CWDM 기술 및 트랜시버 개요

소개

CWDM 트랜시버는 CWDM(Coarse Wavelength Division Multiplexing) 기술을 기반으로 하는 광 트랜시버입니다. 각 사이트가 수신기 외에도 송신기를 포함하기 때문에 양방향(BIDI) 링크 운영에 특히 유용합니다. 레이저, 수신기 다이오드, 그리고 레이저 구동 및 수신 신호 정형에 필요한 관련 전자 장치가 표준화된 인터페이스를 갖춘 모듈에 내장되어 있습니다. 이러한 트랜시버의 또 다른 강력한 특징은 모듈성입니다. 즉, 트랜시버를 전자 회로 기판에 연결하고 상호 교환할 수 있습니다. 이러한 모듈성 덕분에 시스템의 전자 장치와 광학 장치를 분리할 수 있어 비용 효율적인 시스템 설계가 가능합니다. 이러한 모듈성의 요구 사항 중 하나는 트랜시버에 대한 공통 표준을 채택하는 것입니다.

CWDM 기술 개요

먼저 CWDM 기술 에 대해 알아보겠습니다 . 다중 서비스 메트로 접속/엔터프라이즈 애플리케이션에 사용되는 WDM(파장 분할 다중화) 기술에는 DWDM(고밀도 파장 분할 다중화)과 CWDM, 두 가지 주요 유형이 있습니다. 이 두 가지 유형의 주요 차이점은 광섬유 스펙트럼 내에서 고유한 채널 할당 방식에서 비롯되며, 이로 인해 특화된 구성 요소 기술, 가격대 및 애플리케이션이 생겨납니다. 일반적으로 CWDM은 DWDM보다 가격대가 낮아 비용에 민감한 여러 접속 및 엔터프라이즈 애플리케이션에 매우 적합합니다. 자세한 내용은 아래 표에 나와 있습니다.

1. 광섬유 스펙트럼 할당

메트로 및 액세스 분야에서 단일 모드 광섬유(SMF)는 가장 보편적이며, 특히 SMF-28 유형의 광섬유가 가장 널리 사용됩니다. 시간이 지남에 따라 트래픽 수요 증가와 부품 기술의 발전에 따라 이 특정 광섬유의 가용 대역폭을 활용하기 위해 점점 더 많은 스펙트럼 "대역"이 정의되어 왔습니다(아래 그림 참조). 원래 SMF는 1310nm 영역(널리 "O-대역"이라고 함)에서 단일 채널 작동을 "최적화"하기 위해 개발되었으며, 이로 인해 초기 "레거시" SONET/SDH 및 이더넷 제품들이 이 영역에서 작동하도록 지정되었습니다. 이 영역에서 SMF는 분산이 없고 손실이 매우 적습니다(약 0.35dB/km).

초기에는 단일 채널(O-밴드) 전송이 기존 SONET/SDH 및 이더넷을 장거리로 확장하는 데 매우 효과적이었습니다. 그러나 이러한 시스템은 광섬유당 하나의 전송 채널만 지원했기 때문에 급증하는 트래픽 수요에 직면한 통신 사업자에게는 점점 더 비효율적이었습니다. 결과적으로 설계자들은 기존 광섬유 용량/자원을 더 효율적으로 활용하기 위해 추가적인 (SMF) 스펙트럼 영역으로 전송 용량을 확장하는 방안을 검토하기 시작했습니다. 이는 궁극적으로 새로운 전송 대역의 생성과 함께 WDM(다중 채널 전송)으로의 전환으로 이어졌습니다. 이제 SMF의 전반적인 특성을 고려할 때, 새로운 전송 대역은 손실 및 분산 수치가 허용 가능한 수준으로 낮은 곳에만 배치될 수 있었습니다. 설계자들은 바로 이 부분에서 1500nm 영역으로 상향 이동하기로 결정했습니다. 1375~1400nm 영역(E-밴드)은 잔류 수증기에 의한 광 에너지 흡수로 인해 높은 감쇠를 나타내기 때문입니다. 즉, 1383nm에서 "워터 피크" 현상이 나타납니다. 이러한 전송 대역 확장으로 인해 DWDM과 CWDM이 등장하게 되었습니다.

