차세대 FTTH의 실행 가능한 대안 – WDM-PON 기술

소개

최근 몇 년 동안 대부분의 FTTH 구축은 기가비트 이더넷 수동 광 네트워크 (GEPON) 및 기가비트 PON (GPON)과 같은 업계 표준 기술을 기반으로 이루어졌습니다. 이러한 구축의 성공은 시스템 아키텍처와 시스템 구축에 사용되는 구성 요소 모두에서 상당한 혁신을 가져왔으며, 차세대 수동 광 네트워크는 현재 일반적으로 구축되는 것보다 훨씬 더 발전될 것으로 예상됩니다.

PON 개발의 최전선에는 차세대 시스템을 놓고 경쟁하는 것으로 보이는 두 가지 별도의 접근 방식이 있었습니다. 10Gbps PON(10G EPON 또는 10G GPON)과 WDM-PON입니다. 각 접근 방식에는 자체 장점과 문제가 있지만 두 가지 새로운 기술의 진전은 최근 몇 년 동안 가속화되었습니다. 이 기사에서는 WDM-PON 에 초점을 맞추고 차세대 플랫폼에 대한 매우 실행 가능한 경쟁자가 되도록 만드는 몇 가지 과제와 새로운 기술을 살펴봅니다. WDM-PON은 한국에서 이미 초기 성공을 거두었지만 GEPON 및 GPON 기술에 비해 상대적으로 높은 비용으로 인해 세계의 다른 지역에서 채택이 느려졌습니다. 이러한 상황은 WDM-PON이 차세대 FTTH 배포를 위해 10G PON 및 Point-to-Point(P2P) 시스템과 직접 경쟁함에 따라 바뀌고 있는 것으로 보입니다.

아키텍처
WDM-PON 네트워크의 시스템 아키텍처는 보다 전통적인 GEPON 또는 GPON 시스템과 크게 다르지 않지만 네트워크가 작동하는 방식은 완전히 다릅니다.이 기사에서 모든 기술적 세부 사항을 논의하지는 않지만 WDM-PON의 최종 결과는 각 가입자에게 파장이 할당되는 것입니다.이것은 32명 이상의 사용자가 하나의 광 피드를 공유하는 보다 전통적인 PON 아키텍처와 반대입니다.이 경우 각 가정은 동일한 파장에서 작동하고 주요 파이버에서 1/32 타임 슬롯이 할당됩니다.WDM-PON에서 각 가정은 자체 파장이 할당되고 해당 파장의 파이버를 계속 사용합니다.WDM-PON 네트워크의 매우 상위 레벨 보기가 아래 그림에 나와 있습니다.

표준 PON 시스템에서는 단일 광섬유가 중앙 사무실 (CO)에서 이웃까지 이어지고, 이 지점에서 수동 1×32 스플리터가 광 신호를 32개의 다른 가정으로 분할합니다. 사실상 모든 PON 기술은 양방향(BiDi) 통신을 가능하게 하기 위해 어떤 형태의 파장 분할 다중화 (WDM)에 의존합니다. 예를 들어, 일반적인 GPON 시스템에서 상향 통신은 1310nm 파장에서 실행되는 반면 하향 트래픽은 1490nm에서 실행됩니다. 1550nm의 세 번째 파장은 비디오 오버레이에 사용됩니다. 따라서 PON 시스템에서 WDM을 활용하는 것은 이미 매우 흔합니다. 그러나 일반적인 GPON 또는 GEPON 시스템에서는 모든 가입자가 동일한 공통 파장을 사용합니다. 즉, 시분할 다중화 (TDM)를 통해 수행되는 광섬유 인프라를 공유해야 합니다. 32개 가정은 모두 동일한 광섬유를 통해 데이터를 전송하지만, 광섬유를 "점유"할 수 있는 시간은 CO의 광 회선 단말 (OLT)에서 할당합니다. 각 가정의 장비는 1250Mbps 이상의 속도로 전송할 수 있지만, 광섬유에서 할당된 시간 동안만 전송할 수 있으므로 기존 PON 시스템에서 각 가입자가 지속적으로 30Mbps 정도의 데이터 전송 속도만 달성하는 경우가 드물지 않습니다.

여러 사용자가 공통 광섬유를 공유한다는 개념은 FTTH 구축에 필요한 광섬유 인프라를 최소화하는 데 도움이 됩니다. 그러나 이러한 광섬유 공유는 가입자에게 더 높은 데이터 속도를 제한하는 주요 요인 중 하나입니다. WDM-PON은 각 가입자가 사용 가능한 최대 1250Mbps에 액세스할 수 있도록 하면서 사실상 동일한 광섬유 인프라를 사용할 수 있도록 합니다. 이러한 변경을 가능하게 하려면 네트워크에 몇 가지 변경 사항이 필요합니다. 첫 번째는 수동 1x32 분배기를 수동 1x32 채널 디멀티플렉서 (예: 32채널 DWDM DEMUX)로 교체해야 합니다. 이 디멀티플렉서는 일반적으로 위 그림과 같이 비열 배열 도파관 격자(AWG)입니다. 이를 통해 32개의 서로 다른 파장을 공통 광섬유를 통해 전송할 수 있으며, 각 가정에는 자체 파장이 할당됩니다.

