수백 킬로미터에 걸쳐 단일 광섬유로 100기가비트, 400 또는 800를 전송하려면 빠른 레이저만으로는 부족합니다. 광 강도뿐 아니라 위상과 편광에도 데이터를 인코딩하는 전송 기술인 코히어런트 광학이 필요합니다.
코히어런트 광학 기술은 장거리 인터넷 백본망, 해저 케이블, 그리고 점차 메트로 및 데이터센터 상호 연결(DCI) 링크의 핵심 기술입니다. 이 가이드에서는 작동 원리와 필요한 시점을 설명합니다.
직접 검파와 코히어런트 검파
직접 검파(강도 변조)
기존 광 트랜시버는 강도 변조/직접 검출(IM-DD) 방식을 사용합니다.
- 레이저가 켜지고 꺼지거나 밝기가 변하면서 비트를 인코딩합니다.
- 수신기는 광량을 측정합니다. 밝음 = 1, 어두움 = 0
- 간단하고 저렴하며 저전력
- 짧은 거리에서는 파장당 약 100 Gbps로 제한
코히어런트 검출
코히런트 트랜시버는 빛의 전체 특성을 활용합니다.
- 위상: 빛의 파동이 진동하는 타이밍
- 진폭: 파동의 세기
- 편파: 파동의 방향(수평 및 수직)
데이터를 세 차원에 동시에 인코딩하면 코히어런트 시스템의 스펙트럼 효율이 크게 높아져 광 대역폭 1Hz당 더 많은 비트를 전송할 수 있습니다.
코히어런트 전송 방식
1. 변조 형식
| 형식 | 심벌당 비트 수 | 스펙트럼 효율 | 일반적인 사용 분야 |
|---|---|---|---|
| BPSK | 1 | 낮음 | 장거리 전송, 높은 노이즈 내성 |
| QPSK | 2 | 중간 | 100G 장거리 전송 |
| DP-QPSK | 4 (2극 × 2) | 중상 | 100G 표준 |
| 16-QAM | 4 | 높음 | 200G/400G 지하철 |
| DP-16QAM | 8 | 매우 높음 | 400G |
| 64-QAM | 6 | 매우 높음 | 800G, 단거리 |
| DP-64QAM | 12 | 가장 높음 | 800G+ |
DP-QPSK(이중 편파 직교 위상 편이 변조)는 100G 코히어런트 광통신의 핵심 기술이었습니다. X와 Y 두 편파를 사용하고 각각 QPSK 변조 데이터를 전달해 심볼당 총 4비트를 전송합니다.
높은 QAM 차수는 심볼당 더 많은 비트를 담지만 더 나은 신호 대 잡음비(SNR)가 필요해 전송 거리가 제한됩니다.
2. 디지털 신호 처리(DSP)
코히어런트 광통신의 핵심 구성 요소는 코히어런트 DSP ASIC이며, 다음 기능을 수행하는 특수 칩입니다.
- 송신기에서 복잡한 변조 신호 생성
- 디지털 알고리즘으로 수신기에서 신호 복구
- 색분산(CD)을 보정하므로 외부 DCM 모듈이 필요하지 않습니다.
- 편광 모드 분산(PMD) 보상
- 순방향 오류 정정(FEC)을 수행
Acacia, Inphi/Marvell, Ciena 등의 최신 코히어런트 DSP는 누적 분산이 수천 킬로미터에 달해도 실시간 보정할 수 있습니다.
3. 국부 발진기 레이저
수신기는 들어오는 신호와 같은 주파수에 맞춘 좁은 선폭의 로컬 발진기(LO) 레이저를 사용합니다. 수신 신호와 LO 레이저를 혼합하면 위상 검출이 가능해지며, 직접 검파 방식에서는 이를 구현할 수 없습니다.
주요 코히어런트 트랜시버 폼팩터
CFP / CFP2 / CFP4
초기 100G 코히어런트 폼팩터입니다. 크고 전력 소모가 높아 신규 설계에서는 거의 사용되지 않고 레거시 제품에 남아 있습니다.
QSFP28 코히런트
QSFP28 폼팩터의 100G 코히런트 기술. 메트로 DCI에 사용됩니다. 예: Cisco CPAK, Ciena WaveLogic Nano.
QSFP-DD / OSFP (400G ZR/ZR+)
400G 코히어런트의 현재 세대:
- 400G ZR(OpenROADM / OIF 표준): 최대 120 km, 플러그형, 상호 운용 가능
- 400G ZR+: 확장 전송 거리(500–1,000 km), 공급업체별 개선 기능
- 外形规格：QSFP-DD、OSFP
- 전력: 모듈당 15–20 W
800G 및 그 이후
800G 코히어런트 모듈(OSFP, QSFP-DD800)이 양산에 들어가고 있습니다. DP-64QAM 또는 확률적 성상 매핑(PCS)을 사용해 파장당 800 Gbps를 달성합니다.
