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폭증하는
데이터 트래픽에
대응하는
광 송·수신 기술 -
디지털 콘텐츠 스트리밍 시장은 기술 진보와 산업 성장, 수요 증가 등으로 빠르게 커지고 있다. 특히 음악 및 영상 콘텐츠 소비가 늘고 데이터 전송 속도가 빨라지며, 스트리밍 방식으로 콘텐츠 제공이 쉬워져 폭발적인 성장이 이뤄졌다. 그렇다면, 콘텐츠 스트리밍 산업으로 글로벌 경쟁력을 키우기 위해선 어떤 기술이 뒷받침되어야 할지 살펴보자.
디지털 정보를 전달하고 활용하는 스마트기기 확산은 통신 트래픽에 주된 요인으로 작용해 왔다. 더군다나 영상, 방송, VR·AR 등 콘텐츠 진화로 고품질 비디오전송, 실시간 스트리밍, 클라우드 서비스, 소셜 미디어 등 대용량 데이터 서비스가 급격히 증가하고 있다.
최근 시장조사 평가기관에 따르면, 글로벌 IP 트래픽은 2017년 연간 1.5 제타바이트(ZB)에서 향후 5년간 연평균 26%의 성장률로 3배 이상 증가하여 2022년 4.8ZB에 도달할 전망이다.
데이터 트래픽 폭증에 대응하고, 사용자 요구에 맞춘 대용량 통신 서비스를 제공하려면 전송용량 확보가 필요하다. 특히, 클라우드 서비스 기반 인프라인 데이터 센터와 장거리 통신 네트워크인 매크로망·전달망 유무선 데이터는 광섬유 케이블을 이용하기 때문에 디지털 신호를 광신호로 변환해 데이터를 전달하기 위한 광 송·수신 기술이 필수다.
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매크로망
반경 25Km 커버가능, 올레 WIFI, T WIFI Zone 등
전달망
디지털 신호를 목적지까지 고속으로 전달하기
위해 계층화된 망ZB, 제타바이트
(Zettabyte)
1021를 의미
1ZB는 1024엑사바이트(1EB=1024PB)로
1조1000억 기가바이트 (GB)에 해당하며,
3MB 안팎의 MP3 곡을 281조5000억 곡을
저장할 수 있는 용량
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01
400Gbps를 넘어 1Tbps 개발에 도전하는 ETRI
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지난 30년 동안 네트워크 데이터 전송 속도는 10Mbps에서 100Gbps급으로 급격히 발전했다. 현재는 2017년 국제표준화단체인 이더넷 얼라이언스(Ethernet Alliance)가 IEEE 802.3 이더넷 워킹 그룹의 IEEE 082.3bs에서 표준 승인을 인정했다. 400GbE 표준이 승인되어 파장당 50Gbps 이상의 초고속 변조가 가능한 광원 기술이 요구된다.
광통신에서 데이터 전송용량을 증대하는 방법은 통신 대역폭 혹은 가용 채널을 확대하거나 고차 변조를 적용하는 방법이 있다. 하지만 근본적으로는 광 송·수신 기능을 담당하는 광트랜시버의 속도, 특히 광소자 및 광부품의 속도를 높이는 기술이 핵심이다.
반도체 광원의 광출력 변조 방법에는 반도체 레이저에 변조 전류를 주입하는 직접 변조 방식과 연속파(Continuous Wave) 레이저에 외부 광변조기를 집적한 외부 변조 방식이 있다. 이 중 직접 변조 방식은 EML(Electro-absorption Modulated Laser)과 같은 외부 변조 방식과 비교하여 고출력·저전력이며, 칩 크기가 작고 동작 조건이 단순하여 소자의 가격 경쟁력이 우수하다.
