파장 분할 다중

3. 기술

WDM 시스템은 송신기에서 다중화기를 사용하여 신호를 결합해 송신하고, 수신측의 역다중화기는 수신된 신호들을 분리한다. 적절한 유형의 광섬유를 사용하면 두 가지 기능을 동시에 수행하는 광 분기/결합 다중화기(OADM)를 만들 수 있다.^[1] 이때 사용되는 광학 필터 장치는 일반적으로 에탈론(얇은 필름으로 코팅된 광학 유리 형태의 안정적인 고체 단일 주파수 파브리-페로 간섭계)이다.^[3]

WDM의 개념은 1970년에 처음 발표되었고,^[4] 1978년에 실험실에서 구현되었다. 초기 WDM 시스템은 단 두 개의 신호만 결합했지만, 현대 시스템은 160개의 신호를 처리하여 단일 광섬유 쌍으로 1.6Tbps 이상의 데이터를 전송할 수 있다. 320개 채널을 가진 시스템도 존재한다.

통신 회사들은 WDM을 통해 광섬유를 추가 설치하지 않고도 네트워크 용량을 확장할 수 있다는 이점 때문에 WDM 기술을 선호한다. WDM과 광 증폭기를 사용하면 백본 네트워크를 전면 교체하지 않고도 광학 인프라 기술 발전에 따라 여러 세대에 걸쳐 업그레이드가 가능하다. 각 끝단의 다중화기 및 역다중화기를 업그레이드하는 것만으로 링크 용량을 확장할 수 있다.

대부분의 WDM 시스템은 코어 직경이 9μm인 단일 모드 광섬유 케이블에서 작동하지만, 일부 WDM 형태는 코어 직경이 50 또는 62.5μm인 다중 모드 광섬유 케이블에서도 사용 가능하다.

초기 WDM 시스템은 복잡하고 비용이 많이 들었지만, 최근 표준화와 WDM 시스템에 대한 이해가 높아지면서 WDM 구축 비용이 절감되었다. 광 수신기는 레이저 광원과 달리 광대역 장치이므로, 역다중화기가 WDM 시스템에서 수신기의 파장 선택성을 제공해야 한다.

3. 1. WDM 시스템의 종류

• 일반 WDM (BWDM): 단일 광섬유에서 두 개의 일반 파장 1310nm 및 1550 nm를 사용한다.^[3]

• CWDM (Coarse WDM, 저밀도 파장 분할 다중화): 20nm 간격으로 비교적 넓은 파장 간격을 사용하여 최대 18개 채널을 지원한다.^[5] 1270 nm부터 1610 nm까지 20 nm 간격의 채널 그리드를 사용한다. 그러나 구형 G.652 규격 광섬유에서는 1470 nm 이하 파장에서 감쇠가 커져 사용이 어려울 수 있다. 신형 광섬유(G.652.C, G.652.D)는 1383 nm 부근의 감쇠 피크를 제거하여 18개 채널 모두 사용 가능하다.^[6] 에르븀 첨가 광섬유 증폭기(EDFA)를 사용할 수 없어 전송 거리가 60km 정도로 제한되지만, 완화된 광학 주파수 안정화 요구 사항 덕분에 비용이 저렴하다.^[3] 주로 케이블 텔레비전 네트워크 등 대도시 응용 분야에 적합하다.

• DWDM (Dense WDM, 고밀도 파장 분할 다중화): 0.8nm(100GHz) 또는 0.4nm(50GHz) 간격으로 매우 좁은 파장 간격을 사용하며, 최대 160개 이상의 채널을 지원한다.^[13] C-대역(1530 nm-1565 nm) 또는 L-대역(1570-1610 nm)에서 동작하며, 에르븀 첨가 광섬유 증폭기(EDFA)를 활용하여 장거리 전송이 가능하다. 채널 간 간격이 매우 좁아 레이저 송신기의 정밀한 온도 제어가 필요하며, CWDM보다 더 높은 변조 속도를 지원하여 인터넷 백본과 같은 고성능 통신망에 사용된다.

3. 2. 핵심 구성 요소

• 터미널 다중화기/역다중화기: 송신기에서 다중화기는 여러 신호를 결합하여 전송하고, 수신기에서 역다중화기는 신호를 분리한다.^[1] 적절한 유형의 광섬유를 사용하면 이 두 기능을 동시에 수행하는 광 애드-드롭 다중화기를 만들 수 있다.
• 광 증폭기 (EDFA, Erbium-Doped Fiber Amplifier): 신호가 광섬유를 따라 이동하면서 발생하는 광 전력 손실을 보상하기 위해 약 80~100 km마다 배치되는 중간 라인 중계기에 사용된다. '다중 파장 광 신호'는 일반적으로 여러 증폭기 단계를 갖는 EDFA에 의해 증폭된다.
• OADM (광 분기/결합 다중화기): 원격 사이트에 도달하기 전, 다중 파장 신호를 증폭하는 원격 증폭 사이트 역할을 한다. 광 진단 및 원격 측정을 통해 광섬유 단선 또는 신호 손상을 파악할 수 있다. 정교한 시스템에서는 다중 파장 광 신호에서 여러 신호를 제거하고 로컬로 드롭할 수 있다.
• OXC (광 교차 연결 장치): 입력 포트에서 원하는 출력 포트로 신호를 라우팅하는 데 필요한 광섬유 상호 연결 장치이다.

