버스트 모드 광 트랜시버 기술동향

I. 서 론

차세대 통신은 가입자 들에게 많은 정보를 보다 빠르게 전송하기 위하여 가정까지 광 선로를 설치하는 광 가입자망(Fiber To The Home)을 요구하게 되었고, 광 가입자망의 가장 큰 문제점은 기존의 동선으로 이루어진 가입자망을 대체하는데 비용이 많다는 것이다. 따라서, 저비용의 광 가입자망 구축에 수동형 광 통신망(ATM-PON, Super PON)이 고려되고 있다^[1~4]. 수동형 광 통신망은 (그림 1)과 같이 크게 OLT(Optical Line Termination), ODN (Optical Distribution Network), ONU(Optical Network Unit)로 구성이 되며, 버스트 모드 트랜시버는 OLT와 ONU에서 사용이 된다. ONU에서 수신되는 각 패킷들의 광 신호 크기가 일정하고 위상도 동일한 반면, OLT에서 수신되는 광 신호는 패킷에 따라 신호의 크기와 위상이 다르다. 따라서, OLT에서 사용되는 버스트 모드 트랜시버는 더욱더 많은 기술을 필요로 하며, OLT를 구성하는 버스트 모드 광 트랜시버의 속도가 수동형 광 통신망에서 전송하는 정보의 크기 또는 속도를 결정하게 된다. 최근에 ONU용 155Mbps 광 트랜시버가 제품으로 출시되었고, OLT용 155Mbps 광 트랜시버는 2000년 초에 출시예정으로, 머지않아 상용화 될 것이라 사료된다. 본 논문에서는 OLT용 광 트랜시버의 개발경향에 대하여 기술하였다.

버스트 모드 광 트랜시버는 (그림 2)와 같이 WDM(wavelength division multiplexer)소자, 광 송신기(BTx), 광 수신기(BRx)와 클럭 및 데이터 재생기(CDR)로 구성되어진다.

WDM 소자는 OLT의 광 송신기에서 ONU로 보내지는 하향신호(파장 1.5㎛)와 ONU에서 OLT로 보내는 상향신호(파장 1.3㎛) 간의 상호간섭이 없이 신호를 전달하는 역할을 한다^[5,6]. 즉, ONU의 광 송신기 신호가 OLT의 광 송신기에 그리고 OLT의 광 송신기 신호가 반사되어 OLT의 광 송신기에 영향을 미치지 않도록 한다. 이 WDM 소자는 수동(passive)소자로써 광 신호의 전송속도에 거의 영향을 주지 않는다. 광 트랜시버 구성에 있어서 고려해야 할 WDM 소자의 특성은 ODN의 분기 수 및 광 송수신기의 허용 광 세기에 영향을 주는 고립률(isolation 정도)만으로 충분하다. 따라서, 고속전송의 광 트랜시버 개발에는 전혀 문제가 없는 소자이다.

버스트 모드 광 송신기는 OLT와 ONU에서 전기적 신호를 광신호로 바꾸어 주는 역할을 한다. 이 송신기는 일반 광 송신기와 마찬가지로 출력되는 광 세기와 광 스펙트럼(spectrum)이 안정되게 출력되어야 하며, 평균 출력 광 세기는 0dBm 정도의 값을 가져야 한다. 한편, 데이터 신호를 보내지 않을 때 약간의 작은 광신호가 출력되었을 경우 다른 ONU에서 출력되는 신호와 간섭이 일어나서 OLT에서 검출되는 데이터 값에 심각한 영향을 미칠 수 있다. 따라서, 데이터를 전송하지 않을 때에는 작은 광신호도 출력되지 않도록 광 송신기를 작동시키지 않아야 한다. 이러한 특성에 의해 버스트 모드 광 송신기는 turn-on delay와 출력광 세기의 불안정성을 고려하여야 한다^[7~9].

Turn-on delay는 데이터를 전송하지 않고 있다가 데이터를 전송할 때, 광 송신기를 갑자기 작동 시키면서 생기는 문제점이다. 이것의 원인은 레이저를 구동하는 전류가 레이저가 출력하기 시작하는 문턱전류(threshold current) 값까지 도달하는데 생기는 시간지연이다. 종래의 turn-on delay 시간은 약 수 nsec(10^-9 sec) 정도이며^[7], 이것을 해결하는 방법으로는 첫번째 데이터에 turn-on delay 시간을 추가하는 first bit predistortion 방법^[8], 문턱전류 값에 해당되는 bias current 인가하는 방법, 낮은 문턱 값을 갖는 레이저 개발^[9] 등이 있다. 현재 문턱값이 5mA 정도(sub nsec의 시간지연에 해당)의 레이저가 상용화되어 있으며, France Tel.에서 2.5mA의 문턱 값을 갖는 레이저가 개발되었다^[10].

