기가비트 전송기술 1998. 2. 12. 박창수 통신시스템연구단

목 차 기술 발전 추세 광기술 전송기술, 회선분배기술 기가비트 전송 광링크 구성(국간, 가입자) 광선로 제한 요인 광증폭기 응용 광전달망 WDM network 망운용 관리 다중방식에 따른 가격 비교 TDM vs WDM Short haul vs long haul

광기술의 진보 Network Transparency Optical routing Optical networks Optical protection WDM Optical amplifier PON Singlemode-SDH Singlemode-PDH Fiber links Multimode-PDH '80 '85 '90 '95 2000 2005

광통신망 발전 추세 Capacity / fiber(Gb/s) Year 1000 광 10G x 16 네트워크 100 WDM노드 에 의한 광화 Capacity / fiber(Gb/s) 10G x 4 2.5G x 16 2.5G x 4 40G EDFA 10G 2.4G GII 고속인터넷 1.6G CATV 광액세스 1990 1995 2000 2005 Year

전송기술 발전 추세 Physical Layer - E-TDM(SDH/SONET) --> O-TDM WDM --> HD-WDM --> OFDM WDM 10G x 16, 500Km 100 10G x 8, 400Km TDM 10G x 4, 400Km Average Growth Rate(1986-1996) TDM: four times per 5 years WDM: 1.5 wavelengths per year Enablers 광증폭기 고밀도 WDM 광필터 새로운 구조의 광섬유 고속 TDM 10G x 2, 320Km 40Gb/s 2.5G x 8 20Gb/s System Capacity (Gb/s) 10 2.5G x 4 10Gb/s 2.5G x 2 2.5Gb/s 1 SDH 565Mb/s 155Mb/s 622Mb/s 1986 1990 1996 2000 year E-TDM: electrical time division multiplexing, HD-WDM: high-density wavelength division multiplexing OFDM: optical frequency division multiplexing

회선분배기술 발전추세 Throughput(b/s) Year 100T 10T 1T 100G 10G 1G Transmission Line .Optical XC/ADM .Optical WDM/FDM Path Layer - SDH-DCS --> ATM-DCS --> OXC ADM --> OADM Enablers 광증폭기 파장변환소자 광스위치 소자 10T Service Node 1T Throughput(b/s) ATM XC 100G .STM .6M-150M Inter face .ATM .2.4-10G Interface 52M XC 10G 1.5M XC 1G 384K XC 1980 1990 2000 2010 Year DCS: digital cross-connect system, OXC: optical cross-connect, ADM: add-drop multiplexing

기가비트 전송기술 초고속화 (bit rates) 전기적 시분할다중 광학적 시분할다중 기가급 전송용량 확보 다채널화(channels) M (bit rates per channel) x N (channels) = total transmission capacity per fiber 파장분할다중 광주파수분할다중 예) for N=1, M=10G, 20G, 40G(ETDM, OTDM) <- single channel for M=2.5G, N=4(10G WDM), 8(20G WDM), 16(40G WDM) for M=10G, N=4(40G WDM), 8(80G WDM), 16(160G WDM) 현재 전송실험 결과는 ETDM으로 40G (NTT, 97년초) OTDM으로 400G(NTT, 97년) WDM으로 2.6T(다중채널수 132채널, 채널당 20Gb/s, NEC, 96년말)

다중화 방식 파장분할 다중화(WDM) 시분할 다중화(TDM) 주파수분할 다중화(FDM) ETDM ETDM LD PD LD1 OTDM OTDM PD PD LD PD PD LD PD LD PD

전송 링크(가입자, 국간) DSF 30km SMF 3km External modulator Receiver 10Gb/s EDFA N1 N2 N3 N4 N5 10Gb/s error detector 10Gb/s pattern generator CPN NSC feeder LEX PON home terminal Low frequency modulation Optical booster amplifier Optical Pre amplifier DFB laser External modulator Receiver Fiber Optical In-liner amplifier Optical multiplexing Optical demultiplexing 10Gb/s error detector 10Gb/s pattern generator DSF: dispersion shifted fiber SMF: single mode fiber

