근거리 광통신이란?

단거리 광통신은 다소 놀랄 수 있습니다. 광통신의 가장 직접적인 응용분야는 초고속, 초대용량, 초장거리 광통신이다. 광통신은 초기에 장거리 고속 통신 서비스 전송을 해결하기 위해 사용된 후 클라이언트 측 고속 인터페이스를 제공하기 위해 데이터 센터 네트워크에 서서히 도입되었습니다.

쇼트의 진화 범위 광통신

오늘날까지 광통신이 단거리 전송에 침투하고 있음은 이미 자명합니다. 예를 들어, 업계에서는 최근 모듈 내 및 칩 간 광학적 상호 연결 문제를 해결하기 위해 공동 패키지형 광학 기술을 사용했으며 단일 스위칭 칩의 용량은 25.6Tb/s에 달할 것입니다. 그림 1에서 볼 수 있듯이 전송 거리가 다른 광통신의 일반적인 응용 시나리오와 더 짧은 거리에 대한 침투가 나열되어 있습니다.

그림 1. 광통신 애플리케이션의 진화

점점 더 많은 광통신 애플리케이션이 단거리 통신으로 전환되고 있는 것은 우연이 아닙니다. Cisco는 몇 년 전에 이러한 추세를 예측했으며 확인되었습니다. 광역 네트워크 트래픽은 이미 2017년에 장거리 백본 네트워크를 넘어섰고, 콘텐츠 전송 네트워크(CDN)의 부상과 클라우드 관련 서비스의 성장으로 데이터 센터 네트워크 관련 트래픽은 이제 인터넷 IP 트래픽에 견줄 만합니다.

내년까지 데이터 센터 내 트래픽 점유율은 70%를 초과할 것으로 예상되며, 동서 트래픽 점유율은 거의 85%로 그림 2에 표시된 것처럼 남북 트래픽을 훨씬 능가할 것입니다.

그림 2. 2021년 Cisco의 예측 데이터 센터 트래픽 분포

따라서 미래의 네트워크는 데이터센터가 주를 이루게 될 것이며 단거리 광전송이 강조되어야 한다고 말해야 한다. 그뿐만 아니라 네트워크 아키텍처의 변화로 인해 지연 시간이 짧은 서비스를 제공하기 위해 많은 콘텐츠가 사용자에게 더 가까이 다가가고 있습니다. 따라서 단거리 애플리케이션이 많을수록 대역폭에 대한 요구가 강해집니다.

현재 장거리 백본은 200G로 업그레이드되었지만 단거리 데이터 센터의 수요는 오랫동안 400G에 도달했으며 일부는 800G 인터페이스 속도로 업그레이드될 예정입니다. 올해 Ethernet Alliance는 800G 이더넷 사양을 발표했습니다. 분명히 데이터 센터, 슈퍼컴퓨팅 클러스터 및 기타 상호 연결된 네트워크로 대표되는 단거리 애플리케이션은 통신 시장 외부에서 광통신의 새로운 성장 포인트가 되었으며 그 중요성은 자명합니다.

짧은 정의 범위 광통신

근거리 광통신이란? 다양한 답변이 있습니다.

IEEE는 단거리(SR)를 약 100m로 정의하고 OIF는 단거리를 300m로 정의합니다. 그러나 학계는 단거리 광통신의 범위를 약 100km까지 확장하기도 했다. 근거리 광통신이 무엇인지 명확하게 정의할 수 있는 명확한 수치는 없는 것 같으며, 다음 소개에서는 100m~100km 구간 내의 모든 광통신을 근거리 광통신으로 정의할 가치가 있다. 즉, 그림 1의 빨간색 동그라미 부분은 물론 근거리 광통신이라고 하는 것이 더 적절하다. 100m 이내의 광통신을 위해서는 단거리 광접속이라고 해야 하며, 시스템내, 기판간, 기판상 상호접속을 일컫는다.

그림 3. 단기 시나리오 및 핵심 기술의 추가 분석 범위 광통신

그림 3에서 보는 바와 같이 단거리 광통신은 다시 세분화되어 근거리에서 원거리로의 전송 거리에 따라 SR, DR, FR, LR, ER, ZR 등의 시나리오가 포함됩니다.

근거리 광통신 표준

이러한 다양한 거리 애플리케이션을 위해 업계에서는 이제 100G 및 400G 클라이언트 측 광 상호 연결 표준(표 1 참조).

표 1. 100G/400G 관련 클라이언트 측 표준

다음과 같이 알 수 있습니다.

100m의 경우 주로 850nm VCSEL 광원 어레이를 사용한 다중 모드 전송 기술입니다.

500m ~ 2km의 경우 단일 모드 전송 기술이 일반적으로 사용되며 광원은 1310nm DML, SiP 또는 EML까지 다양합니다.

10km~40km의 경우 1310/1550nm EML 또는 심지어 MZM이 필요합니다. 1310은 분산이 적지만 손실이 높다는 장점이 있으며 이 거리에서 성숙한 저비용 O-대역 광 증폭기가 없습니다. 1550을 사용하는 장점은 광섬유의 손실이 적고 성숙한 광 증폭기가 있지만 분산 영향이 더 큽니다.

데이터 센터 통신 외에도 10km 광 통신을 위한 또 다른 중요한 애플리케이션 클래스가 있는데, 이는 한창 진행 중인 5G 프런트홀 구성입니다. 표 2는 중국의 일반적인 기술 솔루션과 해당 표준을 요약한 것입니다.