CWDM 기술의 기본 전제는 매우 저렴한 가격으로 수용 가능한 광 대역폭 확장성을 제공하는 것입니다. 이러한 목표는 사용 가능한 SMF 스펙트럼 대역 내에서 일반적으로 2500GHz(20nm)의 훨씬 더 넓은 채널 간격을 정의함으로써 달성되며, 이를 통해 관련 부품의 복잡성과 비용을 줄이는 데 도움이 됩니다(다음 섹션에서 자세히 설명). 현재 대부분의 CWDM 부품은 C 및 L 대역 영역(DWDM과 유사)을 포괄하며, S 대역(1460~1530nm 범위)의 일부에도 사용되어 최대 8개의 파장 채널을 생성합니다(그림 2). 그러나 부품 표준화 및 공급업체 상호 운용성을 더욱 가속화하기 위한 노력의 일환으로 ITU-T는 최근 CWDM 대역 및 관련 채널(DWDM ITU-T 그리드와 유사)을 정의하는 작업을 시작했습니다. 여기서 채널 간격은 예상대로 20nm로 설정되었으며, 관련 전송 스펙트럼은 현재 사용되는 S, C, L 대역 외에도 O 및 E 대역을 포함하도록 확장되었습니다. O 및 E 대역 추가는 새로운 "메트로 최적화" 광섬유에서 사용 가능한 추가 용량을 활용하기 위한 것입니다. 이러한 조항을 활용하여 CWDM은 충분한 용량 확장성과 탁월한 파장 경제성을 제공하며, 메트로 접속 및 기업 환경에 이상적인 조합입니다.

오늘날 많은 광 부품 공급업체들이 이미 상당한 규모의 CWDM 포트폴리오를 시장에 보유하고 있습니다. 특히, 전체 네트워크 비용을 절감하고 CWDM 패러다임의 구축을 가속화하는 데 도움이 되는 핵심 기술이 많이 있습니다. 일반적으로 이러한 기술에는 저비용 레이저, 광대역 광 필터, 그리고 "메트로 최적화" 광섬유가 포함됩니다. 그러나 지속적인 기술 발전으로 가격 대비 성능비가 향상되면서 CWDM 기술의 발전은 불가피하게 가속화되고 있습니다. 이제 몇 가지 사실을 제시해 보겠습니다.

2. 활성화 기술

오늘날 대부분의 WDM 기반 시스템은 분산 피드백 레이저(DFB) 광원을 사용하여 최대 100km(SMF-28)의 거리를 효과적으로 커버합니다. 그러나 이러한 장치는 온도에 따른 주파수 변동을 나타내며, 0~70℃의 넓은 작동 범위에서 최대 6nm(즉, 약 0.08nm/℃)의 변동이 예상됩니다. 좁은 DWDM 간격에서는 이러한 변동폭이 매우 크기 때문에 DWDM의 좁은 통과대역을 유지하기 위해 복잡한 모니터링 및 냉각 회로가 필요하며, 이는 DWDM 시스템 비용을 상당히 증가시킵니다. 반대로, 더 넓은 채널의 CWDM 애플리케이션은 이러한 제약을 받지 않으며, 최대 2.5Gbps의 비트 전송률에 훨씬 저렴한 비냉각 DFB 레이저를 사용할 수 있습니다. 특히, 20nm 간격은 온도 드리프트 범위를 확실히 처리할 수 있으므로, 사용자 대역폭에 거의 13nm의 대역폭을 남겨둡니다. 이 설정은 값비싼 온도 제어 회로를 사용하지 않으므로 비용을 크게 절감하고 전력 소모도 줄어듭니다. 예를 들어, 대형 DWDM 레이저의 경우 채널당 10W 이상인 전력 소모량에 비해 일반적으로 1~2W에 불과합니다. 또한, DWDM과 달리 CWDM은 광 증폭 기능이 없어 비용을 더욱 절감합니다. CWDM 증폭기가 없어 스팬 거리에 영향을 미치지만, 미국 광역권 링의 90% 이상이 100km 이내에 위치하기 때문에 비증폭 전송 방식도 많은 광역 접속/기업 환경에는 충분히 적합합니다. 대부분의 경우, 위의 특징들은 DWDM 레이저보다 최대 70% 더 작은 훨씬 더 작은 레이저 패키징을 가능하게 하며, 이는 설치 공간 고려 사항이 중요한 기업 애플리케이션에 이상적입니다.

광대역 광 필터링 장치는 WDM 시스템의 또 다른 핵심 요소이며, 광섬유 케이블에서 채널 다중화/역다중화 작업을 구현하는 데 사용됩니다. 오늘날 대부분의 WDM 필터는 박막 기술에서 파생되었으며, 이는 제조 기반 적층 공정을 활용하여 다양한 채널 분리를 구현합니다. 특히, 채널 간격이 미세할수록 필터 층의 수가 증가하며, 일반적인 DWDM 필터 소자는 약 150개의 층을 필요로 합니다. 반면, CWDM 그리드 간격이 넓어지면(2500GHz) 필터 층의 수가 약 50개로 줄어들어 제조 비용이 크게 절감됩니다. 결과적으로 오늘날 대부분의 CWDM 필터는 DWDM 필터보다 거의 50% 저렴하며, 두 제품 모두 꾸준한 가격 하락세를 보이고 있습니다. 전반적으로 시중에서 판매되는 대부분의 CWDM 필터는 1470~1610nm 대역에서 작동하며 최대 8개의 파장 채널을 추출할 수 있습니다. 그러나 다양한 케이블 제조업체가 전송 용량을 늘린 새로운 특수 광섬유 유형을 제공하고 있기 때문에 향후 CWDM 필터링 장치는 확장된 채널 범위를 제공할 가능성이 높습니다.