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광트랜시버
전기신호를 광신호로 변환하여 송·수신하는
장치
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02
최근 대용량 데이터 서비스 증가로 폭증하는
통신 트래픽
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처리 용량 8배로 늘린
광 송·수신 엔진 -
광트랜시버의 경우 1세대는 채널당 25Gbps NRZ(Non Return to Zero), 2세대는 채널당 50Gbps 4단 고차변조(PAM-4)로 구현되었다면 향후에는 100Gbps로 발전될 전망이다. 채널당 100Gbps PAM-4 변조 속도를 확보하기 위하여 광원에 요구되는 변조 대역폭은 대략 40GHz 정도로 예상된다.
ETRI 연구진은 채널당 100Gbps급 전송이 가능한 소자를 개발했다. 레이저 다이오드(EML) 광원 소자 4개와 광 검출기, 광 송신부, 광 수신부 등이 집약되어 총 400Gbps의 데이터 전송이 이뤄지는 광 송·수신 엔진을 만들었다. 연구진의 기술을 적용하면 10만 명이 동시에 고화질 유튜브 영상을 스트리밍할 수 있는 수준이고, 5GB 용량의 FHD 영화를 1초에 10편 보낼 수 있는 정도다. 초대형 데이터 센터, 이동통신 기지국 등에도 쓰일 수 있다.
연구진이 개발한 광 송·수신 엔진은 기존처럼 광트랜시버에 내장해 사용할 수도 있고, 통신 장비 라인카드 보드 상단에 부착도 가능하다. 이렇게 채널당 100Gbps 기반의 광 송·수신 엔진을 이용해 표준 규격을 맞춰 400G급 속도를 달성한 것은 세계 최초다. 광학엔진은 라인카드 하나에 64개가 장착될 수 있다. 그 결과 한 통신 장비에 기존보다 전송속도가 4배 빨라진 광 송·수신 엔진을 2배 더 부착할 수 있어 처리 용량은 총 8배가 늘어났다.
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NRZ레이저
(Non Return to Zero)
디지털 전송방식
PAM-4레이저
한 번에 2비트씩 보내는 사단 고차변조 방식
CW 레이저
(continuous wave laser)
레이저 중에서 시간적으로 일정한 출력으로
계속 발진할 수 있는 것
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광통신 기술 독립과
1TB 인터넷을 꿈꾸며... -
시장조사전문기관 IHS 마킷(2019)에 따르면 2023년 데이터 센터용 광트랜시버 시장은 약 8조 3천억 원대 시장을 형성할 것으로 보고 있다. 100G 이상이 전체의 78%를 차지할 것으로 예측되어 시장전망도 밝다. 특히 5G 이동통신망을 구축할 때 고속 신호를 안테나까지 전달하는 데 사용하는 25G EML의 경우, 현재 전량을 일본으로부터 수입에 의존하고 있어 이번 성과가 더 의미가 있다.
ETRI는 본 기술을 독자적으로 개발하여 특허를 출원했으며, 국내 광부품 업체들에 기술이전해 기술독립에 한 걸음 다가서고 있다. 이를 통해 빠르게 성장하는 데이터 센터 시장에 적용할 수 있는 400G 광 송·수신 엔진과 핵심 광소자를 처음으로 개발하면서 국내 광부품 산업의 경쟁력 확보에 기여할 것으로 기대된다.
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레이저 다이오드
(EML,Electro-absorption Modulated Laser)
전계 흡수형 변조기 집적 레이저
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10만 명이 동시에 고화질 유튜브 영상을 스트리밍 할 수 있는 ETRI의 광 송·수신 엔진 기술
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해당 분야 기술은 매우 빠른 속도로 진화를 거듭하고 있어, 연구진은 본 기술의 안정화를 이루는 동시에 400Gbps를 넘어 1T(테라)bps 개발에 도전한다는 계획이다. 연구진의 노력으로 고품질 음악과 영상은 물론 AR·VR 콘텐츠도 실시간 스트리밍 서비스로 누릴 수 있는 미래를 기대해보자!