IT Tech Note

Coherent란?

파동이 균일하고, 위상이 규칙성을 가지고 있는 상태를 말한다. 즉 주파수가 매우 안정적이고, 변동이 없는 광원을 Coherent 광이라고 한다.

광섬유 분야의 기술로, 단순히 광 신호의 세기 변조 및 직접 검출로 신호를 판별하는 것이 아니다. Coherent 검출 방식은 광 신호가 멀리 전송될 때 신호의 세기가 약해져도, 광 신호의 위상 또는 주파수 변조에 의해 신호를 판별, 수신 할 수 있는 기술을 말한다. 

기존의 광 전송 기술은 빛의 세기만으로 신호를 판별하였고, 2.5Gpbs, 10Gbps, 40Gbps, 100Gbps로 전송이 확장되면서 분산과 감쇠, 즉 신호 전송의 문제가 커지게되어 한계에 부딪혔고, Coherent 광 기술의 등장 배경이 되었다.

Coherent는 앞서 말한 위상을 통해 수신단에서 신호를 검출하기 때문에 장거리, 고용량 정보 전송에 적합한 첨단 복합 광전송 시스템이다.

광통신의 성능 잠재력을 더욱 활용하고, 대역폭을 늘리며, 에러 정정 기능으로 신뢰성 향상, 배포 비용을 줄이는데 도움을 주는 기술이다.

Choerent 기술은 백본망, 데이터 센터, 광 해저 케이블 그리고 5G/6G 통신망에 주로 활용된다. 

기존 백본 네트워크 WDM 시스템을 업그레이드 하거나, 5G 미드 백홀 시나리오에서도 사용 가능하다.

또한 데이터센터 상호 연결 (DCI) 시나리오에 초점을 맞춰 장거리 Coherent 광 모듈에 대한 수요를 충족시키기 위한 발전을 지속하고 있다.

하지만 기술적인 이점과는 별개로 복잡한 공정, 대용량, 높은 전력 소모 등 해결해야 하는 과제들이 남아있다.  

Coherent 장점

   1. 기존 전송 기술 방식 대비 10~100배 향상

   2. 100Gbps, 400Gbps, 1Tbps 이상 전송 가능

   3. 향상된 에러 정정 기능으로 신뢰성 향상

   4. 광 증폭기를 사용할 경우, 간섭 제거 가능 

   5. 주파수 대역 활용도가 크기 때문에, 수신간도와 주파수 활용 측면에서 효율적임

Coherent 동작 원리

   1. 입력 신호를 ASK, FSK, PSK를 통해 좁은 선폭을 갖는 반송파에 변조 시킨다.

   2. 수신단에서 광 국부 발진기를 사용하여(헤테로다인 방식으로(Optical FDM)), 광 IF(중간 주파수를) 만들어낸다. 

        **헤토로다인 중계기:

          무선 회선 중계 방식으로, 수신된 마이크로파를 중간 주파수파로 변환, 중간 주파수 증폭기로 필요한 만큼 증폭 한 뒤, 마이크로파로 다시 변환하여 송신하는 중계 방식

   3. 해당 주파수 필터를 통해 분리한다.

Coherent 주요 기술

편광 보존 기술

Coherent 검출시  신호 광과 국부 발진기 광의 편광이 동일해야 한다.(간섭 수신이 제공할 수 있는 높은 감도를 얻기 위해서는 둘의 전기적 벡터 방향이 동일해야 하기 때문이다. 고감도를 확보하기 위해서는 광파 편광 안정화를 위한 주파수 안전화 기술, 스펙트럼 압축 기술이 있다. 

 1. 주파수 안정화 기술
    -반도체 레이저의 주파수 안정성은 코히어런트 광통신에서 매우 중요함.

    -온도와 전류 변화에 민감해, 레이저 주파수가 다른 작동 조건으로 드리프트하면 IF 전류에 영향을 미쳐 BER이 증가함.
 2. 스펙트럼 압축 기술
    -광원의 스펙트럼 폭(좁은 선폭)은 Coherent 광통신에서 중요함.
    -반도체 레이저의 양자 진폭 변조 및 주파수 변조 노이즈가 수신기의 감도에 미치는 영향을 극복할 수 있음.
    -위상 드리프트로 인한 위상 노이즈가 작아짐.
    -일관된 광통신 요구사항을 충족(장거리 전송이 훨씬 쉬워짐)시키기 위해서는 스펙트럼 폭 압축 기술이 채택됨.

