광통신의 원리와 광전송 네트워크 기술

빛을 전송 매체로 쓰는 이유

광통신은 정보를 빛 신호로 바꾸어 전달하는 기술이다. 구리선 기반 통신과 비교해 높은 대역폭과 긴 전송 거리를 제공하며, 전자기 간섭에도 강하다. 글로벌 인터넷 백본과 데이터센터 네트워크에서 광전송이 중심 기술이 된 배경이다.

광섬유 안에서는 코어와 클래딩의 굴절률 차이로 빛이 전반사한다. 빛은 코어 내부를 따라 이동하고, 이 특성이 장거리 전송을 가능하게 한다.

데이터는 광신호의 여러 성질을 바꾸어 표현한다. 진폭 변조(AM)는 빛의 세기 변화를, 위상 변조(PM)는 위상 변화를, 주파수 변조(FM)는 주파수 변화를 사용한다. 편광 변조는 편광 상태의 변화로 데이터를 나타낸다.

용량을 늘릴 때는 파장 분할 다중화(WDM)를 사용한다. 하나의 광섬유에 서로 다른 파장의 빛을 함께 실어 보내는 방식이다. CWDM(Coarse WDM)의 채널 간격은 20nm이고, DWDM(Dense WDM)은 0.8nm 또는 0.4nm의 좁은 채널 간격을 쓴다. 단일 광섬유로 수백 Tbps를 전송할 수 있다.

광전송 경로를 이루는 장치

광통신 시스템은 광원에서 신호를 만들고, 광섬유로 보내며, 수신부에서 전기신호로 복원하는 구조다.

광원: 레이저와 LED의 쓰임새

레이저 다이오드(LD)는 높은 출력과 좁은 스펙트럼 특성을 가져 장거리 전송에 적합하다. DFB(Distributed Feedback) 레이저는 DWDM 시스템에 사용되고, VCSEL(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser)은 데이터센터의 단거리 통신에 쓰인다.

발광 다이오드(LED)는 저출력·넓은 스펙트럼 특성을 가지며 단거리 전송에 주로 사용된다. 구조가 간단하고 비용 효율적이다.

전송 매체인 광섬유

단일모드 광섬유(Single-mode Fiber)의 코어 직경은 약 9μm다. 단일 광경로를 사용하므로 모드 분산이 없고, 장거리 고속 통신에 적합하다. 관련 표준에는 ITU-T G.652, G.655, G.657 등이 있다.

다중모드 광섬유(Multi-mode Fiber)는 50μm 또는 62.5μm 코어를 사용한다. 여러 광경로가 존재해 모드 분산이 발생하며, 약 2km 이내의 짧은 거리 통신에 적합하다. OM1, OM2, OM3, OM4 등이 표준 규격이다.

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수신·증폭·분배 장치

광검출기에는 PIN 다이오드와 APD(Avalanche Photodiode)가 있다. PIN 다이오드는 구조가 단순하고 비용이 낮아 중거리 통신에 적합하다. APD는 내부 증폭 기능을 포함해 감도가 높고, 장거리 고속 통신에 사용된다.

EDFA(Erbium-Doped Fiber Amplifier)는 C-band(1530-1565nm)와 L-band(1565-1625nm) 파장을 증폭한다. 광-전기-광 변환 없이 광신호를 직접 증폭하므로 장거리 DWDM 시스템의 핵심 요소다. Raman 증폭기는 분산 라만 산란 효과를 활용해 더 넓은 파장대역을 증폭하며, EDFA와 함께 성능 향상에 활용된다.

수동형 광분배기는 하나의 광신호를 여러 경로로 나누며 PON(Passive Optical Network)에 필수적이다. 분배비는 일반적으로 1:2, 1:4, 1:8, 1:16, 1:32, 1:64다. WDM 결합기·분리기는 서로 다른 파장의 광신호를 하나의 광섬유로 합치거나 분리하며 CWDM과 DWDM 시스템을 구성한다.

가입자망과 전송망의 구조

광분배기로 가입자를 연결하는 PON

PON은 광분배기를 이용하는 수동형 네트워크다. OLT에서 출발한 광신호를 분배기가 나누고, ONU/ONT를 거쳐 가입자 단말로 전달한다.

EPON(Ethernet PON)은 IEEE 802.3ah 표준의 이더넷 기반 방식이다. GPON(Gigabit PON)은 ITU-T G.984 표준이며 2.5Gbps 하향과 1.25Gbps 상향을 제공한다. XGS-PON은 10Gbps 대칭형 전송을 지원하고, NG-PON2는 TWDM(Time and Wavelength Division Multiplexed) 기반으로 40Gbps 이상을 지원한다.

