윤지욱* 이성은** 전경규*** 김광준**** 이종현*****

현재 파장분할 다중화 기술(WDM: Wavelength Division Multiplexing)과 광 증폭기를 이용한 광 전송시스템에 대한 관심과 기술적 발전은 꾸준히 증가하고 있는 실정이다. 광 분기결합 다중화기(OADM: Optical Add-Drop Multiplexer)의 사용과 라우팅 기술의 발전 그리고 전송 용량이 증가함에 따라서 WDM광 전송시스템을 운용할 경우 신호품질을 보장해주기 위해서는 채널별 파장에 대한 광 성능감시가 필요하게 되었으며 이에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 따라서 본 고에서는 현재 세계적으로 다양하게 연구되고 있는 광 성능감시 방법에 대한 최근의 연구동향을 분석하였으며, 현재 상용화 단계에 와있는 광 성능감시 제품들에 대한 특성을 조사하였다. ▒

I. 서 론

광 네트워크 혹은 전송시스템을 설치하고 운영할 경우, 시스템내의 주요 지점에서 발생하는 문제들을 감시하고 문제 발생시 이를 유지 보수해 주는 체계가 필요하다. WDM광 전송시스템의 OAM(Operation Administration & Maintenance)과 관련된 대부분의 개념은 기존에 잘 개발된 SDH 전송 시스템에서 도입된 것으로 WDM전송망에서도 적용이 가능하다. 그러나 채널별 광 성능감시의 경우에 있어서는 광의 투명성을 유지하여야 하기 때문에 기존의 SDH 전송망의 감시 방법을 적용할 수 없다. 따라서 광신호의 성능감시를 위해서는 WDM신호의 채널별 파워와 파장 그리고 광 신호대 잡음비(OSNR: Optical Signal-to-Noise Ratio)와 같은 새로운 성능감시 항목이 요구되고 있다[1-2]. 현재 대부분의 상용 시스템들은 감시제어 및 OAM 관련 기술은 ITU-T의 권고안[3-6]에 따라 구현하고 있으나 채널별 광 성능감시에 있어서는 개발사 마다 다른 기술을 적용하고 있으며 다양한 방법들이 연구 중에 있다.

II. 최근의 연구사례 분석

WDM 광 전송시스템에서 광신호의 채널별 파장과 파워 그리고 OSNR을 동시에 측정하는 것은 광 소자들의 특성상 기술적으로 매우 어렵다. 따라서 최근의 연구결과를 보면 회절격자(diffraction grating)와 array detector를 사용하는 경우 외에는 시스템내의 적용범위에 따라서 크게 채널별 파장을 측정하는 방법과 채널별 OSNR을 측정하는 방법으로 나누어져 연구되어지고 있다. 채널별 파워는 두 경우 모두에 있어서 측정 가능하다. 현재 세계적으로 연구되고 있는 WDM 광 전송시스템의 광 성능감시 방법별 특성은 <표 1>과 같으며 크게 배열 도파로 격자(AWG)[7-13]와 광섬유 브래그 격자(Fiber Bragg Grating)[15-18]를 이용하는 방법과 음향광학 파장 가변형 필터(AOTF: Acousto-Optic Tunable Filter)[14] 그리고 회절격자[19]를 이용하는 방법 등이 있다.

1. 연구사례별 분석

현재 세계적으로 연구되고있는 WDM 광 전송시스템의 채널별 성능감시의 기술별 특성 분석은 다음과 같다.

