Technical and Industrial Trends of Mobile and Access Optical Components

1. 유선가입자용 광부품

유선가입자망은 단일파장을 시간에 따라 공유하는 시간다중분할(TDM) 기술의 G/E-PON, 각 가입자가 별도의 파장을 사용하는 파장다중분할(WDM) 기술의 WDM-PON, 다수의 파장을 시간에 따라 분할 사용하는 시간파장다중분할(TWDM) 기술의 차세대 수동광가입자망(NG-PON2)으로 발전되고 있다. 망 구성 및 유지보수 효율 증대와 파장당 부하균등화, 전력감소 등의 장점을 갖는 TWDM-PON의 핵심부품은 파장가변 광송수신모듈이다[2]. 2011년 Huawei사는 전체 성능이 구현된 TWDM-PON 프로토타입을 공개하였으며, 2016년 이후 상용화가 예상된다.

TWDM-PON을 구현하기 위한 파장가변 광원 및 수신용 광부품은 OLT용과 ONU용으로 나뉘어진다. OLT용 다채널 송신을 위한 광대역 파장가변 광소자/모듈에 대한 연구가 집중되고 있으며, ONU용으로는 수신감도 증가를 위한 APD 소자/모듈 기술이 개발되고 있다. 광가입자망은 하나의 광섬유를 통한 양방향 통신 방식을 택하고 있어 상/하향 신호가 각각 다른 파장을 가지므로 상/하향 파장 분리 필터와 효율적인 패키징 기술이 중요하다[3].

NG-PON2용 ONU/OLT 광원기술의 특징을 <표 1>에 나타내었다. OLT용 광원은 전계흡수형 광변조기 집적 DFB 레이저(EML), 파장가변레이저, 외부 씨앗광원(seed light) 주입형 파장무의존(Colorless) 레이저 등이 있다. ONU용 광원은 2.5Gbps 직접변조형 DFB 레이저, 10Gbps EML, 2.5Gbps/10Gbps 파장가변레이저 등이 있다. NG-PON2용 광원은 망 구축 및 유지비용 감소를 위하여 저가격화와 넓은 파장가변성 등을 목표로 기술이 발전되고 있다.

NG-PON2의 핵심 부품인 파장가변 광원은 DFB selectable array, 외부 씨앗광원 주입형 파장무의존 레이저, 외부공진기형 파장가변 레이저(ECL), SC-DBR 파장가변 광원 등이 있다. DFB selectable array 방식은 서로 다른 출력 파장을 갖는 다수의 DFB 레이저를 하나의 반도체 칩 내에 동시에 집적하여 다채널 광신호를 출력한다. 기술적으로 검증된 DFB 레이저를 사용하므로 우수한 파장안정성과 높은 출력 파워를 제공할 수 있다는 장점과 파장가변을 위하여 온도를 제어하므로 가변시간이 느리다는 단점이 있다[4].

<표 1>

NG-PON2용 광원 기술의 특징 비교

외부 씨앗광원 주입형 파장 무의존 레이저는 외부에서 넓은 파장대역의 씨앗광원을 비교적 저가인 FP-LD나 반사형 광증폭기(RSOA)에 주입하여 원하는 파장의 광신호를 선택적으로 사용하는 방식으로서 광소자의 생산 단가를 절감하여 모듈 저가격화를 이룰 수 있다. (그림 1)은 10Gbps급 외부 씨앗광원 주입형 파장 무의존 레이저를 나타낸다. 직접변조 방식의 RSOA에 EAM을 집적하여 10Gbps급 동작이 가능하도록 제작되었다. 최근에는 5G 지원 및 NG-PON3 후보기술로써 coherent WDM-PON 등에서 여러 형태로 테스트가 진행 중이다[5].

