개요: 인터넷 트래픽의 급격한 증가로 데이터 전송용량 또한 지속적인 확대가 요구되고 있다. 데이터 전송로에서의 혼잡을 방지하기 위해서는 네트워크 사업자를 위한 신속하고 유연하면서도 경제적인 대역폭 확장기법이 필요하다. 이러한 기법 중 하나가 바로 DWDM(Dense Wavelength Division Multiplexing)이라고 하는 데이터 전송기술인데, 이 기술은 기존의 광섬유 인프라를 통해서 네트워크 용량을 확장할 수 있다.
DWDM 기술
기존의 장거리 광 전송 시스템에서는 2차 옵티컬 윈도우(1300nm 범위)의 단일 파장(낮은 신호 분산)이나 3차 옵티컬 윈도우(1500/1600nm 범위)의 단일 파장(낮은 신호 감쇠)을 이용해 특정 비트 속도로 데이터를 전송한다. 여기에서 더 높은 전송용량을 확보하기 위해서는 TDM(Time-Division Multiplexing)을 이용해 비트 속도를 높이거나, 기존 케이블과 병렬로 추가적인 광 케이블을 설치하거나 혹은 이 두 가지 모두를 이용할 수도 있다.
비트 속도를 높이는 것은 많은 시간과 비용을 필요로 하지만 기존의 광 네트워크를 활용해 더 높은 대역폭을 구현할 수 있다면 이는 매우 경제적인 방법이 될 것이다. 하지만 고속 IC 개발을 위한 안정되고 경제적인 기술이 아직까지 부재한데다 물리적인 광 미디어(like fiber polarization mode dispersion)의 한계로 인해 40Gbps 이상의 실용적인 전송 시스템을 상용화하지 못하고 있다. 예를 들어, 단일 광 링크를 2.5Gbps에서 10Gbps로 업그레이드하면 대역폭 용량은 4배로 증가하지만, DWDM 같은 전송기술을 이용하면 전송 용량을 최고 160배까지 높일 수 있다.
DWDM은 광의 다중 파장이 단일 광 케이블에서 동시에 이동할 수 있는 물리적 현상의 장점을 이용한 것이다. 따라서 다중의 고속 신호가 각기 다른 색깔의 광으로 광 미디어에서 함께 이동할 수 있다.
WDM 전송방식의 또 다른 중요한 이점은(TDM 장거리 트렁크와 비교해서) 순수한 광학적 기능이 제공하는 "비트 속도의 정확성"이다. 광 멀티플렉서 및 디멀티플렉서, OLA(optical line amplifiers) 그리고 미래의 초장거리용 광 3R 리제너레이터와 같은 시스템에는 이러한 특성이 필수적이다. 따라서 이러한 링크는 원칙적으로 더 높은 비트 속도를 구현하기 위해 비트 속도를 제한하는 광 라인 상의 부품 변경 등을 필요로 하지 않기 때문에 매우 유용하다.
DWDM 시스템 부품의 개요
DWDM DWDM 전송 시스템의 기본 구성요소는 광 멀티플렉서, 디멀티플레서 및 OLA이다 (그림 1).
그림 1. DWDM 링크의 예.
광 멀티플렉서는 L 대역(1530nm~1565nm)과 C 대역(1570nm~1620nm)에서 수신된 모든 파장을 하나의 파장 안에 다중화된 광 신호로 통합시킨다. 최근의 시스템들은 파장 간격을 0.4nm 미만으로 분할하여 처리할 수 있기 때문에 약 160개의 파장을 이용할 수 있다. L 및 C 대역에서 들어오는 광 신호만을 증폭할 수 있는 OLA에 의해 L 및 C 대역의 한계가 결정된다. 1300nm 윈도우를 위한 OLA는 아직 개발 중에 있다.