장점

WDM-PON 아키텍처는 기존의 PON 시스템에 비해 여러 가지 장점이 있습니다.

비용 문제

WDM-PON의 주요 과제는 비용 입니다 . 각 가입자에게 개별 파장이 할당되므로, OLT는 기존 PON 시스템에서처럼 하나의 파장을 공유하는 대신 32개의 서로 다른 파장으로 전송해야 합니다. 또한, 링크에 연결된 32개 가정이 각각 별도의 파장으로 작동해야 하므로, 모든 ONT는 특정 가정에 맞는 파장으로 조정할 수 있는 고가의 가변 레이저가 필요합니다. 이는 특히 초기 설치 비용 측면에서 매우 큰 비용이 소요될 것이며, WDM-PON 시스템 초기 설계의 주요 장애물이었습니다.

대부분의 WDM-PON 시스템에서는 CO의 광대역 광원이 OLT 송신기로 광대역 시드 신호를 보내 데이터가 주 광섬유를 통해 전송될 때 정확한 파장에 맞춰 전송을 고정합니다. 현장의 32채널 AWG DEMUX에서 이 신호는 32개의 서로 다른 광섬유로 분할되며, 각 광섬유는 하나의 파장으로 연결됩니다. 각 광섬유는 별도의 ONT로 연결됩니다. 이 아키텍처는 ONT 사이트에 가변 레이저를 필요로 하지 않으므로 ONT의 비용 경쟁력이 매우 뛰어나며, 기능적으로도 기존 GPON ONT 와 매우 유사합니다 .

비용 문제에 대한 R-SOA 솔루션

대부분의 최신 WDM-PON 시스템은 레이저 주입 잠금(LAL)이라는 기술을 사용하는데, 이 기술을 통해 비교적 저렴한 패브리-페로(Fabry-Perot) 레이저를 거의 모든 파장에서 작동시킬 수 있습니다. 외부 레이저는 반사형 반도체 광 증폭기 (R-SOA)라고 합니다.

다른 PON 아키텍처와 비교했을 때 가장 큰 시스템 변화는 OLT에서 발생합니다. WDM-PON OLT는 GEPON이나 GPON에 비해 상당히 복잡합니다. 각 가입자는 댁내 전체 파장의 이점을 누리기 때문에 OLT 내에 각 가입자가 전용 트랜시버를 가지고 있어야 합니다. 주입 잠금(Injection Locking) 방식이 이를 가능하게 합니다. OLT 섀시에는 32채널 AWG를 통과하는 광대역 광원이 포함되어 있으며, 이를 통해 OLT 내 32개의 개별 R-SOA에 각각 시드(seed)를 공급합니다. 이 R-SOA는 1.25Gbps 속도로 직접 변조되어 각 가입자에게 할당됩니다. 이는 비교적 저렴한 PON 광섬유 설비를 사용하여 사실상 고속 P2P 시스템을 구축하는 것과 같습니다.

R-SOA와 주입 잠금(injection locking)은 WDM-PON의 비용 최소화에 도움이 되지만, WDM-PON 구성 요소가 GEPON 및 GPON 네트워크에 사용되는 표준 구성 요소보다 여전히 비싸다는 것은 의심의 여지가 없습니다. 그러나 기존 PON 인프라는 각 가입자에게 거의 동일한 데이터 속도를 제공할 수 없으므로 이러한 비교는 완전히 공정하지 않습니다. 현재 가장 유사한 PON 대안은 차세대 10G PON이지만, 10G PON조차도 10Gbps를 32명의 사용자가 공유하기 때문에 WDM-PON으로 얻을 수 있는 데이터 속도에는 미치지 못합니다. Mbps당 비용 기준으로 볼 때, WDM-PON은 이미 차세대 시스템에서 가장 저렴한 옵션일 수 있습니다.

비용 문제에 대한 PLC 솔루션

WDM-PON 시스템의 비용 절감을 위해 기존 부품을 단순히 조정하는 것만으로는 WDM-PON을 다른 차세대 PON 솔루션과 경쟁하게 할 수 없습니다. 완전히 새로운 부품 기술이 필요했습니다. 현재 WDM-PON ONT와 OLT의 크기를 줄이고 비용을 절감하기 위한 수단으로 평면 광파 회로 (PLC)에 많은 관심이 집중되고 있습니다. PON 애플리케이션에서 PLC 기술을 사용하는 것은 새로운 일이 아닙니다.