(그림 1)

10Gbps급 REAM/SOA 외부 씨앗광원 주입형 파장무의존 레이저 칩과 모듈 사진

저가형 파장가변광원 기술인 직접변조 기반의 ECL을 (그림 2)에 나타내었다. 10Gbps급 파장가변을 위하여 이득 칩인 SLD을 직접변조하며, 패키지 내부에 하이브리드 집적되는 폴리머기반의 가변필터를 통하여 파장을 제어한다. 높은 광 출력파워를 제공하고 출력광의 선폭이 아주 좁으며 좋은 SMSR을 갖는다. 파장가변영역이 넓으며 연속적인 파장가변이 가능하다는 장점과 파장가변을 위하여 온도를 제어하므로 파장가변속도가 느리다는 단점이 있다.

(그림 2)

ETRI에서 개발된 10Gbps급 ECL 파장가변 레이저 모듈

(그림 3)는 SC-DBR 파장가변 광원으로서 DBR 광원과 Gain 부분, Grating 부분, 위상 제어부분을 단일 집적하여 제작된다. 각 구성요소의 입력 전류를 변화시켜 파장을 바꾸는 방식으로 연속적인 파장가변이 어렵지만 양산 가능성이 높은 기술로 평가 받고 있다. 앞서 설명된 3가지 방법과 비교하여 파장가변속도가 가장 빠르고 신뢰성과 안정성이 보장된다. 30nm 이상의 파장가변을 위해서는 SG DBR, GCSR DBR 또는 SSG-DBR 등의 구조 변형이 필요하다.

(그림 3)

SC-DBR 파장가변광원 구조[6]

광송신기와 광수신기가 단일 패키지 내에 집적된 광트랜시버는 세계적인 광통신 관련 업체 및 기관들 사이에 광모듈의 전기적, 물리적 특징을 규정짓는 표준규약인 MSA를 통하여 시스템 내에서의 상호 호환성 확보가 이루어지고 있다. 10Gbps급 광트랜시버의 형태는 300pin, XENPAK, XPAK, X2, XFP, SFP+ 등으로 정의되어 있다[7]. (그림 4)에 나타낸 같은 XFP와 SFP+ 광트랜시버는 SerDes칩을 내장하고 있지 않아 SONET/ SDH, WDM, 10GbE, 10G Fiber Channel 장치 등에 폭넓게 사용할 수 있고, 시스템 전원이 켜진 상태에서 모듈 탈착이 가능한 hot-pluggable 모듈이어서 용도에 따라 자유롭게 모듈을 교체할 수 있다.

(그림 4)

광트랜시버의 외형

XFP는 XFI라 불리는 고속 시리얼 인터페이스 규격을 포함한다[8]. XFP 광트랜시버는 9.95Gbps-11.1Gbps급 데이터 전송용 광송수신 모듈로서, 30pin 커넥터를 사용한다. Heatsink 옵션 채택이 자유로워 다양한 호스트 시스템에 적용 가능하며, 모듈의 크기는 18.35×8.5×78.0mm³로 SFP+에 비해 조금 더 크다. SFP+는 4.25Gbps용 SFP의 물리적 규격을 유지하면서 11.1Gbps급 데이터 송수신을 지원하는 표준규격이다[9]. SFP+ 광트랜시버는 XFP 광트랜시버에서 신호변조 및 CDR 등의 기능을 제거하여, XFP 모듈 대비 약 56%의 크기(13.4×8.5×56.5mm³)로서 20pin 커넥터를 통하여 전기적으로 접속된다.

소형화/단순화되는 기술 발전 추세에 따라서 10Gbps급 광트랜시버 시장은 300pin으로부터 XENPAK과 XPAK 및 X2를 거쳐 최근에는 XFP와 SFP+로 이동하고 있다. XFP 및 SFP+ 제품군은 TOSA를 기준으로 전송거리와 응용분야에 따라 10km 미만 전송용 직접 변조 DML 방식을 채택한 제품과 40/80km 전송용 EML 방식을 채택한 제품으로 크게 구분된다. 또한, ROSA의 경우에는 40km 이내의 경우 PIN-PD를, 80km의 경우 전치 증폭 기능을 갖는 APD를 사용한다. 광트랜시버용 TOSA 및 ROSA로는 양산성을 높이고 고속 전자소자에서 발생되는 열로부터 영향을 덜 받게 하고 역학적 영향을 최소화하기 위하여 flexible PCB 형태의 전기 인터페이스를 갖는 제품이 주로 사용되며, 이에 대한 표준규격(XMD MSA) 역시 업체 간에 공동의 약속으로 정의되어 있다.

