Overview
광기술과 통신기술의 융합인 광통신은 쉽게 말해 전기신호를 빛의 신호로 바꾸어 전송하는 방식을 말한다.
광 트렌시버를 통해 만들어진 빛의 신호는 광 파이버를 통해 전송이 되며 최대 수백키로미터까지 빛의 속도로 신호를 보낼 수 있다.
빛의 속도는 299,792,458m/s 즉, 약 30만km로 지구를 1초만에 7.5바퀴 돌 수 있고, 전 우주에 이보다 빠른 물질은 발견되지 않았다.
광통신이 세상에 나오면서 지구는 실시간으로 소통이 가능한 글로벌 세상이 되었다.
1. 광통신의 역사
2. 광통신의 원리
3. 시장 규모와 전망
4. 차세대 통신
1. 광통신의 역사
광통신이 본격적으로 연구되기 시작한 것은 1960년 *Laser diode가 발명되면서 부터이다.
*LASER란?
Light Amplitude Stimulated Emission of Radiation
즉, 빛을 진폭하고 유도방출하여 빛을 발생시키는 반도체 다이오드로써 광통신의 "핵심" 소자이다.
Laser 반도체와 TO(Transistor Outline) Packaging의 개발이 지속되었고 회로를 통해 Laser를 제어하면서 광 트렌시버가 개발되었다.
광 트렌시버(Optical Transceiver)는 Transmitor와 Receiver의 합성어로 광 송수신기를 뜻한다.
이 것은 손가락 한개만한 크기의 모듈, 여기에 광 파이버가 결합된다.
초기에는 송신기와 수신부가 분리되어 있었지만 2000년대 초반 *OSA(Optical Sub Assembly) 기술이 설계됨에 따라 하나의 광 파이버로 송수신이 가능하게 되었다.
*OSA란? 광학 Filter, Lens, Isolator 등 수동소자들을 이용하여 광의 이동 경로를 설계하는 기술
발생된 빛을 전송할 매개체인 광섬유 또한 1970년에 20dB/km 손실의 광 파이버가 최초로 개발되어 생산되기 시작했다.
그 이후 광통신 산업은 가속화 되었고 광 파이버는 지속적으로 개량되어 현재는 0.18dB/km 손실의 광 파이버가 보급되고 있다.
그렇게 관련된 연구가 지속되면서 세상에 알려진 광통신의 기술은 지금도 향상 되고 있으며, 우리는 현재 5G 세상에 살고 있다.
2. 광통신의 원리
앞서 언급한 Laser diode(이하 LD)를 이용해서 빛으로 신호를 전송하고 *Photo diode(이하 PD)를 이용해 빛의 신호를 수신한다.
*Photo diode란?
빛을 전기신호로 바꿔주는 역할을 하며 꽤 광범위하게 사용되고 있는 반도체 소자이다. (태양열, 광센서 등)
PD에서 빛을 받고 TIA(Transimpedance Aplifier)를 거쳐서 전류가 증폭된다.
2-1) 통신용 빛의 파장
일반적으로 빛의 파장은 유리섬유 전송 손실이 가장 적은 근 적외선 영역을 사용한다. (약 850nm~1600nm 구간의 파장)
아래와 같이 통신에서 사용하는 파장 영역은 구간별로 부르는 명칭이 나뉜다.
850nm Band : 저가형 단거리 전송용으로 현재 거의 사용하지 않는다.
O-Band : 통신에서 최초로 사용된 파장영역으로 색분산(신호 왜곡)이 가장 적다.
E-Band : Original의 확장용으로 사용했고 손실이 높아 현재는 거의 사용하지 않음
S-Band : 광섬유 손실은 O-band보다 적고 현재 PON(Passive Optical Network) 시스템에서 주로 사용
C-Band : 손실이 가장 적어서 주로 초 장거리용으로 광 증폭기인 EDFA(Erbium Doped Fiber Amplifiers)와 함께 사용된다.
L-Band : 손실이 두 번째로 적으므로 C-band에서 대역폭이 충분하지 않을때 선택된다.
속력(빛의 속도)는 파장*주파수 이므로 빛의 속도에서 파장을 나누면 주파수를 확인할 수 있다.
이것은 ITU-T(Internatopnal Telecommunication Union Telecommunication) 국제 전기통신 연합에서 표준으로 채택한 통신 채널이다.
ㅇ O Band (Original) 1260~1360 nm (238.1~220.6 THz)
ㅇ E Band (Extended) 1360~1460 nm (220.6~205.5 THz)
ㅇ S Band (Short) 1460~1530 nm (205.5~196.1 THz)
ㅇ C Band (Conventional) 1530~1565 nm (196.1~191.7 THz)
ㅇ L Band (Long) 1565~1625 nm (191.7~184.6 THz)
ㅇ U Band (Ultra-long) 1625~1675 nm (184.6~179.1 THz)
2-2) 변조
위와 같은 파장의 빛을 LD에서 만들어낸 후 변조(Modulation)를 통해 디지털 신호를 전송한다.
Laser의 변조 방식은 크게 두 가지가 있다.
DML(Direct Modulated Laser) : 전압을 이용해 LD의 광원을 직접적으로 진폭을 변조 함
EML(External Modulated Laser) : LD 외부에서 장치를 이용하여 변조 함
DML에서 변조하는 방법은 "강도 변조" 이다.
"1", "0"의 신호를 만들어 내기 위해 변조를 하는데 LD에 직접적으로 Bias의 강도를 조절한다.
우리가 아는 5G 통신망에 사용된 고출력 LD는 대부분 DML 방식을 사용하였으며 최대 *25Gbps 급의 속도로 변조가 가능하다.
