코히런트 광학 소개

코히어런트 광학 기술의 발전

코히어런트 광학의 발전은 광섬유 통신의 등장과 발전에서 언급해야 합니다. 광섬유 통신의 시작은 1966년으로 거슬러 올라가며, 광섬유 통신의 아버지인 Charles K. Kao가 전송 매체로 석영 유리 섬유를 제안하면서 

고속 광섬유 통신 시스템의 기반을 마련합니다.

그리고 1980년대 이후 광통신은 광섬유 손실의 감소와 반도체 레이저 및 광검출기와 같은 광통신 부품의 지속적인 발전으로 폭발적인 성장을 이루었습니다.

1990년대 초, 광통신 시스템의 가장 중요한 발명은 에르븀 첨가 광섬유 증폭기(EDFA)로, 중계 지점이나 수신단에서 신호를 증폭할 수 있어 장거리 광통신의 기반을 마련했습니다. 현재까지도 EDFA는 가장 널리 사용되고 가장 신뢰할 수 있는 광 증폭 기술로 인정받고 있습니다. 거의 같은 시기에 고밀도 파장 분할 다중화(DWDM) 기술도 개발되었으며, 이는 광섬유의 저흡수 영역을 충분히 활용하여 광통신의 전송 용량을 크게 증가시켰습니다. 

EDFA와 DWDM 기술의 결합을 기반으로, 강도 변조/직접 검출(IM/DD) 광 시스템은 널리 사용되어 왔습니다. IM/DD는 대용량 및 장거리 광섬유 전송을 위한 저비용의 단순한 솔루션을 제공하므로, 코히어런트 광학은 높은 비용과 복잡한 기술 때문에 한동안 더디게 발전했습니다.

21세기에 접어든 후 네트워크 트래픽의 급증으로 광통신 시스템은 전송 용량과 품질에 대해 더 높은 요구 사항을 갖게 되었습니다. EDFA 및 WDM 기술에는 한계가 있어, 광통신 서비스 제공업체는 전송 용량을 향상시키기 위한 새로운 기술적 돌파구를 시급히 찾아야 합니다. 이러한 요구를 충족하기 위해 광통신 시스템은 광섬유 분산 효과를 한층 더 극복하고, 제한된 대역폭 내에서 전송 용량을 향상시키며, 수신기 감도를 개선하여 더 긴 전송 거리를 달성해야 합니다. 따라서 코히어런트 광 기술은 빠른 발전 단계에 진입했습니다. 기존 IM/DD 광 시스템과 비교했을 때, 코히어런트 광통신 시스템은 높은 감도, 긴 전송 거리, 큰 통신 용량이라는 장점을 갖습니다. 코히어런트 기술은 광통신 시스템의 전송 용량을 더 높은 수준으로 향상시킵니다.

코히어런트 광학 정의

코히어런트 옵틱스는 송신기에서 코히어런트 변조를 사용하고 수신기에서 코히어런트 검출 기술을 사용합니다. 기존 IM/DD 통신 시스템과 비교하여 코히어런트 광통신은 더 긴 전송 거리와 더 나은 통신 품질을 제공합니다.

다음 그림은 코히어런트 광통신의 기본 작동 원리를 보여줍니다. 송신기에서는 외부 변조를 사용하여 신호를 진폭 변조, 위상 변조 또는 주파수 변조의 형태로 광 반송파에 변조한 다음 전송합니다. 수신기에서는 신호가 광 믹서에서 국부 발진(국부 광 발진기에서 생성된 광 신호)과 혼합된 다음 평형 검출기에서 검출됩니다. 마지막으로 신호는 디지털 신호 처리(DSP)를 통해 처리되어 출력됩니다.

코히어런트 광통신의 작동 원리

다음 표는 비코히어런트 광학과 코히어런트 광학 간의 주요 차이점을 정리한 것입니다.

코히어런트 광학과 비코히어런트 광학 비교

코히어런트 광학의 장점

• 수신기의 감도를 향상시킵니다. 코히어런트 광통신 시스템에서 코히어런트 혼합 후 출력 광전류는 신호 광파워와 국부 발진기 광파워의 곱에 비례합니다. 국부 발진기 출력이 신호광보다 훨씬 크기 때문에 출력 광전류가 크게 증가하고 검출 감도도 그에 따라 증가합니다. 동일한 조건에서 기존의 비코히어런트 광통신과 비교할 때, 코히어런트 광통신의 수신기는 감도를 20dB 향상시킬 수 있으며, 이는 기존 비코히어런트 광통신보다 100배 향상된 것과 같습니다.

• 더 긴 전송 거리를 지원합니다. 향상된 수신기 감도를 통해 릴레이 없는 전송 거리가 수십 킬로미터에서 수천 킬로미터로 증가합니다.