광섬유의 특성 For 채널 간격 @ STM-64 = 0.8nm(100GHz) 900 1100 1300 1500 1700 WAVELENGTH (nm) LOSS (dB/km) - MULTIPLE INFORMATION CHANNELS - INCREASED NETWORK FUNCTIONALITIES 2.0 1.5 1.0 0.5 Fiber Loss around 1550nm by ITU-T: 0.28dB/km 14,000 GHz 15,000 GHz For 채널 간격 @ STM-64 = 0.8nm(100GHz) Available channels around 1500nm = 15000/100 =150channels Available channels around 1300nm = 14000/100 = 140channels

광섬유 전송 제한 요인-1 광섬유 분산(dispersion) 특성 문제점 - 파장에 따른 빛의 전파 속도 차에 의해 펄스 퍼짐 유발 - 분산정도: SMF - 17ps/km.nm at 1550nm -> 거리에 따른 분산값 증가 - 고속신호(10Gb/s, 0.1ns) 전송시 인접 펄스간에 간섭 초래 -> 성능 저하 해결점 - 이론적으로 단색광 사용, 실제 중심파장폭이 좁은 광원 사용 - 외부변조기를 이용한 신호변조 방식 채택, 직접변조시 chirping에 의해 광원의 중심파장폭이 넓어짐 - 분산보상 방법 채택(DSF 사용, dispersion compensation fiber 사용, soliton 전송 등)

광섬유 전송 제한 요인-2 광섬유 감쇠(attenuation) 특성 문제점 - 광섬유 도파에 따른 손실(1310nm에서 0.35dB/km, 1550nm에서 0.2dB /km) 해결점 - 광증폭기 사용 . 1310nm 근방에서 praseodymium-doped fiber amplifier(PDFA) 또는 neodymium-doped fiber amplifier(NDFA) 사용 . 1550nm 근방에서 erbium-doped fiber amplifier(EDFA) 사용(상용중) - 3R(reshaping, regenerating, retiming) 재생중계기 사용

광섬유 색분산 특성 20 Conventional SMF D(ps/km.nm) 전세계에 포설된 광섬유는 대부분이 SMF임 일본은 DSF가 많이 깔려 있음 Non-zero dispersion fiber는 현재 고려중임 True Wave TM 10 DSF 2 1.3 1.5 1.6 Slope = 0.08 ps/km.nm2 Wavelength (mm)

광섬유 전송 제한 요인-3 비선형 특성 광섬유의 좁은 면적에 고출력의 신호가 전파될 때 발생 refractive index(광섬유 굴절률) : n2 는 nonlinear-index coefficient 비선형 현상 - Self phase modulation - Stimulated Brillouin scattering(광원의 파장폭이 좁을 수록 영향이 큼) - Stmulated Raman scattering - Four wave mixing(WDM 전송)

광증폭기(EDFA) 개요 Analog Electrical amplifier Analog Optical amplifier Electrical DC Bias(battery) Optical DC Bias(pumping laser) Amplified electrical signal Weak optical signal Erbium-doped fiber Weak electrical signal Transistor Amplified optical signal Analog Electrical amplifier Analog Optical amplifier Digital logic circuit (?) Digital logic circuit Electrical 3R repeater Optical 3R repeater(?)

EDFA 특성 특성: 광신호의 특성, 변조방식, 대역폭 및 전송속도에 무관한 신호 증폭 광대역 이득(일반적으로 1530 - 1560nm 파장범위) 높은 소신호 이득(일반적으로 30dB 이상) 고출력(20dB 이상) 저잡음(3 - 6dB noise figure) 낮은 편광 이득 용도: Booster amplifier: power budget 또는 중계거리를 높이기 위해 광선로로 입사되는 신호를 크게 증폭시켜줌(최대값은 광섬유비선형특성에 의해 제한) In-line amplifier: 중계구간사이에서 bit rate transparent light pipe 제공 Pre-amplifier: 직접검파 수신기의 수신감도 향상을 위해 저잡음으로 수신 광신호를 증폭