데이터 변조

위상차는 sin파와 cos파의 직교성을 통해 두 신호를 조합했을 때 어떠한 신호도 표기할 수 있게 된다. 이를 IQ Modulation이라고 한다.
즉 I와 Q신호를 별도로 조절했을 때, 모든 반송파 신호를 나타낼 수 있음을 의미한다. 

추가적으로, IQ변조를 통해 진폭과 위상 데이터를 직관적으로 나타낼 수 있어 많이 사용된다.

이외에도 HW 설계시 RF 반송파의 위상을 직접 조작하여 원하는 신호를 얻을 수 있기 때문에 많이 활용 된다.

IQ는 IQ-plot을 통해 다이어그램으로 나타낼 수 있다.

Modulation?

변조란 보내고자 하는 정보 신호를 가지고 Carrier(반송파)의 진폭, 주파수 및 위상을 변화시키는 것이며, 정보 신호의 주파수 스펙트럼을 높은 곳으로 옮기는 조작이다.

Modulation 종류

 1. ASK(Amplitude Shift Keying): 변조 신호를 가지고, 반송파의 진폭을 변화시키는 방식
 2. FSK(Frequency Shift Keying): 변조 신호를 가지고, 주파수를 변화시키는 방식
 3. PSK(Phase Shift Keying):  반송파의 위상을 변화시키는 방식
 4. QPSK(Quadrature Pahse Shift Keying) 직교 위상천이 변조: 위상변화를 ㅠ/2만큼 줘서, 4개의 디지털 심벌로 전송하는 방식
 5. QAM(Quadrature Apmlitude Modultaion): 반송파의 진폭과 위상을 같이 변화시키는 변조 방식(제한된 전송 대역을 이용한 데이터 전송 효율의 향상을 위해)으로 2개의 채널(I-채널, Q-채널)이 독립되도록 한 것으로, IQ변조와 같음.
 즉, 진폭을 바꾸는 ASK와, 위상을 바꾸는 PSK를 결합한 방식

**Coherent(가간섭성)

단일 주파수 스펙트럼이며, 위상이 일치되고 균일한 정현파의 광파로, 완전 Coherent한 광은 단일 파장, 단색광(Monochromatic Light)임
**Incoherent(비간섭성)

다양항 주파수 및 진폭을 가지며, 위상이 일치하지 않는 광파로 태양, 전구 같이 열을 발생시키는 광

(참고)

http://www.ktword.co.kr/test/view/view.php?m_temp1=907

https://rf-yeolmu.tistory.com/14

https://ensxoddl.tistory.com/353

https://blog.naver.com/wlsqor2/40117111555

WDM 기술 등장 배경

WDM(Wavelength Division Multiplexing)

인터넷 사용자의 급증과 데이터 통신 용량의 폭발적인 증가에 따라, 기존 전송 시스템으로는 한계에 마주했다.

기존 전송 시스템으로는 단일 파장에 데이터를 전송하는 방식으로, 전송할 수 있는 통신 용량이 제한적이었고다.

또한 더 많은 데이터를 전송하기 위해서는 더 많은 광섬유를 사용해야했다. 비용적인 측면의 어려움이 따랐던 것.

이에 대용량의 데이터를 전송할 수 있는 방법에 대해 고민하기 시작했고, WDM 기술이 등장했다. 

WDM은 여러 개의 서로 다른 파장의 빛을 하나의 광섬유에 동시에 전송하여, 통신 용량을 크게 증가 시켰다. 기존의 광섬유를 사용하였기 때문에, 비용적인 효율성까지 가져갈 수 있었다. 

1. WDM(Wavelength Division Multiplexing)

 광 신호 전송 시, 전기적 신호(1과 0)을 Header를 포함한 Frame화하여 ONU로 송신하게 된다.(Header 안에는 신호를 보호하면서 E2E 전송을 위한 보안, health check 등의 값을 포함하고 있다.)  

기존의 전송 방식은 한 개의 광섬유에 한 개의 파장만을 실어서 보냈으나, WDM 전송 방식은 여러 개의 파장을 가진 광신호를 하나로 묶어서 광섬유로 실어 보내는 방식이다. WDM의 기술 발전에 따라 분할되는 파장 간 사이 밀도가 좁아져 용량과 채널을 늘려갔다.