출력 광 세기의 불안정성은 온도 및 전류 변화에 의하여 일어난다. 전류제어는 비교적 저 비용으로 손쉽게 할 수 있어서 전류변화에 따른 불안정성은 크게 문제가 되지 않지만, 온도제어를 하기 위하여는 비용이 많이 드는 편이다. 따라서, 저가형 광 송신기에서는 온도가 변할 때 인가전류의 크기를 조절하여 온도에 의한 불안정성을 줄이는 방법이 주로 많이 사용된다. 이 방법에는 출력 광신호의 세기를 측정하여 인가전류를 변화시키는 방법(feedback)^[11], 온도를 측정하여 온도에 따라 다른 전류를 인가하는 방법(temperature compensation)^[12] 등이 고려되어지고 있다.

(그림 3)은 일반적인 광 송신기와 버스트 모드 광 송신기의 특성을 나타내는 사진이다. 동기식 전송방식과 같은 CW(continuous wave) 전기신호를 광 신호로 변환하는 일반적인 광 송신기는 데이터 값이 없을 때 송신기를 작동하지 않도록 할 필요가 없다. 따라서, 이런 종류의 광 송신기를 버스트 모드용 광 송신기로서 사용하여 갑자기 동작시키면 (그림 3)과 같이 수백 bit의 막대한 데이터의 손실을 초래한다. 한편, 데이터가 없을 때 광 송신기가 작동하지 않도록 설계된 버스트 모드용 광 송신기는 (그림 3)과 같이 데이터의 손실이 거의 없이 전기신호를 광신호로 변환한다^[13].

현재까지 개발된 버스트 모드 광 송신기는 <표 1>과 같이 주로 일본에서 논문형태로 최근에 많이 발표되었고, 좋은 특성을 갖고 있지는 않지만 미국의 OCP사에 제품이 출시되고 있다. 또한, 국내에서 개발중인 광 송신기는 아주 좋은 특성을 가지고 있다. 따라서, 현재까지 버스트 모드 광 송신기의 개발 현황으로 미루어 보아 155Mbps급 이상의 속도를 갖는 광 송신기의 높은 개발 가능성을 보여주고 있다.

버스트 모드 광 수신기는 OLT와 ONU에서 광 신호를 전기적 신호로 바꾸어 주는 역할을 한다. ONU의 광 수신기에 입력되는 데이터의 위상과 출력세기는 동일하기 때문에 기존의 Gbps급 통신에 사용되는 광 수신기 기술을 이용할 수 있다. 그러나, OLT에 입력되는 데이터들은 서로 다른 위상과 출력세기를 갖고 있어서 기존의 광 수신기 기술만으로 테이터를 검출하기 어렵다. 서로 다른 위상과 출력세기의 버스트 모드 테이터를 검출하기 위하여, OLT의 광 수신기는 빠른 반응속도, 입력광 세기에 대한 넓은 작동영역(일반적으로 25dB 이상), 낮은 광 감도(일반적으로 -35dBm 이하), 수 bit 이하의 지연시간 등의 특성을 가져야 한다.

버스트 모드 광 수신기는 일반적으로 (그림 4)와 같은 구조로 구성이 된다. 입력되는 광 신호를 전류신호로 바꾸는 광 검출기(또는 광전소자), 광 검출기를 통과하여 나온 전류신호를 전압신호로 변환해주는 preamplifier, 그리고, 각 패킷마다 광 세기의 크기가 다른 신호를 증폭하여 일정한 진폭의 신호로 만들어 주는 주 증폭기(main amplifier)로 구성이 된다. 이 절에서는 버스트 모드 광 수신기를 구성하는 각 부분별로 분석하였다.

기존의 광 검출기는 DC에서 수십 GHz의 광 신호를 검출할 수 있어서 고속의 데이터에는 거의 문제가 없다. 하지만, 광 검출기 내부회로에 capacitance가 존재하기 때문에 광 신호가 전기신호로 바뀐 후 광 신호가 없어도 잔여 전류가 어느 정도의 시간동안 남아 있는다. 이 잔여 전류를 slow tail 전류라 말하며, 일반적으로 크게 문제되지 않는다. 하지만, 큰 신호의 패킷에 이어서 작은 신호를 갖는 패킷이 연속해서 수신될 수 있는 버스트 모드 데이터의 경우, (그림 5)와 같이 큰 진폭을 갖는 패킷(cell 1)의 ON 레벨의 신호크기와 작은 진폭을 갖는 패킷(cell 2)의 OFF 레벨의 신호크기가 비슷해질 수가 있어서 작은 진폭의 데이터 손실을 유발할 수가 있다^[15].

Slow tail 전류를 제거하기 위하여 일본의 Fujitsu사에서는 광 검출기에서 출력되는 전기신호로부터 slow tail 전류만을 검출하여 데이터의 전류에 보상하는 방법으로 광 검출기를 제작하였다. 이때, slow tail 전류를 보상하여 출력되는 데이터의 신호는 (그림 5)와 같이 slow tail 전류가 거의 제거되었다.