OLA를 구현하기 위해 가장 널리 사용되고 있는 기술 중 하나가 EDFA(erbium-doped fiber amplifier)이다. 980nm 또는 1480nm에서 동작하는 펌프 레이저를 가지고 있는 EDFA는 전자를 더 높은 에너지 레벨로 상승시킨다. L 또는 C 대역 안에서 광 파장이 수신되면 이 전자들은 입력된 광 파장으로 광자를 방출한 후 하위 에너지 대역으로 내려가게 된다.광 도메인의 증폭은 비트 속도와 무관하기 때문에 광 멀티플렉서와 디멀티플렉서 사이의 거리에 따라서 약 100km의 간격으로 다수의 EDFA를 연결할 수 있다. 이러한 기법을 통해 전자 신호를 생성하지 않고도 수백 킬로미터 거리에 달하는 광 전송 링크를 구현할 수 있는 것이다.
EDFA의 단점은 곧바로 하위 에너지 대역으로 떨어짐으로써 일부 높은 에너지 레벨의 전자가 예상치 못한 광 노이즈를 발생시킨다는 점이다. DWDM 링크에서는 대부분 OLA 체인을 이용하고 있기 때문에 이러한 광 노이즈가 발생할 경우 EDFA가 반복되면서 다시 노이즈가 증폭되어 축적됨으로써 결과적으로 OLA를 이용하지 않은 시스템과 비교해 리시버의 신호대 잡음비(SNR)를 증가시키게 된다. 뿐만 아니라 이러한 광 노이즈는 로직의 로우 레벨보다 하이 레벨에 더 많은 영향을 미치므로 균형을 잃게 된다.
수신 측에서는 광 디멀티플렉서가 입력된 다중화된 파장 신호를 트랜스미터 측에서 전송한 각각의 해당 파장으로 변환시킨다. 이러한 디멀티플렉싱 기능에는 보다 작은 파장으로 분할시켜주는 매우 폭이 좁은 광 필터를 포함하고 있는데, 이는 많은 설계노력을 필요로 하는 부분이다. 지금까지 언급한 기본적인 시스템 구성요소 이외에도 DWDM 시스템은 시스템 성능을 향상시키고 링크 거리를 늘리기 위해 분산 보상과 광 멀티플렉서 뒤에 붙는 광 부스터와 광 디멀티플렉서 앞단의 광 프리앰프와 같은 기능을 필요로 한다.
정확한 비트 속도를 요구하는 네트워크(모든 광 네트워크)에서는 DWDM 포인트 투 포인트 연결 이외에도 OADM(optical add and drop multiplexer)나 OXC(optical cross connect) 같은 추가적인 네트워크 요소를 필요로 한다. 프로토타입들이 이러한 순수한 광 기능의 타당성을 보여주고 있지만 오늘날의 장비는 광 코어 기능보다는 주로 전자 코어를 포함한다.
뿐만 아니라 초장거리 포인트 투 포인트 연결을 위한 완벽한 광학적 대체 기술이 성숙되지 않았기 때문에 전자적 3R 제너레이션 기술이 필요할 것으로 보인다. 완벽한 광 네트워크 시스템이 구축되기 위해서는 앞으로도 몇 년은 더 기다려야 할 것이다. 네트워크가 완벽하게 광학적으로 구축이 되든, 아니면 부분적으로 광학적 요소를 가지고 있다 하더라도, 광 시대로 진입한 이후에도 네트워크 장비는 전자 기반의 통신에 의존해야 하기 때문에 네트워크 라인 종단에서는 광을 전자신호로 변환할 수 있어야만 한다.
DWDM 장거리 포인트 투 포인트 전송 시스템의 네트워크 종단을 구현하기 위해 전용 라인 종단 카드나 파장 트랜스폰더를 이용할 수 있다. 라인 종단 카드는 새로운 인스톨에 적용되는 것으로, 예를 들어 CO(Central Office)가 DWDM 링크에 대해 직접적으로 수신하고 전송하는데 필요하다. 이와 달리 파장 트랜스폰더는 DWDM 링크를 기존의 "noncolored" 광 네트워크 인터페이스를 비롯해 기존의 CO 장비와 연결해야 할 때 필요하다. 지금부터는 효과적인 라인 종단 카드 및 파장 트랜스폰더의 설계방법 및 DWDM 광 네트워크의 O/E 리시버 및 트랜스미터와 관련된 몇가지 설계 과제에 대해 논의하고자 한다.
