했다.

광섬유 관련 기술의 발전과 함께 보다 많은 양의 정보를 더 빠르게 전송하기 위해 서로 다른 파장을 가진 여러 개의 광신호를 다중화해 하나의 광섬유로 동시 전송하는 DWDM방식이 등장했다. DWDM방식의 광전송 장치는 DSF를 사용할 경우 영분산을 달성할 수 있음에도 불구하고 신호왜곡이 불가피하게 발생한다. 이는 DSF의 코어에서 발생하는 광의 전계강도분포를 나타내는 모드필드경(MFD:Mode Field Diameter)이 기존의 SMF에 비해 작기 때문이다. 광증폭기에서 광섬유로 입사되는 높은 광강도로 인해 파워 밀도가 급상승하게 되는 과정에서 서로 다른 파장의 광혼합에 의한 4광파 혼합(FWM:Four Wave Mixing)과 같은 간섭신호가 발생되기 때문에 일어나는 것이다.

광통신에 있어 광전송 시스템의 전송용량을 증가시키려면 파장분할 다중화 방식을 이용해 채널 수를 증가시키는 방법이 가장 현실적이다. 그러나 광증폭기의 증폭대역이 제한돼 있으므로 채널 수를 증가시키려면 채널간격을 축소할 수밖에 없는데 채널 간격이 축소되면 FWM과 같은 광섬유의 비선형성은 더욱 큰 문제를 일으킨다. 이러한 비선형성은 채널 간격이 좁아지거나 광섬유의 분산치가 감소됨에 따라 더 심각하게 나타난다.

따라서 향후 수년 내에 일반화될 것으로 예상되는 초대용량 시스템을 수용하기 위해서는 기존의 SMF나 DSF의 문제점을 보안할 수 있는 광섬유를 기대할 수밖에 없다.

이에 대한 해결책으로 제안된 기술이 바로 NZDSF 기술이다. NZDSF는 실제 이용되는 광증폭기의 증폭영역이 1530∼1565㎚이므로 광섬유의 영분산 파장이 이 영역밖으로 벗어나도록 설계됐다. NZDSF는 국제전기통신연합(ITU)에서 심의한 G.655로 규격화돼 있다. 이 광섬유는 DSF의 세그먼트 코어나 듀얼형 구조를 약간 수정한 것으로 분산값은 1530∼1565㎚ 영역에서 1∼6㎰/㎚·㎞ 정도를 갖는다. 영분산 파장이 단파장쪽으로 있는 NZDSF는 양분산을 갖게 되고 장파장쪽으로 있는 광섬유는 음분산을 갖는다.

NZDSF는 지난 1993년에 미국 루슨트테크놀로지사에서 최초로 상용화했다. 이 제품은 기존 1파장 10Gb/s의 전송을 가정해 설계된 DSF신호의 열화를 발생시키는 비선형 현상을 극복하기 위해 개발됐다. 그러나 파장다중의 다중수가 파장 1530∼1565㎚ 영역에서 10Gb/s, 40채널로 증가함에 따라 광섬유에 대해 요구되는 조건도 변화했다. 루슨트의 신제품(모델명 TrueWave RS)은 파장 1530∼1620㎚ 사이 신호광의 퍼짐현상을 억제했다. 신제품은 분산 기울기를 기존의 NZDSF와 비교해 35% 정도 줄인 것으로 분산보상비용을 절감할 수 있다.

이상적인 광섬유의 분산은 전체 파장영역에서 일정한 값을 가져야 한다. 그러나 모든 광섬유는 파장에 따라 분산이 변하게 돼 일정한 기울기로 나타나게 된다. 즉 기울기가 작아질수록 파장에 따른 분산의 변화량은 적어지게 된다. 루슨트의 「TrueWave RS」는 기본적으로 파장 1530∼1565㎚ 영역(C-Band 혹은 제3의 창)에서 작동하며 분산 기울기가 작아 장파장 영역대역인 1565∼1620㎚(L-Band, 혹은 제4의 창)에서 작동한다.

미국 코닝사에서도 NZDSF를 개발해 LEAF(Large Effective Area Fiber)라는 모델명으로 출시했다. 이 제품은 기존의 제품에 비해 32% 이상 증가한 유효 단면적을 가지고 있다. DWDM 시스템에서는 고강도의 광을 광섬유의 코어에 입사해야 하는데 총 광강도를 유지한 상태에서 비선형 현상을 억제하는 방법은 파워밀도를 낮춤으로써 가능하다. 이는 또 광을 전파하는 코어의 유효 단면적을 크게 늘림으로써 가능하다. LEAF는 유효 단면적을 크게 하기 위해 분산곡선의 기울기를 늘리거나 케이블링됐을 때 구부림 특성에 손상을 줄이는 등 기존의 코어구조 제품의 문제점을 보완해 실용화했다. 최근 들어서는 LEAF의 유효 단면적(70∼80㎛²)에 비해 훨씬 더 단면적이 커진 100㎛² 이상의 광섬유도 연구·개발되고 있다.

프랑스 알카텔은 최근 장거리 네트워크에 있어 더 높은 전송률, 좁아진 채널간격 그리고 더욱 많아진 광증폭 대역으로 향한 기술의 발전은 전송에 사용되는 광섬유의 분산값, 분산 기울기, 유효 단면적 등을 최적화한 새로운 광섬유를 발표했다. 이 광섬유는 분산값을 종래의 SMF와 NZDSF의 중간값인 8㎰/㎚·㎞를 가진다. 또 다른 특징적 제품은 파장 1440∼1500㎚(S-band)에서 이용가능한 광섬유다. 국내에서도 이같은 특성을 나타내는 광섬유에 대한 연구가 활발히 진행되고 있으며 장거리망에 사용할 수 있는 광섬유에 대한 연구도 함께 이뤄지고 있다.

향후 DWDM방식에 의한 초고속·대용량 시스템에 필요한 광섬유는 전송시스템의 설계에 의한 요구에 따라 광섬유의 특성을 보완, 개량하는 방향으로 전개될 것으로 예상된다. 또 누적된 분산을 광대역대에서 얼마만큼 경제적으로 보상할 수 있는가 하는 광섬유 기술도 연구되고 있다. 광통신의 발전은 예측보다 훨씬 빠르게 진행되고 있으며 이에 대해 어떤 업체들이 어떻게 발 빠르게 대처하는가에 따라 향후 시장구도가 결정될 전망이다.

★약력

1965년 10월 4일생

1988년 2월 한양대학교 공과대학 무기재료과 졸업

1990년 2월 한양대학원 공과대학 무기재료과 석사

1996년 10월 일본 동경공업대학교 공과대학 재료공학과 졸업

1996년 12월∼1997년 12월 한국과학기술원 재료공학과 Post Doc.

1997년 3월∼1997년 8월 대전 산업대학교 재료공학과 강사

1998년 1월∼ LG전선 광통신연구소 전임연구원