Preamplifier는 광 검출기에서 출력되는 전류신호를 전압신호로 증폭 변환하는 역할을 한다. 버스트 모드 신호는 낮은 주파수 뿐만 아니라 높은 주파수를 갖고 있기 때문에 preamplifier의 주파수 작동영역은 아주 넓어야 한다. 또한, 일반적으로 증폭기는 저 주파수의 신호를 증폭할 때와 고 주파수의 신호를 증폭할 때 신호의 위상이 다르게 출력되는 특성을 갖고 있기 때문에, 이 특성이 preamplifier의 고 주파수 작동 억제의 원인이 된다. Preamplifier의 또 다른 고 주파수 작동의 억제요인은 광 검출기 내부의 capacitance, IC 패키징 및 IC 마운팅에서 생기는 capacitance, thermal noise 전류를 줄이기 위한 증폭기의 큰 피드백 저항, 고 감도를 갖기 위한 큰 입력저항 등이 있다.

DC에서 수십 GHz의 주파수를 갖는 신호를 증폭시키는 넓은 주파수 작동영역을 갖는 증폭기는 시중에 많이 시판되고 있지만, 가격이 비싸기 때문에 저가형 광 가입자 망과 같은 시스템에 사용하기 위하여 CMOS 형태와 같은 저 비용의 증폭기에 대하여 연구가 많이 되고 있다. CMOS 형태의 preamplifier의 작동 주파수 영역이 낮기 때문에, 작동 주파수 영역을 높이는 방법으로 일본의 NTT사에서 다단 증폭기를 제안하였다. 다단 증폭기를 이용한CMOS preamplifier의 속도를 29Mbps의 작동영역에서 5배 정도의 156Mbps의 작동영역으로 속도를 증가시킬 수 있음을 발표하였다^[16].

서로 다른 크기의 신호를 증폭하여 일정한 진폭의 신호로 출력하는 기능을 수행하는 것은 주 증폭기이다. 따라서, 주 증폭기는 이득조절 속도 또는 반응속도가 매우 빨라야 한다. 주 증폭기를 구성할 때 일반적인 증폭기를 사용하여 offset 전압 및 이득계수(gain)를 조절하지 않으면 파형이 변조될 수가 있다. 파형 변조의 원인은 같은 offset의 크기로 진폭이 다른 데이터의 on/off를 결정을 하면 duty 비율이 바뀔 수 있기 때문이다. 만약, duty의 비율이 바뀌면 데이터의 재생 뿐만 아니라 데이터의 손실도 초래할 수 있기 때문에, 외부에서 기준전압을 인가하여 offset 전압 및 이득계수를 조절할 필요가 있다. Offset 전압 및 이득계수를 조절하는 방법에는 feedback을 이용한 방법^[11,17~19]과 feedforward를 이용한 방법^[15,16,21]으로 크게 두 가지 형태가 있다.

Feedback을 이용한 방법은 주 증폭기에서 출력되는 데이터 진폭의 크기가 변하는 것을 측정하여 offset 전압이나 이득계수를 조절하는 방법이다. 이 방법에는 AGC(auto gain controller)나 AOC(auto offset controller)를 사용을 하며, 고속의 트랜지스터, 버스트 모드 전송주기 동안 검출된 offset level을 유지시켜주는 외부 콘덴서, 광 감도를 좋게 하는 외부 adjustment 등의 소자들로 구성된다. 이 방법은 광 감도가 좋은 장점을 갖고 있지만, 고속의 트랜지스터의 가격이 비싼 단점을 갖고 있다. 또한, 증폭기를 통과하는 시간과 offset level을 결정하여 다시 증폭기로 입력되는데 걸리는 시간, 즉, feedback 시간이 존재하여 증폭기의 작동속도를 제한하게 된다.

Feedforward를 이용한 방법은 feedback 시간으로 인한 증폭기의 작동 속도 제한을 보완하기 위하여 제안된 방법으로 preamplifier에서 출력되는 데이터의 진폭을 측정하여 주 증폭기의 offset 전압을 조절하는 방법이다. 여기에는 peak 검출기를 포함한 ATC(auto threshold controller)를 사용하며, feedback 방법과 달리 저속의 트랜지스터를 사용할 수가 있지만, 정확한 offset 보상이 어렵고, 빠른 peak 검출기가 요구되어야 한다. Peak 검출기는 offset 을 보상하기 위하여 한 패킷의 데이터가 입력될 동안 peak 값에 해당되는 전압을 계속 유지해야 하고, 다른 패킷의 버스트 모드 신호가 입력되면 그 신호에 해당되는 전압을 출력시켜서 offset을 맞추어야 한다. 앞의 것은 저속, 뒤의 것은 고속으로 작동으로 하는 서로 상반된 관계를 갖고 있어, 주 증폭기의 작동속도를 제한한다. 이 문제를 해결하기 위하여 Fujitsu사와 Hitachi사에서는 각 패킷의 데이터 신호가 끝날 때에 reset 신호를 인가하는 고속의 안정된 주 증폭기에 대하여 연구하였다. 또한, Fujitsu사의 경우, reset 신호와 더불어 고속작동의 peak 검출기와 저속 고감도의 peak 검출기를 동시에 사용하여 고감도, 고속작동을 하는 주 증폭기를 제안하였다^[21].