2. 무선가입자용 광부품

무선통신 기술은 3G, 4G를 거쳐 5G로 진화하면서 에너지, 상면적, 비용, 자원, 트래픽이 4G 대비 100배 이상 급증할 것으로 예상된다. 이러한 트래픽 증대 및 TCO 절감 방안으로 대용량, 고효율의 광 기술기반 5G 프론트홀 핵심기술개발이 요구된다. 프론트홀은 무선기지국의 대용량, 운용 효율성 증대를 위해 BBU와 RRH가 분리된 C-RAN 형태로 진화되었으며, 국내 이동통신 사업자들도 모두 C-RAN 구조를 운용 중이다[10]. C-RAN은 BBU를 한곳으로 모으고 옥외에는 RRH만을 두어 이동통신 기지국 CAPEX 및 OPEX을 획기적으로 절감하는 효과가 있다.

2011년 SK텔레콤은 C-RAN용 프론트홀을 개발하여 4G LTE 상용화에 성공하였으며, 국내 광트랜시버 업체 및 프론트홀 시스템 업체와 협력하여 2012년 CWDM SFP를 개선한 Dual sub-channel CWDM 기술을 상용화 하였다. 2014년에는 Multi sub-channel CWDM 기술을 도입하여 세계 최초로 CPRI option 6(6.144 Gbps)를 상용화하였다. 향후 10Gbps급 고속망 구축 및 재고관리비용 저감을 위해 10Gbps급 저가형 파장가변 광원 개발을 진행하고 있다. 최근 5G 이동통신 핵심성능(최고 전송속도: 20 Gbps(하향)/10Gbps(상향))의 수용을 위한 광 링크기술개발과 함께 25Gbps(CPRI option 10) 변조속도, 20km 전송거리의 광원 개발이 진행되고 있다. Multi sub-channel CWDM 기술은 하나의 CWDM 채널 내에 1.6nm 파장간격의 6개의 서브채널을 사용하고, 1271nm 부터 1611nm 파장 내의 18개 CWDM 채널 중 1400nm 근처의 2채널을 제외하고, 16개의 CWDM 채널을 활용하므로 총 96(=16×6)개의 파장고정 변조광원이 요구된다.

파장고정 광원은 광원을 직접변조시키는 직접변조방식과 외부 변조기에서 광원을 변조시키는 간접변조방식이 있다. 직접변조방식(DML)은 DFB 레이저의 주입전류를 변조시켜 광변조 신호를 출력한다. DML은 제작이 용이하고 동작이 간단해서 저가격화에 장점이 있으나, 변조 시 발생하는 파장 선폭의 처핑(chirping)으로 인한 분산 때문에 전송거리가 제한된다. 간접변조방식(EML)은 DFB 레이저와 외부변조기인 EAM이 단일 집적된 형태이다. EML은 낮은 처핑 특성으로 인해 고속 장거리 전송이 가능한 반면 제작이 상대적으로 복잡하며, 광흡수로 인해 광출력이 낮은 단점이 있다[11][12].

CWDM 채널 중 O-band(1271-1360nm)는 C/L-band(1531-1611nm)에 비하여 신호의 분산이 적으므로 25Gbps급 DML이 광원으로서 사용될 가능성이 높다. 25Gbps의 고속 변조특성과 20km 이상의 전송거리 확보를 위해서는 광원 내의 전기적 기생성분 최소화와 높은 광 출력 특성이 필수적이다. 분산 특성이 신호 전달의 제한요건으로 작용하는 C/L-band용 광원은 25Gbps급 EML이 유력하며, 고속변조 및 낮은 처핑 특성의 소자개발이 요구된다.