가. Semiconductor AWG filter integrated with photodiode

NTT의 Suzuki에 의해서 제안된 방법으로 WDM신호의 채널별 파워와 OSNR을 측정할 수 있으며 전체적인 구성은 (그림 1 (a))와 같다[7]. 본 방법에서는 PD와 함께 집적화된 AWG를 이용하여 광 선로 증폭기에서 증폭된 200 GHz 의 채널간격을 가지는 8채널 WDM신호의 채널별 파워와 OSNR을 측정하였다. 광 성능감시 모듈로 입력된 WDM신호는 AWG 필터에 의해서 개별적인 광 신호들로 나누어진 후 각 출력포트에 붙어있는 PD와 트랜스 임피던스 증폭기를 통해 voltmeter로 검출되어진다. 채널별 파워와 ASE값은 AWG의 각 출력포트별 파워를 측정함으로써 구할 수 있으며 이를 (그림 1 (b))와 식 1에 나타내었다. (그림 1 (b))에서 알 수 있듯이 AWG의 전달특성이 WDM신호의 채널간격의 1/2의 채널간격을 가질 경우(channel spacing of AWG = 1/2 channel spacing of optical signal) AWG의 홀수번째 출력포트에는 ASE파워만 검출되고 짝수번째 출력포트에는 ASE파워와 WDM신호의 채널별 파워가 같이 검출된다. 따라서 2i번째 포트의 OSNR(파장 λi의 OSNR)은 식 1과 같이 나타낼 수 있으며 2i-1번째 출력포트의 전압(V2i-1ASE)과 2i+1번째 출력포트의 전압(V2i+1ASE ) 그리고 2i번째 출력포트의 전압(Vλi)을 각각 측정한 후 식 1을 이용하여 WDM신호의 채널별 파워와 OSNR을 측정할 수 있다.

나. Semiconductor AWG filter monolithically integrated with photodiode

이 방법은 NTT의 Suzuki에 의해서 제안된 방법으로 기존의 AWG를 이용하여 채널별 OSNR을 측정할 경우 N개의 채널로 구성된 WDM신호에 대해서 2N개의 출력포트를 가지는 AWG가 필요하다는 단점을 보완한 것이다[8]. 실험구성과 측정결과는 (그림 2)에 나타내었다. 본 실험에서 광 성능감시 모듈은 (그림 2 (a))에서와 같이 광 선로 증폭기내에 집적화 되어있다. 200GHz의 채널간격을 가지는 7채널 WDM신호 중 채널1에 대한 OSNR측정결과는 그림 2(b)와 같다. (그림 2 (C))에서 m번째 출력포트는 여분의 출력포트로 본 실험에서는 N개의 채널로 구성된 WDM신호의 채널별 OSNR을 측정하기 위해서 N+1개의 출력포트를 가지는 AWG를 사용하였다. 광 선로 증폭기에 WDM신호가 입력되지 않은 초기상태에서 각 출력포트별 ASE파워를 측정하여 메모리에 저장한 후 WDM신호가 입력될 경우 각 출력포트에서의 출력파워를 측정한다. 이때 m번째 출력포트에서는 ASE파워만이 검출되고 나머지 출력포트에서는 각 채널별 파워와 ASE파워가 함께 측정되어진다. 따라서 미리 저장해 놓은 초기의 ASE파워 값과 식 2를 이용하여 채널별 OSNR을 측정할 수 있다. 식 2에서 Pi,N과 Pm,N은 각각 λi와 λm에 대한 초기상태에서 측정된 ASE파워를 나타내며, Vi,N과 Vm,N은 WDM신호가 인가된 경우에 측정된 ASE파워를 그리고 λi는 AWG의 전달특성에 의해서 결정되는 보정 값(~0.013 for 0.1nm resolution) 이다.

다. AOTF built into EDFA repeaters

NEC의 Asahi가 제안한 방법으로 넓은 파장 대역폭( >110nm)을 가지는 AOTF를 이용하여 WDM신호의 채널별 OSNR과 채널 수를 측정하였다[14]. 실험구성과 측정결과는 (그림 3)과 같다. (그림 3 (a))에 나타나있는 PD의 출력파형은 샘플링 검출기(sampling detector)로 측정한 파형을 보여주고 있다. 여기서 위쪽 레벨(S+N)은 신호파워와 ASE파워가 합쳐진 총 파워를 나타내고 각각의 골의 깊이(depth of each dip)는 각 채널신호의 파워를 나타낸다. 따라서 샘플링 검출기로 측정된 각 채널신호의 총 파워(PS+N)와 ASE파워( Pλi-bar)값을 식3에 대입하여 채널별 OSNR을 측정할 수 있다.