<표 2>와 같이 bipolar나 Si bipolar로 고속의 광 수신기가 발표되어졌지만, 상용화하기 위해서는 비용이 작은 CMOS 광 수신기를 필요로 한다. 일본의 NTT나 Hitachi 사에서 버스트 모드형 광 수신기는 연구되어져 곧 제품으로 출시 될 예정에 있으나 아직은 가격이 비싸며, 중국의 Wuhan사에서 저 가격의 광 수신기가 출시 예정이지만 특성이 조금 더 좋아질 필요가 있다^[23]. 현재까지 개발된 광 수신기로 보아서 저 가격의 155Mbps 버스트 모드 광 수신기뿐만 아니라 더 빠른 속도의 광 수신기가 상용화 될 것으로 추측된다.

클럭 및 데이터 재생기는 데이터의 손실 없이 기준 클럭과 데이터의 위상을 맞추어 주는 역할을 한다. 각 패킷마다 위상이 서로 다른 버스트 모드의 경우 주파수 및 위상의 급격한 변화에 빨리 대응하는 재생기를 필요로 한다. 클럭 및 데이터를 재생하는 방법에는 PLL(phase locked loop)을 이용하는 방법^[24], 여러 개의 클럭을 사용하여 bit를 동기하는 방법^[11,25,26], resonator를 이용하는 방법 등 크게 세가지가 있으며, 그 중에서 resonator를 이용한 방법은 주파수나 위상조절을 하는데 시간이 많이 소모되어 고속의 버스트 모드용으로 사용하기 힘들다.

PLL을 이용한 방법은 일반적으로 가장 많이 사용하는 방법이지만, 패킷 별로 위상의 변화가 많은 버스트 모드의 경우에는 고속으로 반응하기 어렵다. 그 원인은 PLL 회로에서 회로의 안정성을 높이기 위해서 필터의 시간상수를 길게 하여야 하므로 data의 위상변화에 따라 클럭을 빨리 변화시킬 수 없다는 것이다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 NTT에서는 bit gating과 frame gating을 사용하여 데이터의 위상변화에 빨리 대응하는 PLL를 개발하였다^[24].

Bit 동기 방법은 위상이 서로 다른 여러 개의 클럭들 중 데이터의 위상과 일치하는 클럭을 선택하여 클럭을 재생하는 방법이다. 이 방법은 위상정렬의 속도가 빠르다는 장점을 갖고 있지만, 작동 주파수 영역이 작은 것과 클럭의 숫자만큼 소자의 작동 속도가 빨라져야 하는 단점을 갖고 있다. 주파수의 변화폭이 작은 통신 시스템의 경우에는 작동 주파수 영역이 좁은 것은 크게 문제 되지 않을 것이다. 한편, bit 동기 방법과 비슷한 방법으로 위상이 다른 여러 개의 클럭을 사용하는 대신, 위상이 서로 다른 여러 개의 데이터를 발생시킨 후 클럭과 위상이 일치하는 데이터를 선택하는 방법으로 위상을 동기시키는 방법을 ETRI에서 제안하였다^[27].

데이터를 보내지 않을 때 작동하지 않은 광 송신기와 진폭과 위상이 각 패킷별로 서로 다른 데이터를 수신하는 광 수신기를 내장하는 버스트 모드 광 트랜시버의 개발은 일반 광 트랜시버 개발보다 매우 어렵다. 광 트랜시버를 구성하는 WDM 광 소자는 데이터의 전송속도에 거의 무관하고, 버스트 모드용 광 송신기는 개발경향으로 보아서 더욱더 빠른 전송속도의 특성을 만족시키는 광 송신기의 상용화 가능성은 높다. 또한, 고속 전송의 버스트 모드용 클럭 및 데이터 재생기 개발은 쉽지는 않지만 어느 정도의 개발 가능성을 지니고 있다. 하지만, 저가의 주 증폭기로 구성된 버스트 모드용 광 수신기 개발기술은 상당히 어렵다. 따라서, 버스트 모드용 광 트랜시버의 작동 속도는 광 수신기의 주 증폭기 개발기술에 따라 결정되어질 것이다.

<참 고 문 헌>