하지만 **Chirp 현상으로 인해 파장 퍼짐이 발생하여 ***DWDM 같은 좁은 채널 간의 간섭이 생기는 한계가 있다.
그 이후 EML 방식이 등장하여 LD chip에 직접적으로 변조를 하지 않게 됨으로써 채널간의 간섭 문제와 전송 거리가 개선되었다.
또한 고속 변조가 가능해짐에 따라서 기존 DML chip의 4배인 100Gbps급으로 전송 속도까지 더욱 개선할 수 있게 되었다.
*25Gbps : bps는 bit per second의 줄임말이고 25G 용량 즉, 250억개의 디지털 신호를 1초동안 전송이 가능하다는 뜻
**Chirp : LD에 주입되는 전류의 크기에 따라서 진폭의 크기 뿐만 아니라 파장도 함께 변하는 현상
***DWDM : Dense Wavelength Division Multiplex의 약자로 좁은 간격의 파장(채널)을 의미
EML은 외부 변조기를 이용하여 마치 카메라의 셔터와 같은 원리로 변조한다.
대표적으로 EAM(Electro Absorption Modulator)을 가장 많이 사용한다.
EAM에 전압을 인가하면 빛을 흡수하는데 이것을 컨트롤 하여 변조한다.
그 외에도 AOM(Acousto-Optic Modulator)와 EOM(Electro-Optic Modulator) 방식이 있다.
2-3) 빛의 이동
LD에서 발생된 빛의 경로를 설계하는 광 Packaging은 빛의 모든 특징(굴절, 반사, 흡수 등)을 모두 응용한다.
이를 제어하는 회로는 광 Packaging를 최적화(Tuning) 하는 과정을 거쳐서 열악한 온도 조건들을 만족하게 한다.
광 트렌시버에서 나온 빛은 광 파이버를 통해서 또 다른 광 트렌시버로 연결되며 통신한다.
광 파이버 안에 있는 전송 매개채인 광섬유는 두 매질을 이용하여 빛이 전반사 하면서 빛이 진행되도록 설계되었다.
광 파이버는 크게 SMF(Single Mode Fiber)와 MMF(Multi Mode Fiber)로 나뉘는데 장거리 전송에 적합한 SMF의 광섬유 직경은 머리카락 보다 10배 얇은 약 8~9um 이며 클래딩이라는 물질로 덮여져 있다.
육안으로는 보이지도 않는 고작 9um 안에서 빛이 이동하며 장거리 통신이 되는 것이다.
3. 시장 규모와 전망
우리는 현재 데이터 속에서 파뭍혀 살고 있다고 해도 과언이 아닐 정도로 많은 정보에 노출되어 있다.
미디어와 정보 공급의 경쟁시대에 우리는 핸드폰과 컴퓨터를 통해 수 많은 영상과 정보들을 실시간으로 스트리밍 한다.
인간은 점점 더 구글, 애플, 페이스북과 같은 굴지의 플렛폼을 가진 기업에 의존할 것이고 차세대 산업인 AI의 발전과 IOT 기술 그리고 클라우드 서비스가 확장됨에 따라 통신 트레픽은 점차 커질 것이다.
시장 전문 조사기관(Exactitude consultancy)에 따르면 현재 글로벌 광트랜시버 시장의 규모는 대략적으로 1조원에 육박하고 있으며, 2030년까지 4조원까지 성장할 것으로 예상하고 있다. 이 중 인도, 중국을 포함한 아시아 태평양이 30% 정도로 가장 큰 시장 규모를 보이고 있다.
지금까지는 10G to 40Gbps 급인 SFP+ 소형 폼 펙터가 가장 판매 점유율이 높은 광트렌시버이다
하지만 전송 용량과 속도를 개선하기 위해 새로운 기술이 접목된 광트렌시버가 지속적으로 출시되고 있으며, 세계 각지의 열악한 기후 환경을 만족하는 신뢰성 검증과 소비전력을 최소화하는 방안 그리고 가격 경쟁력까지 확보된 제품 출시를 위해 세계 각 국의 여러 기업들이 경쟁 중이다.
4. 차세대 통신
우리나라는 지난 2019년 세계 최초로 5G 상용화를 성공시켰다.
여기서 5G의 G는 Giga byte나 Giga bps가 아니라 Generation의 약자다.
이동통신 시스템은 10년을 주기로 세대가 발전하므로 2028~2030년에 6G가 도입될 것으로 예상하고 있다.
다음 세대인 6G는 자율주행, 홀로그래픽 통신, 가상현실 등 핵심 성능 지표 실현을 목표로 ITU에서 표준화가 논의되고 있는 가운데 한국에서 제안한 3개의 주파수가 후보로 선정되었다고 한다.
6G는 기존 5G의 최대 속도인 20Gbps에 비해 50배 빠른 1Tbps가 될 것이다.
또한 기지국은 지상 뿐만 아니라 인공위성을 기지국으로 하여 이동통신의 사각지대인 해상과 항공에서 자유로운 통신이 가능해지고 위치에 구애받지 않기 때문에 로밍도 필요 없어진다고 한다.
이 정도면 인류의 발전은 광통신과 함께라고 해도 무방할 정도이다.
빛을 만드는 Laser diode와 이를 변조하고 제어하는 통신기기의 속도를 혁신적으로 발전시키는 것이 인류에게 주어진 과제일 것이다. 6G를 넘어서 먼 훗날 7G, 8G 세대쯤 되면 아마도 우리는 무제한급으로 어마무시한 양의 데이터도 빛의 속도로 통신을 하고 있지 않을까 기대해 본다.