NTT, 주파수당 2Tbits/s를 웃도는 세계에서 가장 빠른 광전송 실험 성공
아이온과 6G를 뒷받침할 대용량 통신 네트워크 기술
표1: 기존 기술과 비교한 결과
표2: IC 모듈의 주파수 및 입출력값 특성
표3: 광트랜시버 회로에서 매우 높은 정확도로 왜곡을 보상하는 초광대역 증폭기의 운용 범위 확대
이번 실험 결과는 디지털 코히어런트 광전송 기술의 주파수당 용량과 거리를 기존의 광증폭기보다 2배 이상 늘릴 수 있다는 점을 시사한다. 디지털 코히어런트 광전송 기술은 아이온(IOWN)[4] 올포토닉스네트워크(APN) 및 6G 이니셔티브의 발전을 이끌 것으로 예상되는 핵심 기술이다.
다양한 사회적 문제를 해결하고 아이온 및 6G 서비스의 발전에 이바지할 5G 서비스의 확산으로 통신 트래픽이 증가할 전망이다. 아이온의 핵심인 광통신 네트워크 APN을 활용하면 전송 용량을 크게 늘릴 수 있다. NTT는 광신호 주파수당 전송 용량과 신호 심볼 레이트(symbol rate)[6]를 늘리고, 심볼당 정보량을 최적화해 주파수당 2Tbits/s 이상의 장거리 광전송을 달성하려고 한다. 앞으로 초고속 이더넷 신호를 훨씬 더 긴 거리나 1.6Tbits/s 이상의 속도로 경제적으로 전송하기 위해서다.
주파수당 전송 용량을 늘리기 위해서는 실리콘 CMOS[7] 반도체 회로의 속도 한계를 극복해야 한다. NTT는 현재까지 AMUX로 실리콘 CMOS의 속도 한계를 극복하는 대역 체배기(doubler) 기술을 활용해 광전송 시스템 및 통합 기기를 연구·개발해 왔으며, 심볼 레이트가 100GBd[8]를 웃도는 광신호를 생성하는 데 성공했다. 그러나 초당 멀티 테라비트 이상의 광전송을 실현하려면 전기 증폭기(광변조기 구동용 드라이버 증폭기)의 대역폭과 처리량을 늘려야 한다. 또 속도가 계속해서 늘면 이상적인 광송수신 회로의 편차(신호 경로로 인한 손실 변동, 신호 경로 길이 차)를 매우 높은 정확도로 보상할 기술이 필요하다.
NTT는 세계 최초로 디지털 코히어런트 광신호를 주파수당 2Tbits/s 이상의 속도로 송수신할 수 있다는 것을 증명했고(표1 좌), 약 240km를 2.02Tbits/s로 전송하는 광증폭 리피터 전송 실험을 성공적으로 마쳤다(표1 우). NTT는 오리지널 초광대역 기저대 증폭 IC 모듈과 초고정밀 DSP 기술을 결합해 이같은 성과를 이뤘다.
초광대역 기저대 증폭 IC 모듈
NTT는 InP 기반 이종접합 양극성 트랜지스터(InP HBT) 기술[9]을 기반으로 1mm 동축 커넥터를 탑재해 최대 110kHz의 주파수를 지원하는 초광대역 기저대 증폭 IC[3]를 연구·개발해 왔다. NTT는 하나의 패키지에 마운팅해 초광대역 성능(표2 좌)과 충분한 신호 이득 및 출력(표2 우)을 보유한 모듈을 개발하는 데 성공했다. 현재 NTT는 기저대 증폭 IC 모듈을 광변조기 구동용 드라이버 증폭기로 응용했다.
DSP 기술 기반의 초고정밀 광트랜시버 회로 왜곡 보상 기술
NTT는 InP HBT 기술을 기반으로 초고속 신호 생성을 지원하는 초광대역 기저대 증폭기 IC 모듈을 개발했다. 그러나 초광대역 기저대 증폭기 IC 모듈을 광변조기 구동용 드라이버 증폭기로 사용하려면 고출력 범위에서 운용해야 하는데, 이 경우 드라이버 증폭기 출력의 비선형성(출력 전력이 입력 전력에 비례하지 않는 경우)이 문제가 되면서 광신호 품질(신호대역잡음비)이 악화됐다. 또 광트랜시버 내부의 편차에 따른 초고속 신호의 신호 품질 저하가 뚜렷했다.
NTT가 이번 실험에서 사용한 세계 정상급 DSP 기술은 변조기 드라이버에서 발생한 비선형 왜곡과 이상적인 초고정밀 광트랜시버 내부의 편차를 보상했다. NTT는 IC 모듈의 동작 범위를 확대했고, 광신호 품질(표3)을 개선하는 데 성공했다. NTT는 질 높은 초고속 광신호를 이용해 광증폭 리피터 전송 실험을 수행했다. 최대 2.11Tbits/s의 광신호를 발생시키기 위해 신호 포인트 분배를 최적화하는 PCS-144QAM[5] 방식을 176GBd 초고속 광신호에 적용했다. 또 NTT는 전송 거리에 따라 최적의 정보량을 배치하는 기술을 활용해 2.02Tbits/s의 광신호를 약 240km 전송하는 데 성공했다(표4).
이 기술을 활용하면 주파수당 2Tbits/s 이상의 광신호를 다중 처리하기 때문에 대용량 신호를 매우 안정적으로 전송할 수 있을 것으로 예상된다. 특히 광신호의 변조 속도를 높이는 기술은 주파수당 용량을 높일 수 있을 뿐만 아니라 표5에서 볼 수 있듯이 주파수 자원 확대 기술[10]을 접목해 대용량 신호를 생성할 수 있다. NTT의 기술은 장거리 전송도 지원할 수 있을 것으로 예상된다. NTT는 아이온 APN과 6G 이니셔티브를 실현하기 위해 자체 기기 기술, DSP 기술, 광전송 기술을 통합하는 연구·개발에 박차를 가할 예정이다.
