AI 시대를 향한 광 회선 시스템의 장기 진화

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TL;DR

AI와 cloud 사업자의 multi-rail 네트워크가 광섬유 쌍을 구축 첫날부터 가득 채우면서 Optical Line System은 C·L 대역 확장만으로는 부족한 장기 설계로 이동하고 있습니다. Super C와 Super L은 최대 11.6THz를 제공하고 Super L 증폭이 6THz 이상으로 넓어지면 총 스펙트럼이 12.1THz 이상이 될 수 있지만, O·E·S·U 대역은 색분산·손실·증폭기 비용·SRS tilt라는 제약을 안고 있습니다. HCF는 0.04dB/km의 낮은 손실과 약한 비선형성으로 높은 입력 광출력과 넓은 저손실 대역을 허용하며, 기존 ILA 간격에서 OSNR과 파장 용량을 높이거나 증폭기 사이트 수를 줄이는 경로를 엽니다. MCF는 다중 코어를 통해 병렬 경로를 늘리고 FST는 여러 1.6T coherent engine과 mux/demux·EDFA 기능을 한 카드에 통합하며, 스위칭은 wavelength 기반 ROADM에서 hybrid를 거쳐 fiber 기반 구조로 이동할 가능성이 있습니다. 다만 새 광섬유와 대역을 실제 네트워크에 적용하려면 고출력 OTDR, 전용 증폭기·커넥터·WSS, 코어 선택 스위칭 같은 OLS 생태계의 동반 변화가 필요합니다.

빠른 이해

새로운 점

C·L 대역 확장만이 아니라 HCF·MCF, FST, fiber switching을 연결해 AI 네트워크용 OLS의 장기 진화 경로를 제시합니다.

핵심 메커니즘

AI·cloud 트래픽의 대용량 요구를 입력으로 받아 OLS가 coherent 성능과 C·L 대역을 확장하고, HCF·MCF로 광섬유의 손실·비선형성·코어 수를 개선하며, FST와 hybrid fiber switching으로 전송·스위칭 기능을 통합하는 구조입니다. 결과적으로 더 넓은 스펙트럼과 높은 OSNR, 적은 ILA 사이트, 낮은 설치 복잡도와 전력 소비를 목표로 하지만, 대역별 손실·증폭기 비용·SRS tilt·새로운 연결 장비가 적용 조건을 결정합니다.

핵심 수치

Super C + Super L 가용 스펙트럼: 최대 11.6THz- 본문 기준 현재 C·L 대역 조합
Super L 확장 후 총 스펙트럼: 12.1THz 이상- Super L이 5.5THz에서 6THz 이상으로 확대되는 경우
HCF 최고 수준 손실: 0.04dB/km- 본문의 current state of the art
HCF 빛의 전달 속도: SMF 대비 약 50% 빠름- HCF 굴절률 약 1 기준
HCF 지연 시간: solid-core fiber 대비 약 30% 감소- 본문 기준 SMF와 비교
E-band 구형 SMF 손실: 약 2~3dB/km- 높은 water peak absorption을 가진 오래된 SMF에서 발생

섹션별 상세

C·L 대역을 넘어서는 확장

AI와 cloud 사업자가 사용하는 광 네트워크는 기존 C·L 대역만으로도 Super C와 Super L을 결합해 최대 11.6THz의 스펙트럼을 확보하지만, 증폭기 기술이 발전하면 Super L이 5.5THz에서 6THz 이상으로 넓어져 전체 용량이 12.1THz 이상으로 늘어날 여지가 있습니다. 이미 설치된 single-mode fiber의 용량을 더 끌어올리기 위해 O·E·S·U 대역을 추가할 수 있지만, O 대역은 색분산이 거의 없어 XPM과 SPM을 억제하기 어렵고, O·E·U 대역은 C·L보다 손실이 큽니다. 특히 물 피크 흡수가 높은 구형 SMF에서는 E 대역 손실이 약 2~3dB/km에 이를 수 있으며, U 대역은 낮은 굽힘 허용도가 제약으로 작용합니다. 대역별 증폭에도 C·L의 erbium 대신 bismuth와 thulium이 필요해 비용은 높고 전력 변환 효율은 낮아지며, SRS tilt와 기존 OLS의 1510nm 광 감독 채널 및 1625nm OTDR 사용 때문에 실제로 함께 쓸 수 있는 대역 조합이 제한됩니다.