국외에서는 2014년부터 Orange, BT 등 유럽 통신사업자들이 국내에서 개발된 Dual sub-channel CWDM 기술에 대한 광모듈 및 시스템 시험을 진행하고 있다. Lumemtum에서도 Dual sub-channel CWDM용 SFP를 공급하고 있다[13]. OECC 2016에서 일본은 광대역(1000-1360nm) 파장가변광원기술 및 시스템 구조를 공개하였고, 대만은 Optical Spectrum Reshaping을 통해 직접변조로 25Gbps를 20km까지 전송할 수 있음을 발표하였다.

1. 유선가입자용 광부품

(그림 5)은 전 세계 통신 서비스 및 장비 업체 위원회인 FSAN 로드맵으로서 단일 채널을 지원하는 GPON에서 전송속도 증가와 다수 가입자 지원을 위한 다채널 기술로 진화하는 유선가입자망의 진화 단계를 표현한다. 전송속도는 하향 10Gbps/상향 2.5Gbps급의 XGPON에서 상/하향 10Gbps급의 XGSPON, 상/하향 25Gbps급으로 발전될 전망이다. 파장 다중화는 10Gbps급 유선가입자망에서는 TWDM을 활용하며 상/하향 40Gbps급으로 진화가 예상된다. NG-PON2는 하향 40Gbps를 목표로 하고 있으며, 파장다중방식, Coherent UDWDM-PON, OFDM-PON, TWDM-PON 및 하이브리드 방식이 고려되고 있으며, FSAN은 TWDM-PON이 망 운영자 관점에서 기존 망과의 호환성 및 설치/유지비용 저가화가 가능하여 NG-PON2의 주요 후보기술로 검토하고 있다.

(그림 5)

FSAN(Full Service Access Network) 로드맵

현재 국내 유선가입자망은 EPON중심으로 운영되고 있고, GPON기술이 부분적으로 적용되어 있다. EPON 및 GPON은 각각 1Gbps, 2.5Gbps 전송속도를 제공하며 국내를 비롯한 아시아와 북미 등에서 가입자 서비스용으로 사용되고 있다. 국내에서는 2010년부터 10Gbps급 TDM-PON의 사용이 증가하고 있고, 가입자 트래픽에 대처하기 위해 10Gbps급 이상 40Gbps 또는 100Gbps PON 기술 도입이 예상된다. 40Gbps급 이상 대용량 PON은 기존 TDM 방식과 WDM 방식이 결합된 TWDM-PON 기술이 고려되고 있다.

2016년 이후 본격적으로 상용화가 예상되는 TWDM- PON 기술은 파장가변레이저가 핵심부품이며, ECL 및 PIC 방식의 기술이 개발 중이다. ECL 기술은 ㈜켐옵틱스 및 ETRI를 중심으로 10Gbps급 시제품 개발을 완료하고 상용화 과정에 있으며, PIC 방식 파장가변 레이저 기술은 ㈜오이솔루션이 10Gbps급 시제품 개발을 진행하고 있다.

2018년 북미 지역에서의 GPON, XG-PON, TWDM-PON의 월별 수입은 각각 $7,500, $10,000, $35,000으로 예상되며 서유럽지역에서의 GPON, XG-PON, TWDM-PON의 월별 수입은 각각 $3,500, $5,000, $30,000으로 예상된다[14]. 북미의 경우, 투자 비용 회수 시간(ROI time)을 비교하면, GPON과 XG-PON1이 각각 8.9년과 3.3년인데 반하여 TWDM-PON은 약 1년 정도로 매우 짧을 것으로 예상된다[14]. 이는 TWDM-PON이 기존 TDM-PON 방식에서 사용되었던 인프라를 재활용할 수 있기 때문으로 분석된다.