다채널 광증폭기 Er 이온이 첨가된 광섬유 WDM 커플러 입력광신호 출력광신호 광분리기 펌프 레이저 채널1 채널1 채널2 채널n 채널n 광분리기 채널1 채널M 채널1 채널M 펌프 레이저 채널 파장(nm) 채널 파장(nm) 분산보상이 가능한 다채널 광증폭기 구현 넓은 파장대역에 걸친 균등한 증폭 이득 확보

EDFA 응용 Equivalent (NF)N = (NF)single + 10 log N TX RX G G G Power Amplifier In-Line Amplifier Pre- Amplifier Repeater spacing : 80km @ 10Gb/s single channel transmission ~ 60km @ 10Gb/s x 10channels multi-channel transmission Tx Rx #1 #5 #N 광필터 Equivalent (NF)N = (NF)single + 10 log N Cascaded amplifiers accumulate Amplified Spontaneous Emission Noise -> performance degradaion -> limitation in the number of cascaded amplifiers

광신호 검출 Direct Detection: - APD(수신감도: -25dBm @ 10Gb/s) - Optical Preamp. + PIN(수신감도: -31dBm @ 10Gb/s) Coherent Detection: - FSK mod. + Optical Discriminator + DD - Homodyne or Heterodyne Detection

Requirements for ~40Gb/s ETDM Device Technology - high speed & high frequency device (fT/fmax: 120~250GHz for 40 Gb/s) Circuit Technology - multiple-feedback technique for baseband amp. - narrow-band timing circuit - multi-stage D-F/F for MUX & DMUX - layout to avoid 3-dimensional distributed interconnection effect Package Technology (chip-size cavity package) Manufacturability (proces& material maturity), Reliabily (long MTTF, high temperature endurability), Cost-Effectiveness, etc. Dispersion Tolerance (~2km at 40Gb/s on non-dispersion shifted fiber) Polarization Mode Dispersion Tolerance (< 100km at 40Gb/s NDSF) New Optical Fiber (larger bit rate distance product, large effective core area)

광전달망 구성 전송 용량의 증대 효율적인 통신망 구축 정보의 투명성 보장으로 다양한 이종 통신망 신호 수용 l l l l l node node 전송 용량의 증대 효율적인 통신망 구축 정보의 투명성 보장으로 다양한 이종 통신망 신호 수용 l l l 3 2 l 1 l 1 node 2 l OXC OXC 1 l 3 l l l 1 2 3 node node l l l l 1 2 1 2 A B C A B C l l l 3 2 1 (a) (b)

파장변환 방식 파장변환기의 기능블럭도 (a) 일반적인 파장변환기 (b) optoelectronic 파장변환기 (c) optical gating 파장변환기 (d) wave-mixing 파장변환기 파장변환기의 기능블럭도

WDM망 운용 관리 Transparent WDM networking layer Two-way design impact - Network Element hardware design - Network Management software design Managing a transparent WDM Network - Performance monitoring - Network configuration - Fault recovery WDM management communication network

외국 기술 동향 연구기관 Fujitsu AT&T NEC NEC(*) 발표처 OFC’96 OFC’96 ECOC’96 OFC’97 채널 수 55 25(편광다중) 132 63 종속신호속도 20Gb/s 20Gb/s 20Gb/s 20Gb/s 전송거리 150km 55km 120km 100km 광섬유 SMF NZ-DSF SMF SMF (*)NEC의 OFC’97 발표는 4Terabit 전송 시험의 가능성을 보인 것임 위의 결과는 실험실상에서의 전송실험 결과 보고임