라. Wavelength crossover properties of AWG

(그림 4)는 NTT의 Koga가 제안한 방법으로 AWG의 투과특성상의 파장 교차특성을 이용하여 WDM신호의 채널별 파장을 측정하는 방법이다[10]. 실험구성과 측정결과는 (그림 4)와 같다. AWG의 인접한 두 출력포트의 전달특성은 (그림 4 (a))와 같이 파장 교차특성(wavelength crossover properties)을 가진다. 따라서 WDM신호의 채널파장이 AWG의 서로 인접한 두 출력포트의 교차점 파장에 위치할 경우 인접한 두 출력포트의 출력파워의 차(differential output) 또는 비(ratio output)를 계산하여 입력 신호의 채널별 파장을 측정할 수 있다. 이때 중요한 것은 AWG의 투과특성상의 교차점 파장을 정확하게 제어하는 것으로 온도제어만 할 경우 교차점 파장의 드리프트(drift) 때문에 정확한 파장을 측정할 수 없다. 따라서 여기서는 교차점 파장을 제어하기 위해서 별도의 기준광원을 사용하여 교차점 파장(1,547.5nm)을 기준 광원의 파장(1,547.49nm)으로 잠금(lock)을 하였다. (그림4 (b))는 제안된 방법으로 제어된 두개의 DBR레이저의 파장 안정도를 보여준다.

마. Concatenated fiber grating optical monitor

이 방법은 Lucent의 Giles가 제안한 것으로 일렬로 연결된 FBG를 이용하여 WDM 신호의 채널별 파워와 파장을 측정할 수 있으며 FBG수를 증가시킴으로써 채널별 OSNR의 측정 또한 가능한 구조이다[15]. 전체적인 구조와 실험결과는 (그림 5)와 같다. 입력 WDM신호는 샘플평균을 얻기 위해서 편광독립변조기(polarization-independent modulator)에 의해서 낮은 듀티 사이클(duty cycle)로 변조되어지며, 변조기로부터의 출력은 광 순환기(optical circulator)를 통해서 일렬로 연결된 FBG로 입력된다. FBG는 일정한 간격을 가지고 배치되어 있기 때문에 각각의 FBG로부터 반사된 WDM신호들은 시간적으로 분리되게 된다. 따라서 일정한 시간차를 가지고 출력되는 채널 신호들을 광 검출기를 이용하여 검출함으로써 채널별 파워와 입력 채널 수를 측정할 수 있다. 채널별 파장을 측정하기 위해서는 FBG controller를 이용하여 FBG의 Bragg파장을 조정해 주어야 하며(그림 6(b)), 채널별 OSNR을 측정하기 위해서는 FBG의 수를 증가시켜야 한다(그림6(c)). (그림 6)은 각 기능을 수행하기 위해서 요구되는 FBG의 필터특성을 나타낸 것이다.

바. Blazed fiber Bragg grating and detector array

(그림 7)은 Lucent의 Wagener가 제안한 구조로 Blazed and chirped FBG를 사용하여 WDM신호의 채널별 파워와 파장을 측정하였다[18]. 입사한 WDM신호는 Blazed and chirped FBG에 의해서 파장에 따라 각기 다른 각도로 산란된다. 이때 WDM신호의 채널별 파장과 산란각과의 관계는 식 4의 Bragg condition에 따라 결정되어진다. 본 방법에서는 FBG에 의해서 산란된 WDM채널 신호들이 광섬유에서 자유공간으로 전파될 때 클래딩 모드와 재 결합되는 것을 방지하기 위해서 굴절률 정합 프리즘(index matching prism)을 사용하였다. 이 경우 산란된 빛은 식5의 선폭을 가지게 되며, FBG의 chirped된 정도와 WDM신호의 파장에 따라서 식6의 초점거리를 가지고 광 검출기에 모아지게 된다. 입력 WDM신호가 각각 200GHz와 100GHz 그리고 50GHz의 채널간격을 가질 때 서로 인접한 두 채널신호에 대한 실험결과는 (그림 7 (b))와 같다.

[Λ: unblazed grating periodicity, θ: propagation direction, θblaze: blaze angle, Chirp: grating period change per unit length (nm/cm) ]

사. Diffraction grating and PD array

이 방법은 Fujitsu 의 Otsuka가 제안한 것으로 회절격자와 PD array를 이용하여 WDM신호의 채널별 파워와 파장 그리고 OSNR을 측정하는 방법으로 구성은 (그림 8)과 같다[19]. 본 방법에서는 회절격자의 편광의존성을 줄이기 위해서 편광 보상판(polarization compensation plate)을 사용하였다. 편광 보상판에 의해서 두개의 선편광된 빔으로 나누어진 입력광은 입력 빔에 대해서 ±45도의 각을 가지는 회절격자에 의해서 회절된 후 PD array에 모아지게 된다. 200 GHz의 채널간격을 가지는 8채널 WDM신호에 대한 실험결과는 (그림 8 (b))와 같다. 제안된 WDM신호의 광 성능감시 방법은 PD array의 픽셀간격(pixel interval)과 회절격자의 초점거리에 의해서 파장 분해능이 결정된다. 따라서 회절격자의 초점거리와 PD array의 픽셀간격을 조절함으로써 파장 분해능을 향상시킬 수 있다.

