[스크랩] 광통신의 역사

 광통신의 역사

 

광을 통신에 응용하는 것은 전기통신의 개발 초기인 1880년에 Graham Bell이 태양 빛을 이용한 광전화기(photophone)를 개발하는 등 활발하게 이루어졌으며, 레이저의 개발 이후로 광통신에 관한 연구는 본격적으로 이루어지게 되었다. 레이저를 이용한 초창기의 광통신계는 송·수신기간에 임의의 직선경로를 설정하여 대기 중으로 광을 발사하는 비유도형(non waveguided) 광통신계였다.

[그림 1-3-1] Bell, Alexander Graham

 

비유도형 광통신은 맑은 날씨에 광의 전파가 용이하며, 송수신기간에 직선경로가 설정되어야 가능하였다. 특히, 레이저를 대기 중에 발사함으로써 인체에 많은 영향을 미치게 되어 실험적인 단계에 머물렀다. 따라서, 광통신을 구현하는 데 있어서 광을 유도할 수 있는 전송로의 개발이 시급한 과제로 등장하게 되었다.

광 전송로는 렌즈나 거울을 이용한 광 렌즈 가이드(optical lens guide) 방식과 광섬유로 대표되는 유도체 도파로(waveguide)를 사용한 방식이 집중적으로 연구되었다. 파이프 등의 폐 공간에 렌즈나 거울을 설치하여 광을 전송하는 광 렌즈 가이드방식은 렌즈 혹은 거울의 위치나 각도의 안정제어가 매우 어려워 실용화되질 못하였다. 유리를 이용한 광의 전송은 1951년에 처음으로 이루어졌지만, 광의 전송손실이 1,000[㏈/㎞]로 통신용으로는 적합하지 못하였다. 1966년에 IEEE에서 발표된 논문에 의해서 통신용의 광섬유에 관한 본격적인 연구가 시작되었다.

최초로 공간 전송에 의한 광통신의 연구 개발이 진행되어 1970년에 NTT에 실험회선이 설치되어 수년간에 걸쳐 전송 실험을 행하였다. 그 결과 우천시 0.5[㎞] 정도의 전송거리로 제약되는 것이 밝혀졌다. 다음에 광렌즈 유도(optical lens guide) 방식이 연구되었다. 이 방식에서는 지면 또는 지중의 트랩(trap), 파이프(pipe)에 100[m] 간격으로 렌즈를 설치하여 50[㎞] 정도의 전송이 가능하였다.

그러나 렌즈의 위치, 각도를 온도 변화 등에 대하여 정확하게 제어하기가 곤란하여 실용화하지는 못했다. 당시 광섬유에는 이미 카메라 등에 사용되고 있었으나 전송 손실이 1000[㏈/㎞]이상이고 광통신에 사용하기에는 요원하였다.

 

[그림 1-3-2] 광통신의 변천

 

2. 광통신의 발달사

 

1960년에 Fuse Aircraft(미국)의 Maiman이 루비 레이저(Laser)를 발명하고 주파수와 위상이 일치한 코히런트(coherent) 광이 나옴으로써 광통신에 대한 기대가 급속하게 고조되었다.

 

가. 광섬유

 

1966년에 STL 연구소(영국)의 K.C.Kao가 광섬유 전송의 장래성에 대하여 역사적 논문을 발표하였다. 이 논문의 자극으로 각국에서 저 손실 광섬유의 연구가 시작되었다.

1968년 일본에서 다성분 유리(glass)를 이용한 언덕굴절(GI, graded index)형 광섬유가 개발되었다. 당시의 전송 손실은 200[㏈/㎞]이였으나 그후 10[㏈/㎞]이하의 저손실화에 성공했다.

1970년에 미국의 코닝 Glass 3명의 연구자 Maurer, Kapron, Keck이 20[㏈/㎞]라고 하는 저손실 광섬유의 제작에 성공하였다. 한편 동년 Bell 연구소(미국)는 반도체 레이저의 실온 연속발진을 실현했다. 이 광섬유의 저 손실 파장영역, 반도체 레이저의 발광파장 영역과 APD의 수광파장 영역이 모두 0.85[㎛]영역이라고 하는 우연의 일치가 광섬유 통신의 실용화를 급속하게 진전시켰다.

그 후 광섬유의 저손실화가 집중적으로 추진되어 NTT를 중심으로 광섬유의 수분을 철저하게 제거하는 연구가 진행된 결과 1976년 파장 1.3[㎛]에서 0.47[㏈/㎞], 1979년 파장 1.55[㎛]에서 0.2[㏈/㎞]라고 하는 이론 한계에 가까운 광섬유를 실현했다.

 

나. 레이저

 

반도체 레이저에 있어서는 긴 수명의 연구가 중점적으로 진행되어 1977년에 Bell연구소와 NTT에서 실온에서의 추정수명이 100년을 초과하는 실용적인 반도체 Laser의 개발에 성공했다.