[1] 2022년 9월 NTT 조사 기준
[2] 디지털 코히어런트 기술은 DSP와 코히어런트 수신을 결합해 전송하는 방식이다. 코히어런트 수신 기술을 활용하면 수신 측 광원과 수신 광신호 사이에 간섭을 일으키는 방식으로 빛의 위상과 진폭을 수신할 수 있다. 편광 다중화나 위상 변조와 같은 변조 방식은 주파수 이용 효율을 개선하고, DSP와 코히어런트 수신을 활용한 고정밀 광신호 보상은 수신 감도를 눈에 띄게 끌어올린다.
[3] NTT는 전 세계에서 대역폭이 가장 넓은 초광대역 기저대 증폭기 IC(집적 회로)를 개발했다. InP-HBT를 활용하면 초고정밀 회로 설계 기술과 새로운 회로 아키텍처 기술을 적용해 광대역을 지원하는 증폭기 IC를 실현할 수 있다. NTT의 새로운 보고서 ‘대역폭이 241GHz로 세계에서 가장 넓은 증폭기 IC 개발: 차세대 데이터센터 및 5G 이상용 범용 초고속 기기 기술로 활용 전망(Achievement of Amplifier IC with World’s Widest 241GHz Bandwidth: Expected as General-Purpose Ultra High-Speed Device Technology for Next-Generation Data Centers and Beyond 5G)' 참고. https://group.ntt/jp/newsrelease/2019/06/03/190603b.html
[4] NTT 스마트 월드: 아이온 기술 보고서(NTT Technology Report for Smart World: What’s IOWN?) 참고.
https://group.ntt/jp/newsrelease/2019/05/09/190509b.html
[5] PCS(Probabilistic Constellation Shaping)는 정보 이론을 바탕으로 신호 포인트 분배·배열을 최적화해 신호 전송용 신호대잡음비 요구 사항을 줄이는 기술이다. QAM(Quadrature Amplitude Modulation)은 광신호의 진폭과 위상에서 정보를 운반하는 변조 방식으로 144QAM은 144개의 신호 포인트를 보유하고 있다. PCS 기술을 QAM 시스템에 적용하면 신호 품질을 전송 경로 조건에 맞춰 최적화할 수 있다.
[6] 광파형을 1초 안에 스위칭하는 횟수를 말한다. 176GBd 광신호는 광파형을 초당 1760억회 스위칭해 정보를 전송한다.
[7] CMOS(Complementary metal oxide semiconductor)는 반도체 집적 회로를 실현하는 구조로서 CPU와 같은 대규모 기능을 구현하는 데 사용된다. 이런 유형의 회로는 신호의 양이 크기 때문에 보통 대용량 광전송의 송수신용으로 사용된다. 소형화로 속도가 빨라지고는 있지만 화합물 반도체가 속도 측면에서 우위에 있다.
[8] NTT 보도자료: "세계 최초로 주파수당 1Tbit/s의 장거리 전송용 주파수 다중화 광전송 실험 성공: 사물 인터넷(IoT) 및 5G 서비스의 확산 뒷받침하는 미래형 대용량 통신 네트워크 기술(World‘s First Successful Wavelength Multiplexing Optical Transmission Experiment for Long-distance Transmission of 1 Tbit/s per Wavelength: A Future Large-Capacity Communication Network Technology Supporting the Spread of IoT and 5G Services)’ 참고.
https://group.ntt/en/newsrelease/2019/03/07/190307a.html
[9] 인화 인듐(InP)을 활용한 III-V급 반도체 ‘이종접합 양극성 트랜지스터’는 속도와 내전압이 탁월한 트랜지스터다.
[10] NTT 보도자료: ‘세계 최초로 광파라메트릭 증폭기를 사용한 광대역 광증폭 중계 전송 성공: 기존 광증폭기보다 용량 2배 이상 확대 가능(World’s First Success in Broadband Optical Amplification Relay Transmission Using Optical Parametric Amplifier: Capable of More than Twice the Capacity of Conventional Optical Amplifiers)' 참고.
https://group.ntt/jp/newsrelease/2021/01/28/210128b.html
NTT Ltd. 개요
NTT는 기술을 적용하는 비즈니스를 통해 사회 문제를 영구적으로 해결한다고 믿는다. NTT의 혁신 정신은 150년 넘게 기업 문화로 계승되고 있으며 더욱 자연스럽게 연결되고 지속 가능한 세상을 가능하게 하는 돌파구를 만들었다. NTT의 연구개발팀은 NTT가 운영하는 회사 및 파트너사와 통찰, 혁신 및 지식을 공유해 새로운 아이디어와 솔루션에 영감을 준다. 전 세계 NTT 연구소는 인공 지능, 광네트워크, 이론 양자 물리학, 암호학, 건강 및 의료 정보학, 스마트 데이터 플랫폼 및 디지털 트윈 컴퓨팅에 집중하고 있다. 세계 5대 글로벌 기술 및 비즈니스 솔루션 공급업체로 다양한 부서가 세계 190여개 국가와 지역에 서비스를 제공한다. NTT의 고객으로는 포천 선정 글로벌 100대 기업의 75% 이상을 비롯해 전 세계 수천여 고객사와 커뮤니티가 있다. 자세한 정보는 웹사이트(https://www.rd.ntt/e/)참조.
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