DWDM 송신기
DWDM 시스템은 두 가지 중요한 특징을 가지고 있다. 첫째는 시스템 비용을 절감하기 위해 전자적 신호 생성 없이도 링크가 가능한 길어야 한다는 것이다. 둘째는 시스템이 신뢰할 수 있는 데이터 전송을 제공해야 한다는 것이다. 서비스 품질을 향상시키고 라인 거리를 연장하기 위해서는 FEC(forward error correction) 기법을 이용할 수 있다 (그림 2 참조).
그림 2. 10Gbps DWDM 송신기의 예.
완벽한 SDH/SONET 데이터에서는 신호 프레임 구조 안의 여유 바이트를 통해 "대역 내에서" FEC 기능을 구현할 수 있다. 오버헤드 프로세싱 ASIC을 통해 프레임 안에 FEC 기능에 필요한 바이트를 삽입할 수 있다. 프로토콜에 구애받지 않는 DWDM 시스템에서는 "대역 외의" FEC를 이용해야만 하는데 이를 통해 비트 속도를 증가시킬 뿐만 아니라 대역 내 FEC에 관한 효율을 향상시킨다. ITU-T G.975 표준에서 정의한 Reed Solomon FEC 알고리즘이 대역외 FEC의 한 예이다. 정정 기능에 필요한 오버헤드를 제공하기 위해 이 알고리즘이 전송 비트 속도를 7%까지 증가시킨다.
그러나 Reed Solomon FEC보다는 ITU-T G.709에서 정의한 디지털 래퍼(digital wrapper) 기능이 주류를 차지할 것으로 보인다. 이 기술은 비트 속도와 프로토콜에 상관없이 신호를 전송지로 전달하기 위한 신호 라우팅에 필요한 바이트 어드레싱을(FEC 기능을 위한 바이트를 추가한) 가지고 있는 "수퍼 프레임"으로 신호를 래핑한다. 디지털 랩퍼 기능의 오버헤드가 일정 정도 비트 전송 속도를 증가시키며, 증가율은 선택한 디지털 랩퍼의 컨셉에 따라 다르다. 또한 선택한 대역외 FEC/디지털 래퍼 방법론에 관계없이 관련 알고리즘을 지원하기 위해 추가적인 IC가 필요하며, 아니면 그 기능을 송신기의 오버헤드 프로세싱 ASIC에 통합해야 한다.
FEC 또는 디지털 래퍼 프로세싱은 전송 신호의 하위 속도 병렬 데이터 스트림에서 처리된다. 따라서 이 프로세싱 기능을 통해 빠져나가는 병렬 데이터를 직렬화함으로써 고속 전송 신호 형태로 구성하는 것이다. 이 작업을 위해서는 전송 클록을 생성하기 위한 온 칩 클록 신서사이저를 통합한 시리얼라이저가 필요하다.
장거리 트렁크를 위해서는 신호의 지터를 낮추는 것이 매우 중요하다. 즉, 시리얼라이저에서 생성되는 지터 뿐만 아니라 통합된 클록 신서사이저에 연결되는 외부 기준 클록의 지터 역시 가능한 최대한 낮추도록 해야 한다. 대부분 시스템 기준 클록이 이러한 지터 조건을 달성하지 못할 뿐 아니라 주파수가 요구되는 수준보다 낮은 경우가 많다. 요구되는 낮은 지터 기준 주파수를 제공하기 위해서는 외부 VCXO나 VCSO를 이용한 클록 발생기를 이용할 수 있으며, 최근에는 공간과 비용을 절감할 수 있도록 내부의 VCO에 회로를 완전히 집적한 제품도 개발되고 있다.