40Gb/s ETDM 전송시험 현황 기 관 다중화 방식 송 신 기 수 신 기 전 송 링 크 발표처 NTT ETDM 송 신 기 수 신 기 전 송 링 크 발표처 40Gb/s RZ (LN Mod. / Mode-locked LD) 40Gb/s 직접 검출 NTT ETDM 300 km DSF 3-광중계기 OFC’97 20Gb/s RZ (LN Mod.) 2:1 광시분할다중 2 x 40Gb/s WDM 20Gb/s 광시분할역다중 IEICE Spring Conf. ‘97 Fujitsu 667 km DSF 9-광중계기 OTDM 20Gb/s RZ(LN Mod.) 2:1 광시분할다중 2 x 40Gb/s WDM 20Gb/s 광시분할역다중 Fujitsu 100 km SMF 1-광중계기 OTDM OECC’97 20Gb/s RZ(LN Mod.) 2:1 광시분할다중 5 x 40Gb/s WDM 20Gb/s 광시분할역다중 Fujitsu 105 km SMF 1-광중계기 OTDM ECOC’97 20Gb/s RZ(EA / LN Mod.) 2:1 광시분할다중 20Gb/s 광시분할역다중 160 km SMF 1-광중계기 Nortel OTDM OFC’97 10Gb/s RZ(Mode-locked LD) 4:1 광시분할다중 10Gb/s 광시분할역다중 HHI OTDM 150 km SMF OFC’97 주) RZ: Return-to-Zero SMF: Single Mode Fiber LN Mod.: LiNbO3 Modulator LD: Laser Diode DSF: Dispersion Shifted Fiber EA: Electro-Absorption

국내 기술 동향 시스템 개발 기초/기반 기술(100Gb/s OTDM) 155Mb/s 565Mb/s 2.5Gb/s 10Gb/s 160Gb/s 방식 SDH PDH SDH SDH WDM 주요기능 단국 ADM, Ring 단국, 중계기 단국 ADM, Ring 단국 ADM, Ring 단국 ADM, Ring DS-3 155/622 155/622/ 2.5G 2.5G/ 10G 종속신호 T1/E1 DS-3 사업적용 ‘94 ‘91 ‘96 ‘98예정 2001예정 기초/기반 기술(100Gb/s OTDM) - 기능: 100Gb/s 신호 다중/역다중 및 동기신호 검출

점대점 전송방식에 따른 가격 비교 C1 = Cost of OC-12 LTM Total Cost = 2C1 622Mb/s OC-12 LTM OC-12 622Mb/s OC-12 LTM OC-48 LTM OC-48 2.5Gb/s 4 x OC-12 = 2.5Gb/s WDM OC-12 622Mb/s OC-12 LTM OC-12 LTM OC-12 622Mb/s C1 = Cost of OC-12 LTM Total Cost = 4C1 + optics Total Cost = 2C1 Optics 가격은 수요의 정도와 시간에 따라 큰 폭으로 감소 WJT - NFOEC’93

전달망 구성에 따른 가격 비교 C2 = Cost of OC-48 ADM Total Cost = C2/2 + optics EDFA OC-12 OC-48 2.5Gb/s OC-48 ADM OC-48 2.5Gb/s 4 x OC-12 = 2.5Gb/s 4 x OC-12 = 2.5Gb/s OC-12 WDM WDM OC-12 Drop + Add 622 Mb/s aggregate OC-12 ADM C2 = Cost of OC-48 ADM Total Cost = C2 Total Cost = C2/2 + optics WJT - NFOEC’93

WDM VS. TDM METRO Application Cost Long-haul Application Years Cost 1.00 0.80 0.60 0.40 0.20 0.00 OC-192 OC-48 Short span distance < 90km 3R repeaters are not necessary --> TDM solution more cost effective Cost Long-haul Application 1.00 0.80 0.60 0.40 0.20 0.00 1 3 5 7 9 11 13 Years Limitation factors : Amplifier tech. & 3R repeaters OC-48 is more cost effective due to: - elimination of chromatic dispersion - low dependency of polarization mode dispersion - operation at a much lower OSNR Cost of WDM is almost 18% less than TDM Cost OC-192 OC-48 1 3 5 7 9 11 13 Years

Approachs for Gigabps Transmission 경제성이 있는 서비스 제공을 위해 대용량화 필요 동시에 망에서의 투명한 정보 전달이 필요함 - > 광기술 도입에 의한 대용량화 추구 복잡하고 다양한 광기술이 성숙되고 있으나 적용대상에 따른 기술적 선택이 요구됨 (시스템 성능 및 이에 따른 가격 차이) 새로운 부품에 대한 필요성과 survivability의 정확한 예측에 의한 시스템 기술 구현 Fixed Laser/Receiver on ITU Grid All Optical Regenerators All Optical Network Tunable Lasers Grating Technologies All Optical Signal Processing Circulators Wavelength Routing/ Translators