III. 상용화 제품의 성능분석

앞에서 살펴본 연구사례에서 알 수 있듯이 WDM광 전송시스템의 채널별 광 성능감시를 수행하기위한 다양한 방법들 중 WDM신호의 채널별 파워와 파장 그리고 OSNR을 실시간으로 동시에 측정할 수 있는 방법은 회절격자와 array detector를 사용하는 방법이다. 따라서 현재 상용화 단계에 와있는 광 성능감시 제품들은 주로 회절격자와 array detector를 이용하는 방법을 채택하고 있으며 이 외에도 가변필터(tunable filter)를 이용하여 WDM신호의 파장영역을 scan하는 방식을 사용하고 있다. 각 회사별 광 성능감시 제품의 구성상 특징은 <표 2>와 같다.

1. 제품별 특성 분석

현재 상용화 단계에 와있는 WDM 광 전송시스템의 채널별 성능감시 제품별 특성 분석은 다음과 같다.

가. diffraction and array detector를 이용한 광 성능감시

회절격자와 array detector를 이용한 제품은 array detector의 종류에 따라서 크게 JDS Uniphase사 제품과 Ocean Optics사 제품이 있다. 각 제품별 특성은 <표 3>과 <표 4>에 나타내었다. JDS Uniphase사의 제품의 경우 array detector로써 256 PD array를 사용하여 WDM신호의 채널별 파워와 파장을 그리고 OSNR을 동시에 측정한다. Ocean Optics 제품의 경우에는 PD array대신 CCD(Charge-Coupled Device)를 이용하여 NIR영역에서 광 신호의 스펙트럼을 측정하는 구조로 되어있다. 그러나 두 경우 모두 회절격자의 초점거리와 array detector의 분해능의 제약 때문에 DWDM(100 or 50GHz 채널간격)광 전송시스템의 경우 정확한 채널별 OSNR의 측정이 어렵다.

나. Fiber Fabry-Perot tunable filter를 이용한 광 성능감시

Fiber Fabry-Perot tunable filter(FFP tunable filter)를 이용하여 WDM신호의 채널별 광 성능감시를 수행하는 제품은 Micron Optics와 E-tek에 의해서 개발되었다. WDM신호의 채널별 파워와 파장 그리고 OSNR을 측정할 수 있으며 제품별 특성은 <표 5>와 <표 6>에 나타내었다. FFP tunable filter를 이용하는 방법은 회절격자와 array detector를 이용하는 방법에 비해서 높은 분해능을 가진다. 따라서 DWDM(100 or 50GHz 채널간격)광 전송시스템의 경우에 있어서도 채널별 OSNR을 정확하게 측정할 수 있다. 그러나 scanning구조로 되어있기 때문에 시스템에 실장 될 경우 장 시간에 걸친 신뢰성 보장에 대한 단점을 가진다.

IV. 결론

현재 WDM광 전송시스템의 채널별 광 성능감시를 수행하기 위해서 다양한 방법들이 연구되고 있으며, 여러 제품들이 상용화 단계에 와있는 상태이다. 현재까지의 연구동향을 살펴보면 현 상태에서는 새로운 기술의 개발보다는 기 연구된 기술들을 실용 제품에 적용하려는 다양한 시도가 일고 있으며, 이러한 추세는 앞으로도 계속 이어질 것으로 예상된다. 특히 회절격자와 array detector를 이용한 방법과 가변필터를 이용한 방법이 주류를 이룰 것으로 예상되며 이중 회절 격자와 array detector를 이용한 방법에 있어서 기술적 진보가 빠르게 일어날 것으로 기대된다. 또한 array detector의 경우에는 기존의 PD array 와 더불어 CCD의 다양한 적용이 예상된다.

<참 고 문 헌>