한편 장파장에서의 광섬유의 저손실화에 호응하여 1976년에 1.3[㎛]대 반도체 레이저(MIT, KDD, 동경공대, NTT) 1979년에 1.55[㎛]대 반도체 레이저(KDD, NTT, AT&T)의 실온 연속 발진에 성공했다.

영국 STL 연구소의 Charges Kao와 George Hoc㎞an은 광섬유 전송손실의 주요원인으로 유리중의 불순물로 보고, 이를 제거할 경우 20[㏈/㎞] 정도의 저 손실화가 가능한 것으로 예측하였다. 하지만, Kao와 Hoc㎞an의 논문은 당시에 크게 빛을 보지 못하다가 1970년에 이르러 미국 Corning Glass사에 의해 전송손실 20[㏈/㎞]라는 당시로서는 놀라운 저 손실 광섬유의 실현을 보게되었다. 저 손실 광섬유의 개발에 힘입어 광통신의 실용화에 대한 연구가 본궤도에 접어들기 시작하였다.

저 손실 광섬유의 개발과 더불어 광통신의 급속한 발전을 가져온 것은 GaAlAs 반도체의 개발이었다.

1970년에 미국의 Bell연구소, 소련 그리고 일본의 NEC에서 잇달아 850[㎚] 파장의 광을 연속 발진하는 GaAlAs반도체를 개발하였다. 이 당시 개발된 광섬유의 최저 손실파장은 850[㎚]로 반도체 레이저를 이용한 광 통신망 구현의 가능성을 시사하게 되었다. 850[㎚] 파장 대는 현재에도 LAN 등 단거리 통신시스템에 이용되고 있다.

하지만, 공중망의 경우 경제성이 매우 중요한 요인이 되기 때문에 보다 저 손실의 광섬유 개발이 필수적이고, 결국 저 손실 광섬유의 실현을 기대할 수 있는 장파장대의 연구개발이 추진되었다. 고 순도의 원료를 이용하거나 제조 시에 유입되는 불순물을 제거할 수 있는 제조 기술들이 개발됨에 따라 장파장대에서 최저 손실의 광섬유가 실현되었고, 이와 함께 이 파장대역을 이용한 통신시스템의 연구개발이 추진되었다.

 

다. 광통신 시스템

 

1976년에 1,300[㎚]대 GaInAsP 반도체 레이저의 개발과 0.5[㏈/㎞]의 최저손실 광섬유의 개발이 이루어졌으며, 일본 전전공사와 미국 Bell연구소의 교환기간 시험을 거쳐 그 이듬해 Bell연구소에 의해 1.5[Mb/s](Mega bit per second)급과 45[Mb/s]급의 통신망 실험이 시카고에서 행해졌다.

1978년에 일본의 전전공사가 6[Mb/s]급, 32[Mb/s]급 그리고 100[Mb/s]급 통신망 실험이 동경에서 이루어졌다.

1980년에 1,550[㎚] 파장대의 광을 발진하는 GaInAsP 반도체 레이저의 개발이 이루어져 손실이 0.2[㏈/㎞]인 광섬유가 개발되었다.

그리고, 일본 전전공사(NTT의 전신)에 의해 400[Mb/s]급의 대용량 통신망의 현장시험이 동경에서 이루어졌다.

1988년 석영계 광섬유의 최저 손실 파장대인 1,550[㎚] 파장대의 반도체 레이저가 개발됨으로써 공중망에 광통신을 응용할 수 있게 되었다.

1989년엔 광전 IC(opto electronic IC, OEIC)와 광 결합 기술의 혁신적인 발전을 가져온 격자 표면발광 레이저(grating surface emitting laser)와 실리콘에서의 집적이 가능한 GaAl/AsGa 레이저 및 검파기가 David Sarnoff 연구소와 California Institute of Technology에서 개발되었다. 또한, 일본에선 NTT가 기존의 실리카 광섬유에 에르븀 이온(erbium ion)을 도핑한 에르븀 도프 광섬유 증폭기(EDFA, erbium doped fiber amplifier)를 이용하여 무 중계거리가 200[㎞]에 이르는 1.8[Gb/s] (Gigabit per second)급 광통신시스템의 실험에 성공하였다. 또한, 특기할만한 사항으로 Bell of Pennsylvania와 Helicon Television이 하나의 광섬유에 전화와 CATV 신호를 동시 전송하는데 성공하였다.

Bell연구소는 1990년에 SEED(self electro-optic effect device)와 수동 광소자를 이용하여 전광 디지털 신호처리에 대한 가능성을 입증하였으며, 일본의 Kohchi Cable Broadcast Network는 EDFA를 사용한 CATV망 실험을 실시하여, 6.7[㎞] 전송에 성공하였다.