PLC 기반 스플리터

거의 모든 PON 시스템은 저렴한 비용, 작은 크기, 그리고 간편함 때문에 외부 설비에 1×32 PLC 분배기를 사용합니다 . 이러한 수동 광 분배기는 전력을 소모하지 않으며 매우 광범위한 온도 범위에서 작동합니다.

PLC 기반 트랜시버
PLC 기반 트랜시버는 모든 업스트림 및 다운스트림 트랜시버 기능을 광 칩에 통합함으로써 GEPON 및 GPON ONT의 비용 절감에도 기여했습니다. 이러한 PLC는 수동 광 분배기보다 훨씬 복잡하며, 레이저, 검출기, 증폭기, 커패시터와 함께 WDM 필터링 기능을 포함하고 있으며, 이 모든 것이 공통 PLC 기판에 하이브리드 방식으로 통합되어 있습니다. 지난 10년간 PLC 통합 기술의 발전은 광 칩에서 구현 가능한 기능에 진정한 혁신을 가져왔습니다.

PLC 기반 AWG
WDM-PON 네트워크는 1×32 전력 분배기를 32채널 비열적 AWG로 교체하는 것으로 시작됩니다. 비열적 AWG는 32개 가구에 광 전력을 분배하는 대신, 각 가구에 하나의 파장을 분배합니다. 물론 이 부품들도 PLC 기반 부품이며, 비열적 설계로 전력을 소모하지 않습니다. 따라서 비열적 AWG는 동일한 외부 인클로저에서 1×32 전력 분배기를 대체할 수 있으며, WDM-PON 구축 시 광섬유 인프라는 기존 PON 시스템과 동일하게 유지됩니다. 이러한 시스템에 사용되는 PLC 기반 AWG는 실제로 세 가지 기능을 동시에 수행하기 때문에 중요합니다.

모든 PON 시스템의 이 분배 노드에서 PLC를 사용하는 것은 일반적이며, 사실상 표준이지만, WDM-PON 네트워크의 다른 부분에서 PLC를 사용하는 것이 점점 더 중요해지고 있습니다. PLC는 OLT 광학 장치의 크기를 크게 줄여 모든 구성 요소를 단일 보드로 통합할 수 있게 하여 WDM-PON OLT 모듈의 집적도를 사실상 두 배로 높일 수 있습니다.

PLC 기술은 최근 몇 년 동안 발전하여 이전에는 불가능했던 기능을 작은 크기에 구현할 수 있게 되었습니다. WDM-PON 애플리케이션의 경우, 32채널 송신기 및 수신기 구성 요소를 소형 통합 모듈로 축소하여 모든 OLT 기능을 단일 OLT 블레이드에 통합하는 데 중점을 두고 있습니다. PLC 기술을 사용하면 32개의 포토다이오드, TIA, 커패시터 및 기타 하위 구성 요소를 매우 높은 수율로 AWG 칩에 하이브리드 방식으로 통합할 수 있습니다. 이는 약 5cm 길이의 실리콘 칩에서 구현할 수 있습니다. 패키징 및 전자 장치로 인해 설치 면적이 늘어나지만, 결과적으로 OLT의 포트 밀도는 두 배로 증가합니다. 마찬가지로 PLC 기반 송신기 모듈은 32개 WDM 필터링 채널과 32개의 R-SOA 송신기, 그리고 각 채널에 맞는 광 전력 모니터를 모두 결합합니다. 이 수준의 통합은 불과 몇 년 전만 해도 실현 불가능했지만, 이제는 차세대 WDM-PON 네트워크 중 일부가 비용 및 포트 밀도 측면에서 10G PON과 경쟁할 수 있게 됐습니다.

서비스 수준 측면에서 10G PON을 포함한 다른 PON 기술은 WDM-PON과 동일한 비트 전송률을 각 가정에 제공하지 못합니다. 사용자당 1250Mbps의 대역폭은 P2P 시스템과만 비교할 수 있지만, WDM-PON은 저비용 PON 광섬유 설비를 활용합니다. WDM-PON 구축에 영향을 미쳤던 주요 과제인 비용과 포트 밀도는 이제 PLC 기반의 저비용 통합 구성 요소를 통해 해결되고 있습니다.

결론

WDM-PON 구축에 있어 가장 큰 과제는 GEPON과 GPON을 각각 포괄하는 IEEE 및 ITU 표준과 유사한 WDM-PON 표준을 마련하는 것입니다. 10G PON 솔루션은 여전히 상당한 비용 압박을 받을 것으로 예상되지만, WDM-PON에 대한 산업 표준을 도입하면 개발 노력을 집중하고 WDM-PON 구성 요소의 비용을 절감하는 데 도움이 될 것입니다. 초기 설치 비용 및 OLT 포트 밀도와 같은 초기 과제가 해결됨에 따라 WDM-PON 구축은 지속적으로 증가할 것입니다. 이는 10G PON 및 기타 차세대 FTTH 솔루션에 대한 매우 실행 가능한 표준 기반 대안을 제시할 것입니다.