시리얼라이저의 출력 스테이지가 광 트랜스미터를 구동할 수 없기 때문에 드라이버 기능이 필요하다. 그런데 이러한 기능으로 인해 지터가 추가되기 때문에 데이터 지터를 최소화하기 위해서는 드라이버의 입력 스테이지에 재타이밍 플립플롭(Flip-Flop)이 통합되어야 한다. 일반적으로 시리얼라이저의 직렬 클록은 이 재타이밍 기능에 연결되는데 시리얼라이저의 출력과 드라이버 재타이밍 입력 사이의 인터커넥트가 적절하지 못하면 클록 속도가 저하되고 이것이 다시 전송 신호의 지터 성능을 악화시킬 수 있다. 그러므로 재타이밍 기능은 선택적으로 이용하는 것이 좋다.
드라이버에 통합할 수 있는 또 다른 유용한 기능이 펄스폭 정정 기능이다. 이 기능은 광 부품의 비대칭적 상승 및 하강 전환을 보상하기 위해 사전 왜곡을 이용한다.
마지막으로는 직렬 신호를 해당 파장의 광 신호로 변환해야 하는데, 최대 160개 파장을 처리하기 위해서는 파장 분산간격이 0.4nm를 넘지 않도록 해야 한다. 그러기 위해서는 광 소스가 파장 안정성을 매우 정확하게 제어해야 하고 스펙트럼 라인 폭은 좁게 유지되어야 하며, 처프(chirp: 고속 변조로 인한 스펙트럼 라인 호핑 현상)이 낮아야 한다. 직접 변조 레이저 다이오드 대신에 EAM(electro-absorption modulator)이나 MZ(Mach Zehnder) 변조기가 DW 레이저와 결합해서 장거리 전송을 위한 위와 같은 조건을 달성할 수 있다.
모듈 형태의 이러한 트랜스미터는 온도와 연속적으로 광을 방출하는 레이저 다이오드(CW 레이저 다이오드, DFB 타입), 그리고 고속 전압 구동 변조기를 셋팅함으로써 특정 파장으로 조절하기 위한 펠티에(Peltier) 요소를 가지고 있다. 펠티에 요소(thermoelectric cooler 또는 TEC)는 CW 레이저 다이오드를 특정 온도와 관련된 파장으로 설정하기 위해 수 암페어를 처리할 수 있는 드라이버 회로를 필요로 한다. 파장을 일정하게 유지하기 위해서는 TEC 컨트롤러 회로를 이용해 온도를 정밀하게 제어해야 한다.
TEC 컨트롤러 회로의 모든 기능을 전력 FET나 연산 증폭기 같은 디스크리트 부품으로 구현할 경우에는 공간소모가 많아지게 된다. 다행히 공간 사이즈에 민감한 모듈 통합이나 다중 채널 네트워크 인터페이스를 이용하는 애플리케이션에 적합한 온 칩 전력 FET 및 제어 루프를 통합한 공간 절약적인 완전 통합형 TEC 드라이버를 이용할 수 있다. 또한 파장 간격이 0.4nm 미만이거나(시스템 셋업에 따라서) 0.8nm 간격인 DWDM 시스템은 파장 동기화 기능을 필요로 한다. 에탈론(Etalon) 기반의 컨트롤 유닛(Fabry-Perot 필터)이 TEC 드라이버/컨트롤러 기능의 도움을 받아 파장을 허용 윈도우 이내로 유지할 수 있다.
또 다른 중요한 송신기의 매개변수는 CW 레이저가 노후되거나 온도가 변화해도 반드시 유지되어야 하는 최초로 사용자가 정의한 광 전송 전력이다. 시간과 온도의 증가에 따라서 DW 레이저의 특성 곡선이 저하되므로 레이저의 드라이버 회로가 평균적인 광 전송 전력을 설정하고 유지해야 한다. CW 레이저의 모니터 다이오드가 감지한 수신된 광전류(광 출력 전력에 비례)를 원하는 광 출력 전력에 해당되는 초기에 정의된 기준값과 비교하여 전력 제어 루프가 자동으로 전력 레벨을 유지할 수 있도록 해준다. 드라이버는 또한 레이저의 수명을 알려주는 경보 플래그를 비롯해 레이저의 안전을 위한 셧다운 기능과 CW 레이저의 바이어스 전류에 대한 모니터 출력 및 레이저 바이어스의 최대 전류 한계 설정, 평균 광 전력에 대한 모니터 기능 등을 가지고 있어야 한다. 또한 저속 파일럿 톤은 광 출력 신호를 변조하는데 매우 유용하다. 이 기능을 통해 DWDM 시스템에서 채널을 식별할 수 있다.