 WDM 장점 

   1. 전송 가능한 트래픽 양의 증가

   2. 기존 광섬유 자원을 활용

   3. 단일 광섬유에 여러 개의 파장을 실어 보내기 때문에, 설치 및 유지 관리 비용 절감 

   4. 새로운 파장을 추가하여 용량 확장 용이(확장성)

   5. 속도와 품질의 향상

정리하자면,

WDM 기술은 통신 용량 증가에 대한 요구와 광선유의 대역폭 활용 필요성에 따라 등장했고,

기존 광섬유 자원을 활용하면서, 전송 용량과 속도를 증가시키고, 비용 절감 및 확장성의 장점을 가지고 있다. 

WDM 기술이 발전됨에 따라 광 전송 분류에 대해 알아보자.

WDM 기술 

WDM 기술은 등장한 이후, 지속 발전해왔다.

초기 단일 파장에 여러 개의 비트를 전송하는 Coarse WDM(CWDM)기술이 사용되었고,

그 이후, 더 많은 파장을 사용하여 더 많은 데이터를 전송할 수 있는 Dense WDM(DWDM)기술.

사용자 정의 가능한 채널 간격을 사용하여, 더욱 효율적으로 광 스펙트럼을 활용할 수 있는 Flexible Grid WDM(FGWDM) 기술이 등장하였다. 

(각 WDM 기술 별로 파장이 나뉘어진 것이 아니라, 동일 파장대를 확장하여 사용함을 유념)

위 그림은 쉽게 잘 표현되어있어서 fibermall에서 발췌해 온 그림이다.

WDM 시스템을 고속도로에 비유하여, 각 역할을 나타낸다. 

 -고속도로: 광섬유

 -순찰차: 신호 모니터링

 -주유소: 광 증폭

 -회색 자동차: 클라이언트 측 다양한 서비스

 -컬러 자동차: 채널(파장)의 다양한 베어러 서비스 

 -레인: 광파장

1. CWDM(Coarse WDM) 

실어보낼 수 있는 채널이 10개 미만이며, Dense가 떨어지나 비용이 저렴하여, 비용측면에서 이점을 가지고 있다. 

DWDM과 유사하나, 파장 간격이 넓고(10nm 이상 20~40nm) 광 증폭기를 사용하지 않는 단거리(50km 이내) 전송에 주로 사용된다. 통상적으로 S,C,L-Band를 활용하며, 채널 파장 8개 기준 1470nm~ 1610nm 파장대를 사용한다. 파장 수를 늘리기 위해 1310nm를 이용하여 CWDM을 16개 채널로 확장할 수 있어 표준 WDM보다는 많은 채널 수를 가지지만, DWDM보다는 적은 채널수를 갖게 된다. 

CWDM 파장 스펙트럼 내에서 DWDM 채널을 매핑하면, 사이트 간 광섬유 인프라를 변경할 필요없어, 동일한 광섬유 케이블에서 훨씬 더 높은 데이터 전송 용량을 얻을 수 있다. 

2. DWDM(Dense WDM)

하나의 광섬유에 여러 개의 파장(빛)을 동시에 전송 가능하다. 최대 80개의 파장을 동시에 10Gbps 속도로 전송하며, 40~80개의 채널을 이용해 각 400Gbps의 전송 속도를 제공한다. 신호의 속도를 유지한 채 전송할 수 있는 파장 수를 증가시키는 방식으로, 광섬유당 총 전송 용량을 크게 증가 시킨 기술이다. WDM 채널보다 밀도가 높으며, 주로 C Band(1530nm ~ 1565 nm)대역에 걸쳐있다.(L-Band도 사용)

구성 요소로, 광학 송/수신기, DWDM Mux/Demux필터, 광학 Drop/Add 멀티플렉서(OADM), 광학 증폭기가 있다.

DWDM의 좁은 파장 간격은 단일 광섬유에 더 많은 채널을 적합하게 하지만, 구현 및 운용 비용이 더 많이 드는 특징이 있다. 

 DWDM 파장 간격 

이외에도 25GHz, 37.5GHz 등의 간격이 사용되나, 상용 시스템에서는 상기 표에 명시된 간격이 가장 많이 사용된다.