<표 2>에 나타낸 바와 같이 NG-PON2에 활용될 수 있는 10Gbps급 광트랜시버는 주로 유선가입자망 시장 중심으로 성장하며 2015년부터 2019년까지 21%의 성장률이 예상된다. 파장가변 광원 기술은 전 세계적으로 JDSU, Finisar, Oclaro 등 3개 회사가 상용화를 주도하고 있으며, 각각 70%, 20%, 10%의 시장 점유율을 보인다. 최근 Finisar, Avago 등의 대형 광부품 업체들은 광부품의 단가를 낮추고, 시장지배력 확대를 위해 칩 혹은 모듈 제작사들을 인수합병하여, 수직계열화를 빠르게 진행하고 있다. Cisco, Huawei 등 대형 시스템 사업자들도 인수합병 및 계열화를 통해 자체 부품공급 체계를 이미 구축하고 있다. 국내 통신용 광부품 산업은 세계시장의 약 4%를 점유하고 있으며, 주로 가입자용 광 부품에 기반을 두고 성장하였으며 지난 10년 동안 10배 이상 성장하였다.

<표 2>

10Gbps XFP/SFP+ 제품군의 시장동향

2. 무선가입자용 광부품

5G망 구축과 관련해서 삼성은 2015년 8월에 기지국당 32안테나를 사용하는 20MHz LTE FD-MIMO기술 기반으로 400Mbps 무선 데이터 전송을 시연하였다. KT와 SKT는 2015년 6월에 3CA LTE와 GiGa WiFi를 하나의 통신망처럼 묶어 기존 LTE보다 15배 빠르고 3CA보다 4배 빠른 최대 1.17Gbps의 속도를 낼 수 있는 멀티패스 TCP 서비스 상용화하였다. KT는 eMBMS 기술, 대용량 MIMO기술, 밀리미터파 기술, 3D 빔포밍 기술 등 5G 테스트베드에서 개발되는 기술을 바탕으로 2018년 평창 동계올림픽에서 세계 최초로 5G 시범서비스를 제공할 계획이다.

SKT는 4G망을 국내의 부품 및 장비제조사 간의 생태계를 기반으로 구축하였으며, 5G 서비스에 대한 전달망 대역폭 증가 및 다양한 인터페이스에 대한 대비를 계획 중에 있다. 기존 인프라를 최대한 활용하기 위한 Ring-Mux 및 CWDM, DWDM 기술 고도화를 진행하고 있다. 대용량 트래픽을 수용할 수 있는 기술로서 CPRI option 10(24.33Gbps) 기반의 대용량 multi-sub channel CWDM 기반의 구현방안들을 검토 중이다.

국내의 광 부품 제조사인 오이솔루션, 빛과전자, 포벨, 코셋 및 엘디스 등에서 광소자 부품을 납품 받아서 HFR, SOLID 등의 장비 제작사에서 국내 기술로 SKT의 4G 망용 프론트홀 장비를 제작 납품하였다. 현재 4G 진화망을 위한 10Gbps급 파장고정형 광 부품을 10Gbps급 파장가변형 광부품으로 진화하기 위해 준비 중이다.

NTT Docomo는 2020년 도쿄올림픽을 기점으로 5G 서비스 상용화를 목표로 기술개발 중이다. 핵심 기술은 펨토셀 및 대용량 MIMO 기술에 기반을 두고 있으며, 삼성, Ericsson, Nokia, ALU 및 Huawei 등이 참여하고 있다. 15GHz와 72GHz 대역을 활용한 고속 무선 전송기술을 시연하였고, 중국의 Huawei는 러시아 이동통신사 메가폰과 함께 5G 네트워크를 개발하여 2018년 러시아 월드컵에서 5G 네트워크 시범서비스를 실시할 예정이다.

2012년 ALU와 Orange Lab.은 FSAN에서 프론트홀의 증대되는 대역폭 절감시도로 기존의 CPRI구조를 변경한 새로운 기지국 BBU-RRH구조를 제시하였으며, 차세대 분리형 기지국 운용기술로써 CPRI/OBSAI의 구현과 관련된 솔루션을 제안하였고, NTT는 차세대 무선기지국용 무선통신기술로 WDM-PON 망에서 RoF 기술을 적용하여 Wi-Fi 2GHz, 5GHz 듀얼밴드 2×2 MIMO RF신호를 광섬유 증폭기를 사용하는 40km 전송구조를 연구 중이다.