• 다양한 변조 유형. 기존 광통신 시스템에는 강도 변조라는 하나의 변조 형식만 있습니다. 그러나 코히런트 광통신에서는 진폭 변조 외에도 PSK, DPSK, QAM 등을 사용할 수 있어 애플리케이션에 유연성을 제공합니다. 또한 기존 광 수신기는 광 전력 변화에만 반응하는 반면, 코히런트 검출은 진폭, 주파수, 위상 및 편광 상태가 전달하는 모든 정보를 감지할 수 있습니다. 

• 강력한 DSP 기술. 코히어런트 기술은 디지털 신호 처리(DSP)를 사용하여 광섬유 회선의 분산, 편광 모드 분산(PMD) 및 비선형 효과를 균형 있게 조정하고 보상하며, 회선 분산 허용 오차와 ROADM 필터 허용 오차를 향상시켜 초장거리 전송에서 중계를 최소화할 수 있도록 합니다.

코히어런트 광 기술

코히어런트 광 기술의 주요 속성은 다음과 같습니다:

• 외부 변조 기술: 반도체 레이저의 광 반송파의 특정 매개변수를 직접 변조하면 다른 매개변수에 항상 기생 발진이 발생합니다. 예를 들어, ASK 직접 변조에는 위상 변화가 수반되며 변조 깊이는 제한됩니다. 따라서 코히어런트 광통신 시스템에서는 직접 주입 전류를 주파수 변조에 사용할 수 있는 FSK를 제외하고, 다른 모든 방식은 외부 광 변조를 사용합니다.

• 편광 유지 기술: 우수한 혼합 효과를 달성하고 수신 감도를 향상시키기 위해, 코히런트 광통신 시스템은 신호광과 국부 발진기가 동일한 편광 방향을 가져야 합니다. 단일 모드 광섬유를 통한 장거리 전송 후에는 편광 상태가 무작위가 됩니다. 따라서 편광 유지 광섬유, 편광 컨트롤러, 편광 다이버시티 수신과 같은 많은 편광 제어 방법이 제안되었습니다.

• 주파수 유지 기술: 코히어런트 광통신에서 반도체 레이저의 주파수 안정성은 매우 중요합니다. 레이저의 주파수는 작동 온도와 전류 변화에 매우 민감합니다. 레이저의 주파수가 다양한 작동 조건에 따라 드리프트하면 if 전류에 영향을 미쳐 비트 오류율을 높일 수 있습니다.

• 스펙트럼 압축 기술: 광원의 스펙트럼 폭은 코히어런트 광통신에서도 매우 중요합니다. FM 노이즈가 수신기 감도에 미치는 영향을 극복하려면 광파의 좁은 선폭을 보장해야 합니다. 선폭이 좁을수록 위상 편이로 인해 발생하는 위상 노이즈가 작아집니다.

코히어런트 광 트랜시버

코히어런트 광 트랜시버는 장거리 백본 네트워크와 도시권 네트워크(MAN)의 주요 솔루션입니다. 초기에 코히어런트 광 트랜시버는 CFP 폼 팩터를 채택했으며, 이는 CFP-DCO(디지털 코히어런트 옵틱스)라고도 합니다. CFP-DCO 코히어런트 트랜시버는 폭이 82mm이고 최대 소비 전력은 최대 24W입니다. 그러나 낮은 소비 전력, 작은 폼 팩터, 더 높은 데이터 속도, 저비용은 항상 광통신의 추구 목표이므로 CFP2 코히어런트 광 트랜시버가 개발되었으며, 이는 CFP2-ACO(아날로그 코히어런트 옵틱스)라고도 합니다. 폭은 41.5m이고 최대 전력 소비는 12W입니다. 기술 발전은 멈추지 않습니다. 최근 몇 년 동안 400G OSFP DCO 및 QSFP-DD DCO와 같이 더 작고, 더 빠르며, 전력 소비가 더 낮은 폼 팩터가 도입되었으며, 다음 그림과 같습니다.

요약하면, 코히런트 광 모듈의 발전 추세는 다음과 같이 정리할 수 있습니다.

• 고속: 100G/200g에서 400G, 나아가 800G까지.

• 소형화: 100G MSA에서 CFP/CFP2DCO/ACO로. 오늘날 400G OSFP DCO와 QSFP-DD DCO도 도입되었습니다.

• 낮은 전력 소비: 전체 시스템의 전력 소비 요구 사항을 고려하여, 예를 들어 QSFP-DD 폼 팩터 코히어런트 광 모듈 제품의 전력 소비는 15W 미만으로 제어되었습니다.

• 표준화 및 상호 연결: 전통적으로 다양한 장비 제조업체는 자체 개발한 특수 interface boards를 사용하고 비공개 고차 modulation methods와 FEC algorithms를 사용하여, 서로 다른 제조업체의 interfaces가 상호 연결될 수 없게 되었습니다. coherent optical modules의 상호 연결은 업계의 미래 방향입니다.

코히어런트 광 모듈은 향후 몇 년 동안 폭발적인 성장을 이룰 것입니다. QSFPTEK은 코히어런트 광학 솔루션과 트랜시버를 제공할 수 있습니다. www.qsfptek.com을 방문하고 QSFPTEK 기술 지원팀에 문의해 주십시오.