1991년에 Bell연구소에서 NRZ(non return to zero) 신호를 이용하여 무 중계거리가 9,000[㎞]에 달하는 5[Gb/s]급의 광 해저케이블 시스템을 실험하였다. 특히, 이 실험에서 비트 오류율(BER, bit error ratio)은 9,000[㎞]당 10^-9으로 무 중계의 광 해저케이블의 실현 가능성을 시사하였다. 그리고 NTT와 Rutgers 대학이 공동으로 1,300[㎚] 파장 대에서 신호이득이 30[㏈m]인 광증폭기의 개발에 성공하였다. 이 광증폭기는 희토류 원소인 Pr(praseodymium)을 사용하였다.

1992년 미국의 Cornell 대학에서 28[㎓]에 이르는 고속 양자우물(quantum well) 레이저가 발표되었다. 520[㎞]의 광 솔리톤 전송실험이 NTT에 의해 성공적으로 일단락이 되었는데 실험에 의하면 100만[㎞]이상 전송하는 경우에도 신호왜곡은 거의 나타나지 않는 것으로 분석되었다. AT&T는 파장분할 다중화(WDM, wavelength division multiplexing)방식과 EDFA를 사용하여 6.8[Gb/s]급의 대용량 광통신망 실험에 성공하였다.

1993년 북미와 일본을 연결하는 1.2[Gb/s]급 해저 광케이블을 이용한 140[Mb/s] HDTV 신호전송이 성공적으로 이루어짐으로써 광케이블을 통한 HDTV 신호전송에 새장을 열게 되었다. Bell 연구소는 10[Gb/s]급 광 솔리톤을 20,000[㎞]이상 전송하는데 성공하였으며, 프랑스의 Alcatel CIT에 의해 무중계 거리가 200[㎞]인 1,480[㎚] 파장대의 EDFA가 개발되었다.

이상 기술한 광통신의 연구 개발의 경위는 <표 1-3-1>과 같다.

 

<표 1-3-1> 광통신 방식에 의한 연구년표

년도	광원, 광섬유, 시스템
1960	고체(루비) 레이저 개발(Hugh사)
1961	HeNe 레이저 개발(Bell)
1962	GaAs 반도체 레이저 개발(GE, IBM, MIT)
1964	graded index형 광섬유 제안
1965	공간전송 방식의 연구개시
1966	유리 광섬유에 의한 전송 가능성 발표
1970	GaAlAs 반도체 레이저 개발(0.85[㎛]대), 저손실 광섬유 개발(Corning사) 광섬유 전송방식의 연구 본격화
1972	GaAlAsSb 반도체 레이저 개발(전전공사)
1975	저손실 광섬유 제조법(CVD법)개발(1㏈/㎞)
1976	GaInAsP 반도체 레이저 개발(1.3[㎛]대), 저손실 광섬유개발(0.5[㏈/㎞]) 소내시험 개시(전전공사, Bell 연구소)
1977	광섬유 제조법(VAD법)개발(전전공사), 현장시험(Bell연구소), (시카고에 1.5, 45[Mb/s])
1978	현장시험(전전공사),동경에 6, 32, 100[Mb/s]
1980	GaInAsP 반도체 레이저 개발, 0.2[㏈/㎞] 광섬유 개발, 대용량방식 현장시험(전전공사동경에 400[Mb/s])

 

년도	광원, 광섬유, 시스템
1981	InP 반도체 레이저 개발(1.5[㎛]대)
1982	해저방식 현장시험(전전공사, 이즈반도에 400[Mb/s])
1986	0.154[㏈/㎞] 광섬유 개발(1.55[㎛]) 마르세이유-코르시카간 광해저케이블 부설(280[Mb/s]급, 400[㎞])
1988	1.55[㎛] 양자우물 레이저 개발
1989	GaAl/AlGa 레이저 개발 G-P-T(괌-필리핀-대만), HAW-4 / TPC-3(캘리포니아-하와이-괌-찌꾸라) 280Mb/s×2 (4160[㎞]/9075[㎞]), 대서양 횡단 광케이블 부설(미국, 영국, 프랑스), 태평양 횡단 광케이블 부설(미국, 괌, 일본)
1990	H-J-K(홍콩-일본 찌꾸라-한국 제주)280Mb/s×1(4,587[㎞]), KTA 제주 성산포-전남 고흥 280[Mb/s]×3sys 144[㎞]
1992	TPC-4(캘리포니아-캐나다-찌꾸라 560Mb/s×2, ALOHA(하와이-캘리포니아)560[Mb/s]×2 솔리톤 전송실험(NTT, 무중계거리 520[㎞]) 6.8[Gb/s]급 현장실험(AT&T)
1993	APC(규슈, 미우라, 대만, 홍콩, 말레이지아, 싱가폴) 560[Mb/s]×2, HAW-5(캘리포니아-하와이)140[Mb/s]×8 140[Mb/s] HDTV 신호전송(미일간 1.2[Gb/s]), 울릉-호산 140[Mb/s]×1sys, 158[㎞] 한국도로공사 2.5[Gb/s] 동기식 광전송시스템으로 도로교통관리시스템 운용

출처 : FIBERGIGA

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