CWDM 트랜시버 개요

이제 핵심은 트랜시버입니다. 송신기와 수신기를 하나의 장치로 통합함으로써 트랜시버라는 개념이 탄생했습니다. 앞서 언급했듯이 CWDM 트랜시버는 CWDM 기술을 기반으로 합니다. 이 트랜시버는 광통신의 여러 분야에 혁명을 일으켰으며, 관련 표준과 최신 개발 동향을 아래에서 소개합니다.

1. 광트랜시버의 진화

단일 장치에 송신기와 수신기가 결합된 트랜시버는 광 전송 시스템의 핵심 구성 요소 중 하나입니다. 역사적으로 광 트랜시버는 수신기의 경우 신호를 광섬유로 전송하기 위해 소스와 검출기가 적절한 전자 장치와 결합된 시스템 라인 카드에서 발전했습니다. 아래 그림은 초기 송신기와 수신기의 예를 보여줍니다. 송신기와 수신기가 쌍으로 구성되면 BIDI 광섬유 링크 설계가 용이해집니다. 가장 단순한 경우, BIDI 전송은 두 개의 개별 광섬유를 사용하여 이루어지며, 각 광섬유는 한 방향으로 신호를 전송합니다. 이 경우 두 방향은 완전히 독립적이며, 누화가 발생하지 않으므로 두 방향의 파장 할당을 개별적으로 수행할 수 있습니다. BIDI 전송 개념은 단일 광섬유에도 적용됩니다. 이 경우 채널 간 누화를 최소화하여 서로 다른 파장에서 BIDI 링크를 작동시킬 수 있습니다. 아래 그림은 송신기와 수신기 쌍을 기반으로 하는 기본적인 이중 광섬유 전송 시스템을 보여줍니다.

위 그림의 시스템은 송신기, 광섬유 , 그리고 수신기로 구성됩니다. 양방향 전송을 위해서는 각 종단에 송신기와 수신기가 있어야 하며, 이를 통해 각 지점에서 데이터를 주고받을 수 있습니다. 초기 송신기와 수신기는 회로 기판에 구현되었습니다. 이러한 장치는 개별 부품으로 제작되어 신호 처리, 전력 공급 등을 위해 다른 회로와 함께 회로 기판에 장착되었습니다. 전송량과 속도가 증가함에 따라 송신기와 수신기의 기능을 단일 모듈에 통합하려는 움직임이 있었습니다. 광 송신기의 기본 구성 요소는 변조를 위한 소스 회로와 구동 회로입니다. 디지털 수신기는 검출기, 증폭기, 그리고 비교기로 구성됩니다.

2. CWDM용 비냉각 송신기

DWDM 시스템과 CWDM 시스템의 전기 광학적 주요 차이점은 DWDM 시스템에서는 냉각 DFB 레이저를 광원으로 사용하고, CWDM 시스템에서는 비냉각 DFB 레이저를 광원으로 사용한다는 점입니다. 결과적으로 CWDM 송신기가 간소화됩니다.

파장 드리프트에 대한 팁:
아래 그림은 표준 13nm 폭 CWDM 멀티플렉서 필터의 통과 대역 내에서 비냉각 단일 주파수 DFB 레이저의 파장 드리프트를 보여줍니다. 일반적으로 작동 온도는 0°C에서 70°C까지 다양하며, 이로 인해 최대 7nm의 파장 변화가 발생합니다. 따라서 CWDM 시스템 설계는 성능 저하 없이 파장 이동을 수용할 수 있어야 합니다. 따라서 필터는 충분히 넓어야 하며, 전체 통과 대역에 걸쳐 평평한 상단 특성을 가져야 합니다.

ITU에서 지정한 CWDM 필터의 중심 파장은 1511, 1531, 1551, 1571nm 등입니다. 그러나 CWDM 레이저의 공칭 파장은 1510, 1530, 1550, 1570nm 등입니다. 필터가 1nm 오프셋된 이유는 필터 개수와 관련된 일반적인 온도 상승을 수용하기 위한 것입니다. 주변 외부 온도와 케이스 내부 온도의 차이는 설계 및 작동 조건에 따라 크거나 작을 수 있습니다. 통과 대역 중심과 필터 가장자리 사이의 관계는 그림에 요약되어 있습니다.