EAM이나 MZ 디바이스를 구동하기 위해서는 광 변조기가(레이저 다이오드와 달리) 보통 50Ω 임피던스와 매칭되어 있기 때문에 직접 변조 레이저 드라이버 보다 변조 드라이버를 이용하는 것이 좋다. 따라서 변조기 드라이버는 50Ω 부하로 최적화하고 변조 전류가 아니라 전압을 제공해야 한다. EAM 디바이스는 최대 ~3V의 변조 전압을 필요로 하고, MZ 유형은 최대 7V를 필요로 한다. MZ 변조기가 가장 좁은 스펙트럼 라인 폭을 구현하지만 비교적 높은 변조 전압을 필요로 하고 EAM 유형보다 비싸다는 단점이 있다. 따라서 MZ 변조기는 초장거리 애플리케이션에 더 적합하다.
두 가지 타입 모두 광 변조기의 처프 현상을 최적화하기 위해서는 변조 전압의 DC 사전 바이어스가 필요하다. 내부에 있는 사전 바이어스를 이용하는 변조기 드라이버는 드라이버 출력과 변조기 사이에 하나의 인터커넥트만이 필요한데, 이 때문에 공간절약을 위한 모듈 통합이 가능하고, 바이어스-T 네트워크 구성시 일반적으로 요구되는 외부 인덕터를 제거할 수 있어 생산 과정을 더욱 간소화할 수 있다.
DWDM 수신기
위에서 설명한 바와 같이 일반적으로 TDM 수신기에 영향을 미치는 광 감쇠 및 분산 이외에도 비대칭적인 광 노이즈가 DWDM 수신기의 광 신호를 교란하기 때문에 DWDM 수신기의 부담이 가중된다. 수신기의 입력 감도를 높일 수 있는 것은 첫번째로 APD(Avalanche Photodiode)를 들 수 있다. APD는 광자를 전자로 변환할 때 전압 제어 애벌런치 브레이크다운을 통해서 전자를 멀티플라이 시킨다. 멀티플라이 효과를 달성하기 위해서는 APD가(유형에 따라서) 최대 90V까지 역바이어스 되어야만 한다.
과온도에서도 멀티플라이 지수("M")를 일정하게 유지하기 위해서는 APD의 역바이어스를 매우 정밀하게 제어해야 한다. 이를 위해서는 저노이즈, 저리플, 고정밀 전압 서플라이가 기판의 공급 전압(3.3V 또는 5V)으로부터 APD의 높은 역바이어스 전압을 이끌어내야 한다.
APD의 이득을 일정하게 유지하기 위해서는 펠티에 요소를 이용해 온도를 제어하거나 역바이어스를 온도에 대한 함수로서 변경할 수 있다. 두 번째 접근방법이 일반적으로 더 많은 비용을 소모한다. APD에 사용 가능한 저노이즈 바이어스 전원(IC)은 매우 정확하고 최대 90V의 전압을 공급할 수 있어야 하며, APD 보호를 위한 전류 제한이나, 애버랜치 표시 플래그, 역바이어스 설정을 위한 선택적 DAC 같은 기능을 가지고 있어야 한다.
시스템 관리를 위해서는 수신 신호의 평균 전력을 감지해야 한다. 이는 APD 바로 뒤에 있는 첫번째 프리앰프 단계(트랜스임피던스 증폭기 또는 TIA)에서 수행할 수 있으나 TIA의 부분별 허용오차 때문에 정확한 수신전력을 측정하는 방법으로는 적합하지 못하다. 이보다 더 나은 방법은 광 검출기 바이어스 전압 소스로부터 직접적으로 평균 광전류를 검출하는 것이다. 소형 전류 모니터 IC가 PIN 다이오드 및 APD에 평균 광전류에 비례하는 전류 또는 전압 출력을 제공할 수 있다. 이를 통해1µA 미만의 광전류까지도 정확하게 검출할 수 있다.