DWDM에서 파장 간격을 선택할 때는 "전송 용량, 광섬유 비용, 광 증폭기, 채널 간섭" 등의 요소를 고려하여 요구사항과 예산에 맞는 파장 간격을 설정해야 한다.

최근에는 Flexible Grid WDM(FGWDM) 기술이 등장하면서, 채널 간격을 사용자 정의하여 필요에 따라 사용할 수 있게 되었다. 특정 채널에 더 많은 용량을 할당하거나, 채널 간격을 최적화하여 스펙트럼 효율성과 유연성을 높일 수 있는 기술이다.

(FGWDM에 대한 내용은 아래 글을 참고)

https://kkomtech.tistory.com/15

(참고)

https://www.fibermall.com/ko/blog/things-about-cwdm-dwdm-oadm.htm

https://ko.opticalpatchcable.com/news/important-components-in-dwdm-system-33718546.html

http://www.ktword.co.kr/test/view/view.php?no=1847

https://www.fibermall.com/ko/blog/wdm-vs-otn.htm

Fixed Grid

사전적 의미 그대로, 고정된 주파수와 파장 대역을 사용한다. 

파장 대역이 고정되어 있기 때문에, 유연하게 대역폭을 조정할 수 없다.

신호 속도가 빨라지면서 광 신호 대역이 확장되었고, 여러 속도의 신호가 네트워크에서 전송되는 경우,

속도에 따른 최대 스펙트럼 대역폭이 고정 주파수 간격을 지켜야하기 때문에 손실과 낭비가 더욱 크게 발생하게 된다.

여기에서 Flexible Grid의 필요성이 나타나다.

Flexible Grid 

기존의 고정된 채널 간격 대신, 사용자 정의 채널 간격을 사용하여, 광 스펙트럼을 더욱 효율적으로 사용하는 기술이다.

즉, Fixed Grid에서 제한적이었던, 고정된 대역폭을 사용하지 않고,

다양한 데이터 전송 속도와 요구사항에 맞춰 채널 간격을 유연하게 조정할 수 있기에 대역폭 낭비가 없다는 큰 장점이 있다.

5G, 6G로 확장되면서, 테라급 고품질 대용량 장거리 신호 전달 기술이 요구되었다. 전달망에서 망의 유연성과 저전력 및 에너지 효율성, 저비용 경제성 확보가 요구된 것.

즉, 네트워크 트래픽 증가에 따라, 전송 속도는 400Gbps~최대 1Tbps로 증가하여 광 신호 스펙트럼이 넓어졌고, 에따라 유연한 스펙트럼 할당을 구현하여 효율적으로 사용하기 위한 Flexible Grid 기술이 활용된 것이다.

Flexible Grid ROADM 기술?

광신호의 분기(Drop) 및 결합(Add)뿐만 아니라, 파장 단위 스위칭(O-O-O)기반으로 회선을 재배치(Wavelength Reuse)가 가능한 기술

네트워크 트래픽 증가에 따라, 전송 속도는 400Gbps~최대 1Tbps로 증가하여 광 신호 스펙트럼이 넓어졌다.

Flexible Grid 기술은 37.5GHz ~400GHz 파장 간격을 제공할 수 있다.

Flexible Grid 장점

 1. 스펙트럼 효율성 향상: 고정된 채널 간격이 아닌, 필요에 따른 채널 간격을 최적화하여 광 스펙트럼의 활용도를 높일 수 있음.

 2. 전송 용량 증가: 더 많은 대용량의 데이터를 고품질, 장거리로 전송할 수 있음.

 3. 서비스 유연성 확보: 각기 다른 다양한 데이터 전송 속도와 요구사항에 맞춰 대역폭을 조정할 수 있음.

 4. 경제성: 기존 광통신 인프라를 활용할 수 있음.

Flexible Grid의 기술 구현은 WDM과 SDN 기술 등을 기반으로 구현된다. 

WDM기술에 대한 내용은 아래글을 확인하길 바란다.

https://kkomtech.tistory.com/16

(참고)

https://forum.huawei.com/enterprise/en/fixed-grid-vs-flexible-grid/thread/667235996061810689-667213856692383744

https://www.slideshare.net/EuncheolPark1/201610flexible-grid-roadm-pdf

https://forum.huawei.com/enterprise/en/fixed-grid-vs-flexible-grid/thread/667235996061810689-667213856692383744