• DWDM 터미널 멀티플렉서: 각 데이터 신호에 대한 파장 변환 트랜스폰더, 광 증폭기(EDFA), 광 멀티플렉서를 포함한다. 파장 변환 트랜스폰더는 클라이언트 계층의 광 데이터 신호를 받아 전기 신호로 변환한 후, 특정 파장의 1,550 nm 대역 레이저를 사용하여 재전송한다. 이 신호들은 광 멀티플렉서를 통해 다중 파장 광 신호로 결합되어 단일 광섬유로 전송된다.
• DWDM 터미널 디멀티플렉서: 원격 사이트에서 광 디멀티플렉서와 하나 이상의 파장 변환 트랜스폰더를 사용하여 다중 파장 광 신호를 개별 데이터 신호로 분리하고, 클라이언트 계층 시스템을 위해 별도의 광섬유로 출력한다.

3. 3. 파장 대역

4. 응용 분야

WDM 시스템은 통신 회사들이 더 많은 망을 건설하지 않아도 네트워크 용량을 확장할 수 있어 통신 회사들에게 인기가 매우 좋다.^[3] 파장 다중 기술과 광 증폭기를 사용하여, 백본 네트워크를 점검하지 않아도 광학 인프라 기술 개발의 여러 세대를 수용할 수 있다. 주어진 링크의 용량은 각 끝에 다중화기 및 역다중화기를 업그레이드하는 것만으로 확장할 수 있다.

광 파장 분할 다중 통신 기술은, 부설에 막대한 비용과 시간이 소요되는 광섬유 해저 케이블의 효율적인 활용 수단으로 개발되었다. 그전까지는 통신 용량이 부족해지면 송수신 장치의 고도화(예: 2.4Gbps의 SDH 회선을 10Gbps의 것으로 갱신하는 등)나, 더 많은 가닥의 케이블을 추가로 부설하는 방법밖에 없었다. 이 기술을 사용함으로써 광 케이블을 유효하게 활용할 수 있다. 또한, 심선 수에 따라서는 1m당 수천 엔에 달하는 광 케이블 부설의 추가 투자를 하지 않아도, 양쪽 끝의 기기를 WDM 대응 기기로 갱신하면 되기 때문에 결과적으로 통신 비용 절감에도 기여한다.

최근에는 인터넷, 특히 광대역의 보급을 주된 목적으로 하는 네트워크 트래픽 증가에 대처하는 기술로도 기대받고 있다.

또한, FTTH의 보급에 따라, 업로드・다운로드 신호를 분할하거나 (복신·전이중), 1개의 광섬유에 광통신 계통과 광방송 계통의 복수의 신호를 중첩하는 등의 용도로도 응용되고 있다.

CWDM은 서로 다른 파장을 '다운스트림' 및 '업스트림' 신호에 사용하는 케이블 텔레비전 네트워크에서 사용되고 있다. 이러한 시스템에서 사용되는 파장은 종종 매우 넓게 분리되어 있다. 예를 들어, 다운스트림 신호는 1310 nm에 있을 수 있으며 업스트림 신호는 1550 nm에 있을 수 있다.

5. WDM 기술의 미래

WDM 기술은 지속적으로 발전하여 더 높은 용량, 지능성, 그리고 유연성을 제공할 것으로 예상된다.

• 고용량화: 채널당 전송 속도를 높이고, 채널 수를 늘리며, 새로운 파장 대역을 활용하여 WDM 시스템의 용량은 계속해서 증가할 것이다.

• 지능화: 소프트웨어 정의 네트워킹(SDN, Software-Defined Networking) 및 인공지능(AI) 기술과의 결합을 통해 WDM 네트워크는 더욱 지능화될 것이다.

• 유연성: ROADM 기술의 발전과 파장 가변 트랜시버의 도입으로 WDM 네트워크는 더욱 유연하게 구성 및 운영될 것이다.

참조

_[1] 논문 Optofluidic wavelength division multiplexing for single-virus detection
_[2] 논문 Multipath Transmission of Marine Electromagnetic Data Based on Distributed Sensors
_[3] 논문 Analysis and Simulation of Morphology Algorithm for Fiber Optic Hydrophone Array in Marine Seismic Exploration
_[4] 간행물 Wideband optical communication systems, Part 11-Frequency division multiplexing IEEE 1970-10
_[5] 웹사이트 ITU-T G.694.2, WDM applications: CWDM wavelength grid http://www.itu.int/r[...]
_[6] 웹사이트 ITU-T G.652, Transmission media and optical systems characteristics – Optical fibre cables http://www.itu.int/r[...]
_[7] 논문 The Suppression of Four-Wave Mixing by Random Dispersion
_[8] 웹사이트 ITU-T G.694.1, Spectral grids for WDM applications: DWDM frequency grid http://www.itu.int/r[...]
_[9] 웹사이트 DWDM ITU Table, 100 Ghz spacing" http://www.telecomen[...] 2008-07-04
_[10] 뉴스 Fiber-Optic Technology Draws Record Stock Value https://www.nytimes.[...] 1997-03-03
_[11] 논문 Boom, Bubble, Bust: The Fiber Optic Mania https://internethist[...] The Optical Society 2016-10
_[12] 웹사이트 New Technology Allows 1,600% Capacity Boost on Sprint's Fiber-Optic Network; Ciena Corp. System Installed; Greatly Increases Bandwidth https://www.thefreel[...] 1996-06-12
_[13] 웹사이트 Infinera Corporation | Products | Infinera Line System 1 http://www.infinera.[...] 2012-03-19
_[14] 웹사이트 Flexoptix GmbH CWDM / DWDM CHANNELS https://www.flexopti[...] 2022-07-22
_[15] 웹사이트 FS DWDM/CWDM Wavelength ITU Channels Guide https://community.fs[...] 2022-07-22
_[16] 문서 파장과 주파수의 관계
_[17] 문서 주로 위성 통신과 마이크로파 통신에서 사용되는 1GHz대의 주파수대
_[18] 문서 위성 통신이나 마이크로파 통신에서 사용되는 3.9~6.2GHz(미국) 또는 4~7GHz(영국)의 주파수대