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AON(Active Optical Network)은 이더넷 스위치를 사용해 점대점으로 연결하는 능동형 광네트워크다. 가입자별 전용 대역폭을 제공한다.

동기식 전송과 파장 기반 전송

SONET/SDH는 동기식 광네트워크 표준으로 링과 메시 토폴로지를 지원한다. SONET은 미국에서 OC-3(155Mbps), OC-12(622Mbps), OC-48(2.5Gbps), OC-192(10Gbps)를 사용한다. 유럽의 SDH는 STM-1(155Mbps), STM-4(622Mbps), STM-16(2.5Gbps), STM-64(10Gbps)를 사용한다.

OTN(Optical Transport Network)은 ITU-T G.709 표준을 따르며, 디지털 래퍼 기술로 다양한 클라이언트 신호를 수용한다. FEC(Forward Error Correction)를 내장해 신뢰성을 높인다. 전송 단위에는 OTU1(2.7Gbps), OTU2(10.7Gbps), OTU3(43Gbps), OTU4(112Gbps)가 있다.

DWDM 시스템은 수십~수백 채널을 파장 다중화하고 채널당 100Gbps, 200Gbps, 400Gbps 전송을 지원한다. ROADM(Reconfigurable Optical Add-Drop Multiplexer)은 광전송망의 유연성을 높이는 기술이다.

광전송이 집중되는 구간

장거리 해저 케이블은 대륙 간 초고속 데이터 전송망을 구성한다. 수천 km에 걸쳐 광증폭기를 배치하며, FASTER(미국-일본-대만)와 AAE-1(아시아-아프리카-유럽)이 대표 사례다. 채널당 100G/200G 전송과 총 용량 60Tbps 이상을 제공한다.

데이터센터 내부에서는 단거리 고속 상호 연결에 AOC(Active Optical Cable)를 활용한다. 400G 이더넷과 인피니밴드 같은 고속 프로토콜을 지원하며, QSFP, QSFP-DD, OSFP 등의 저전력·고집적 광모듈이 사용된다.

5G 프론트홀·미드홀·백홀에서는 CPRI(Common Public Radio Interface) 광전송이 쓰인다. eCPRI와 O-RAN 표준은 개방형 광전송 기반을 제공하며, 저지연·고대역폭 요구사항과 PTP(Precision Time Protocol) 기반 시간 동기화를 지원한다.

전송 용량과 집적도를 넓히는 기술

코히어런트 광통신은 디지털 신호 처리(DSP)를 기반으로 하는 고급 변조 방식이다. DP-QPSK, DP-16QAM, DP-64QAM 등을 채택하며 채널당 400G와 800G 전송을 실현한다. 실시간 분산 보상과 PMD(Polarization Mode Dispersion) 보상도 수행한다.

공간 분할 다중화(SDM)는 멀티코어 광섬유(MCF)처럼 하나의 광섬유에 여러 코어를 넣거나, 단일 코어에서 여러 모드를 활용하는 방식이다. 기존 DWDM보다 전송 용량을 크게 늘릴 수 있지만 복잡한 모드 분리 기술이 필요하다.

양자 암호 통신(QKD)은 양자역학 원리를 이용해 암호키를 분배한다. BB84, E91 등의 프로토콜을 활용하며, 이론적으로 해킹 불가능한 보안성을 목표로 한다. 금융기관과 정부기관 네트워크를 중심으로 상용화가 진행 중이다.

실리콘 포토닉스는 CMOS 공정 기술을 광소자 제작에 활용한다. 광집적회로(PIC)를 구현해 소형화와 저전력화를 추진하고, 광송수신기·변조기·파장필터 등을 집적한다. 대량생산에 따른 비용 절감 효과도 기대된다.

전광 네트워크를 향한 확장

고차 변조 방식과 초광대역 광증폭기 기술은 Tbps급 단일 채널 전송을 목표로 한다. 웨어러블 디바이스와 AR/VR 장비에는 휴대형 광통신 기기 적용이 거론된다.

전기적 변환 없이 종단 간 광전송을 구현하는 전광 네트워크, AI/ML로 자율 최적화와 장애 예측을 수행하는 지능형 광네트워크도 발전 방향에 포함된다. 저전력·고효율 광소자로 에너지 소비를 최소화하는 그린 광통신 역시 같은 흐름에 있다.

5G/6G 이동통신, 클라우드 컴퓨팅, 인공지능, 빅데이터 서비스가 확장될수록 광통신은 이들 서비스의 기반 기술로 쓰일 전망이다. 양자통신, 실리콘 포토닉스, 공간 분할 다중화의 상용화는 광통신 산업의 다음 변화를 이끌 수 있다.