5G 프런트홀은 주로 O-대역 파장 분할 다중화를 사용하고, DML 직접 변조를 사용하여 25Gb/s NRZ 신호를 생성하고, 수신단에서 PIN 감지를 사용합니다. 주된 어려움은 비용을 줄이고 장파장의 분산 비용을 제어하는 ​​것입니다. DWDM 기반 기술은 확장 가능성과 전력 예산이 더 크지만 조정 가능한 EML + TEC 비용이 다른 프로그램보다 훨씬 높지만 5G 순방향 전송에서 확장하기 어려울 것으로 예상됩니다.

표 2. 일반적인 5G 프런트홀 솔루션의 기술 비교

물론 20km 광 통신의 경우 일반적으로 수동 광 네트워크(PON)라고도 하는 광 액세스 네트워크로 알려진 통신 산업 내 중요한 응용 프로그램도 있습니다. 이 분야는 완전히 국제적으로 표준화된 기술로 현재 PON은 APON, BPON, G/EPON, 10G EPON, XGSPON 등을 거쳤다. 상용화된 최고 속도는 대칭형 10Gb/s이다. 그러나 몇 년 전에 완료된 NGPON40라고도 하는 2GTWDM-PON을 포함하여 표준화가 최전선에 있었습니다. 25년에 확인된 2018G EPON과 현재 ITU-T와 IEEE 모두에서 논의 중인 단파 50G PON입니다. 이 영역의 핵심 문제는 비용 및 전력 예산 문제이며, 이는 저가의 고속 및 고감도 변조 수신 솔루션의 부족으로 귀결됩니다. 또한 80km ZR 애플리케이션의 경우 OIF는 이미 400Gbaud 60QAM 변조 및 16G 또는 100GHz 채널 간격을 갖춘 75ZR 구현 프로토콜을 출시했으며 IEEE도 IEEE P100 ct/cw에서 400GE/802.3GBASE ZR 표준에 대해 논의하고 있습니다. OIF 400ZR과 최대한 호환됩니다. 물론 100G뿐만 아니라 400G ZR 80km 수준의 광 전송 산업은 일반적으로 100G/400G 일관성 있는 탐지 기술을 도입할 필요성에 동의했습니다.

근거리 광통신을 위한 변조 및 다중화 기술

현재 산업 표준 및 시장 솔루션 측면에서 현재 업계에서 단거리에서 널리 채택되는 변조 형식은 두 가지뿐입니다. 하나는 25x4G 25G 인터페이스에 주로 사용되는 100Gb/s NRZ입니다. 다른 하나는 4Gb/s 및 50Gb/s 단일 파장 속도의 PAM100 변조로, 8x50G 또는 4x100G 400G 인터페이스와 1x100G 단일 파장 100G 고객 측 인터페이스를 실현하는 데 사용할 수 있습니다. 미래를 위해 800G 단거리 상호 연결, 8x100G PAM4 및 4x200G PAM4 솔루션이 있을 수 있습니다.

단거리 코히어런트 광 전송의 경우, 현재 표준화된 체계 중 어느 것도 확률적 성형 PCS 및 LDPC와 같은 초강력 순방향 오류 정정 코딩과 유사한 기술을 정의하지 않습니다. MSA, OIF, ITU-T, OpenROADM, IEEE와 같이 이미 표준이 있는 일관된 시스템 중에서 CableLabs는 상대적으로 단순한 변조 형식인 (D)QPSK, 8QAM, 16QAM만 정의했습니다. FEC의 경우, 가장 초기의 100G MSA는 6.7% 오버헤드 및 NCG=9.8dB로 계단식 HD FEC를 정의하고, 나중에 C-FEC는 400% 오버헤드 및 NCG=14.8dB로 OIF 10.8 ZR에서 정의되며 16QAM에 대해 O- 15.1% 오버헤드로 OpenROADM에서 정의된 FEC. 세 번의 디코딩 반복 후 16QAM의 NCG는 11.6dB에 도달할 수 있습니다.

다중화 방법의 경우, 현재 표준화된 100G/400G 단거리 광 인터커넥트에서 두 가지 유형의 다중화가 자주 사용됩니다. 하나는 다중 채널 바인딩을 달성하기 위한 공간 분할 다중화, 다중 단일 모드/다중 모드 광섬유 MPO 커넥터입니다. 두 번째는 다중 파장이 동일한 단일 모드 또는 다중 모드 광섬유에서 전송되는 파장 분할 다중화입니다.

표 3은 100G 인터페이스 속도에 사용되는 다중화 기술의 분류를 요약한 것입니다. Air-Division Multiplexing 시스템에 사용되는 실리콘 광학 기술은 더 나은 비용 이점을 가질 수 있다는 점은 주목할 가치가 있습니다. 여러 경로로 분할한 다음 실리콘 광학 변조기 어레이로 분할하는 데 하나의 파장 전력만 필요하기 때문입니다. 크기를 조절할 수 있을 뿐만 아니라 레이저 비용도 줄일 수 있습니다. 그러나 전력 예산은 단거리 광 상호 연결 응용 분야에서 실리콘 광 기술의 주요 장애물이 될 것으로 예상됩니다.

표 3. 100G 인터페이스에 사용되는 다중화 기술 비교

위의 내용은 업계에서 성숙한 애플리케이션에 사용되는 기술 도입에 중점을 두고 업계에서 일반적으로 사용되는 단거리 광통신 동향, 거리 경계, 표준 발전, 변조 및 다중화 기술의 진화에 대한 Fiber Mall의 주요 소개입니다.

파이버몰도 첨단 변조 기술, 신감지 기술, DSP 알고리즘, 800G/1.6T 기술 진화 비교 등을 학계 입장에서 논의한다.