유럽, 일본 및 중국은 5G 프론트홀로서 기존의 PON구조나 NG-PON2를 고려하고 있으며, 파장당 25Gbps급 이상의 확장을 위하여 TWDM-PON을 고려 중이다. DWDM-PON의 경우 저가형 파장무의존 광부품 기술이 연구되고 있으며, NG-PON3 이후의 표준화는 5G 및 지속적인 무선가입자망의 트래픽 수용이 주요 현안으로 인식된다.

<표 3>에 나타낸 바와 같이 2015년 기준 프론트홀 및 백홀 등 무선가입자망와 관련된 광트랜시버 시장 규모는 약 7.4억 달러로 추정되며, 향후 2019년에는 약 10억 달러로 성장할 것으로 전망된다. 프론트홀 관련 광트랜시버 시장규모는 2015년 6.8억 달러에서 연평균 8.7%로 성장하여 2019년에는 약 9.5억 달러에 이를 것으로 예상된다.

<표 3>

세계 모바일 액세스 광트랜시버 시장 현황 및 전망(2014~2019)

1. 유선가입자용 광부품

유선가입자망 기술개발 및 표준화는 상용화 이전 5~7년 전부터 시작되며, 현재는 40Gbps급 광 가입자 시스템 개발 및 표준화가 진행되고 있으며 NG-PON2와 NG-PON3로 진화할 것으로 예상되고 있다[15]. 향후 1~2년 내에 40Gbps급 TWDM-PON이 도입되고, 2020년 이후에는 100Gbps급 PON 장비가 출시될 것으로 전망된다. 하향 40~100Gbps, 상향 40Gbps 이상의 속도를 지원하는 SDN 기반 차세대 광 가입자망 광 부품으로 진화될 것으로 전망된다. 40Gbps급 및 100Gbps급 광트랜시버는 10Gbps급 4채널 혹은 10채널로의 구성이 논의되고 있다.

NG-PON3 준비를 위해 유럽은 EU-FP 프로그램을 통하여 개별 10Gbps, Aggregate 100Gbps급 OFDMA 기술 기반의 가입자망 개발프로그램인 ACCORDANCE STREP 프로젝트를 진행 중이다. 상기 프로그램에서 OLT는 I/Q modulator, 90-degree hybrid mixer(1×4), DSP 및 OLT-MAC기술의 사용이 논의되고 있으며, ONU의 경우 OLT로부터 low-noise seed link를 통해 REAM방식을 사용이 논의되고 있다.

2. 무선가입자용 광부품

국내에서는 2013년 5월 PG201 산하 CWDM기반 메트로 액세스 실무반이 결성되어 2013년 12월 2개의 Sub-channel을 갖는 CWDM에 대한 TTA단체 표준을 제정하였다. 2016년 3월에 6개의 Sub-channel을 갖는 CWDM에 대한 TTA단체 표준 개정안이 접수되어 2016년 6월 TTAE.K0.03-0022R1로서 최종 승인되었다.

국외 표준화 동향으로 2015년 12월 FSAN 회의에서 SK텔레콤과 Orange는 Fixed Dual/Multi Sub-channel CWDM 및 표준이 완료된 NG-PON2 PtP WDM를 대체할 수 있는 Colorless Multi Sub-channel CWDM에 대한 표준화를 제안하였다. 또한, SK텔레콤은 차세대 모바일 프론트홀 요구사항을 발표하였다. 2016년 4월 FSAN 회의에서 SK텔레콤, 국내업체(PPI, MEL, 빛과전자), Orange은 PtP WDM 구현을 위한 CWDM Sub-band 기술의 가능성 및 ODN에 대한 분석을 제공하였으며, FSAN Roadmap 2.0(초안)에 PtP WDM Enhancement가 반영되도록 하였다. 2016년 6월 FSAN 회의에서 SK텔레콤과 국내업체(PPI, ChemOptics, Solid)들은 통해서 CWDM Sub-band 기술을 위한 Wavelength grid 및 Automatic Wavelength locking을 제안하였다.