수신기 다이오드를 위한 회로를 구현한 다음에는 OLA로 인한 광 노이즈 발생을 처리해야 한다. 비대칭성으로 인해 이 노이즈는 로직 0보다는 로직 1에서 그 플로어가 높은데 이 때문에 기존 수신기에서 BER이 상당히 저하된다. 그러므로 수신기 체인의 클록 및 데이터 복구(CDR) 판단 회로(유입 신호에 대해 시간 및 진폭 결정을 실시해서 로직 1 및 0을 판단)가 진폭을 판단하기 전에 판단 전압의 임계값을 조절할 수 있어야 한다. 이렇게 임계값을 조절해서 진폭 판단 레벨을 신호가 시작되는 중간에서 로직 0쪽으로 이동함으로써 판단 레벨에 따른 대칭구조를 달성할 수 있다.
성공적인 BER 최적화를 구현하기 위해서는 CDR 이전의 전자적 기능이 유입 신호를 왜곡하지 않아야 한다. 이를 통해 APD와 판단 기능 사이에 신호 대 잡음비 변화가 최소화되어야 한다. 결과적으로 APD 전류를 전압으로 변환하는 프리앰프는 전체 동적 범위에 걸쳐서 선형 신호 증폭을 구현해야 하고, 뒤의 포스트앰프는 클리핑을 일으키지 않고 선형 증폭을 추가해야 한다. 전압 판단 임계값 조절을 위해서 선형 자동 이득 제어 회로(AGC)가 이 작업을 수행할 수 있다. AGC는 CDR 입력에서 수신기의 전체 동적 범위에 걸쳐 일정한 전압 스윙을 제공한다.
이러한 조절작업은 경험에 기반한 수작업을 통해 판단 임계값을 도출하거나 BER을 측정하는 자동 제어 루프를 이용할 수도 있다. 수작업을 통한 조절방법은 비트 속도가 낮을 때(2.7Gbps까지)는 비용면에서 효과적이지만, 10Gbps 이상의 비트 속도일 때는 비트 속도에 따른 신호 아이 오프닝의 낮은 마진 때문에 자동 BER 최적화를 이용하는 것이 좋다. 리시버 기판에서 CDR 및 디시리얼라이저 바로 다음에 FEC나 디지털 래퍼 디코딩 기능을 구현한다면 수신된 신호의 에러 정정을 계수할 수 있는 이 기능을 통해 실제 리시버 BER을 도출할 수 있다. 이러한 에러 카운터 정보를 자동 임계값 조절을 제어하는 피드백 루프의 기준으로 이용할 수 있다 (그림 3a).
그림 3a. 선형 프리앰프 및 AGC 기능이 있는 2.5Gbps DWDM 수신기의 예.
임계값을 조절하는 또 다른 방법은 프리앰프 출력에서 DC 전압을 제어하는 것이다. 위의 방법에서와 마찬가지로 이 방법도 프리앰프의 다이내믹 입력 범위에 걸친 선형 증폭 및 적응식 자동 임계값 제어를 필요로 한다. 프리앰프의 출력 진폭이 일정치 않으므로 FEC 또는 디지털 래퍼 에러 카운터 출력으로부터 피드백을 수신하는 자동 임계값 제어만 이용할 수 있다.
프리앰프 출력에서 임계값을 제어할 때의 이점은 AGC 기능 대신에 간단한 제한 증폭기를 이용할 수 있다는 것이다. 진폭 판단 임계값을 프리앰프 출력에서 정의하기 때문에 프리앰프 뒤에서 제한 증폭기 같은 진폭 판단 회로를 이용할 수 있다 (그림 3b).
그림 3b. 선형 프리앰프 및 제한 증폭기 기능이 있는 10Gbps DWDM 수신기의 예.
이 애플리케이션 노트는 Communication Systems Design, 2003년 6월호에 게재되었던 것이다.
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그림 3a. 선형 프리앰프 및 AGC 기능이 있는 2.5Gbps DWDM 수신기의 예. 