Coherent DWDM: 용량 증대
코히어런트 트랜시버는 보통 단일 광섬유에서 여러 파장을 결합하는 **DWDM(고밀도 파장 분할 다중화)**과 함께 사용됩니다.
- C-대역: 1,530–1,565 nm, 96 간격으로 약 50 GHz개 채널
- L 대역: 1,565–1,625 nm, 약 96개 채널 추가
- C+L 대역: ~192개 채널 × 400 Gbps = 광섬유 쌍당 ~76.8 Tbps
각 파장은 독립적인 코히어런트 채널을 전송합니다. 이론상 단일 광섬유 쌍으로 초당 페타비트를 전송할 수 있습니다.
코히어런트 검파와 직접 검파: 각각의 사용 시점
| 시나리오 | 권장 |
|---|---|
| 데이터센터 내부 링크(<2 km) | 직접 검출(SR4, DR4) |
| 캠퍼스 / 단거리 (2–10 km) | 직접 검출(LR4, FR4) |
| 도시권 DCI (10–80 km) | 코히어런트 ZR 또는 직접 검파(ER4) |
| 지역(80–300 km) | 코히어런트 ZR / ZR+ |
| 장거리 전송 (300–3,000 km) | EDFA 증폭 방식과 호환 |
| 해저 (3,000–20,000 km) | 라만 증폭기와 EDFA를 결합한 코히어런트 방식 |
코히어런트 광이 경제성을 확보하는 기준점이 낮아지고 있습니다. 이제 400G ZR 모듈은 이전에 직접 검파 솔루션을 사용하던 메트로 DCI 링크에도 코히어런트 광을 경제적으로 적용할 수 있게 합니다.
증폭. EDFA 및 라만
코히어런트 신호도 거리에 따라 감쇠합니다. 두 가지 증폭 기술로 전송 거리를 늘릴 수 있습니다.
EDFA(에르븀 첨가 광섬유 증폭기)
- 모든 C 대역 파장을 동시에 증폭
- 장거리 경로에 60–100 km마다 설치
- 각 단계마다 잡음(OSNR 열화) 추가
- 지상 장거리 전송의 표준 기술
라만 증폭
- 광섬유 자체를 이득 매질로 사용합니다
- 분산 증폭으로 노이즈 누적 감소
- 해저 케이블 및 초장거리 지상 구간에 사용
- EDFA와 함께 사용하는 경우가 많음(하이브리드 Raman/EDFA)
OSNR: 핵심 성능 지표
**광 신호 대 잡음비(OSNR)**는 코히어런트 신호가 오류가 허용할 수 없는 수준에 이르기 전까지 전송될 수 있는 거리를 결정합니다. 더 높은 차수의 변조 방식(64-QAM)은 낮은 차수의 변조 방식(QPSK)보다 높은 OSNR이 필요합니다.
코히어런트 DSP의 FEC(순방향 오류 정정)는 매우 높은 비트 오류율(연판정 FEC의 경우 보정 전 BER 최대 2×10⁻²)에서도 신호를 복구해 도달 거리를 크게 늘릴 수 있습니다.
요약
코히어런트 광 전송은 빛의 강도뿐 아니라 위상, 진폭 및 편광에 데이터를 인코딩해 고용량 장거리 광 전송을 가능하게 합니다. 핵심 내용은 다음과 같습니다.
- DP-QPSK는 100G 장거리 전송의 표준이며, DP-16QAM 및 DP-64QAM는 400G/800G에 사용됩니다.
- 코히어런트 DSP ASIC은 분산 보상을 디지털로 처리하므로 외부 DCM이 필요 없습니다
- **400G ZR/ZR+**는 QSFP-DD 폼 팩터에서 현재 표준인 플러그형 코히어런트 모듈입니다.
- 메트로 DCI(10+ km)와 모든 장거리 애플리케이션에는 코히어런트 광을 사용하세요
- DWDM은 용량을 늘립니다. C+L 대역은 광섬유 한 쌍으로 100+ Tbps를 전송할 수 있습니다.
CZT은 데이터센터 및 통신 애플리케이션용 광 트랜시버와 연결 솔루션을 공급합니다. 호환 제품은 광섬유 커넥터 및 트랜시버 제품군에서 확인하세요.