근거

Super C와 Super L을 결합한 C·L 대역은 최대 11.6THz를 제공하며, Super L이 6THz 이상으로 확장되면 총 용량이 12.1THz 이상이 될 수 있습니다. — 본문의 Beyond C and L 섹션에서 Super C·Super L 스펙트럼과 Super L 증폭기 확장 가능성을 설명한 문단
C·L 이외 대역은 bismuth와 thulium 증폭기가 필요하고, 이 증폭기는 erbium 기반 증폭기보다 비용이 높고 전력 변환 효율이 낮습니다. — 본문의 Beyond C and L 섹션에서 대역별 증폭기 소재와 효율을 비교한 문단

새 광섬유가 여는 전송 구조

Hollow-core fiber는 유리 코어 대신 공기 또는 기체가 든 빈 코어를 사용해 굴절률을 약 1로 낮추며, SMF보다 빛의 전달 속도를 약 50% 높이고 지연 시간을 약 30% 줄입니다. 현재 최고 수준의 손실은 0.04dB/km이고 비선형성이 매우 작아 더 높은 입력 광출력을 허용하므로, 입력과 출력 사이의 OSNR을 높이거나 인라인 증폭기 간격을 늘려 전체 ILA 사이트 수를 줄이는 경로가 열립니다. 기존의 60~80km ILA 간격을 유지하면 수신기 OSNR이 개선되어 파장당 용량과 스펙트럼 효율을 높일 수 있고, 넓은 저손실 스펙트럼과 SRS tilt 부재는 C·L 이외 대역의 운용도 단순하게 만듭니다. 다만 HCF의 낮은 후방산란을 보완하려면 더 높은 송신 출력 또는 동적 범위의 OTDR, 단일 광섬유 양방향 전송, 고출력 증폭과 O·E·S·U 대역용 WSS·증폭 기능이 OLS에 추가되어야 합니다.

근거

HCF의 현재 최고 수준 손실은 0.04dB/km이며, SMF보다 빛이 약 50% 빠르고 지연 시간이 약 30% 줄어듭니다. — 본문의 Support for new fiber types 섹션에서 HCF의 굴절률·속도·지연·손실을 설명한 문단
HCF는 낮은 비선형성으로 높은 입력 광출력을 허용해 ILA 간격을 늘리거나 수신 OSNR과 파장 용량을 높일 수 있습니다. — HCF의 launch power, ILA spacing, OSNR, spectral efficiency를 설명한 연속 문단

다중 코어 광섬유의 적용 조건

Multi-core fiber는 한 가닥의 광섬유에 보통 두 개에서 네 개의 비결합 코어를 넣어 물리적 전송 경로를 병렬화하는 방식입니다. OLS가 MCF를 직접 활용하려면 기존 단일 코어용 연결부를 native MCF connector로 바꾸고, shared cladding 또는 cladding-pumped 방식의 효율적인 다중 코어 증폭기를 마련해야 합니다. 이후 core selective switching을 사용해 특정 코어만 선택적으로 연결하면 광 신호의 경로와 용량을 코어 단위로 조정할 수 있습니다. 따라서 MCF는 단순히 광섬유만 교체하는 업그레이드가 아니라 연결·증폭·스위칭 장비 전체의 구조 변경을 요구하는 장기 진화 경로입니다.

전체 스펙트럼 트랜스폰더 통합

대형 AI와 cloud 사업자가 multi-rail line system을 도입하면서 각 광섬유 쌍이 구축 첫날부터 모두 채워지는 수준의 용량 수요가 발생하고 있으며, 이에 따라 여러 coherent engine을 한 카드에 넣은 full-spectrum transponder가 부상하고 있습니다. FST는 예를 들어 300GHz 간격의 1.6T 엔진 16개로 하나의 대역을 채우거나 32개로 전체 광섬유를 구성하며, co-packaged optics와 client·line DSP 통합, 양면 pluggable·media converter, 대규모 photonic integrated circuit, comb laser를 함께 활용할 수 있습니다. 이런 통합은 설치 절차를 단순화하고 비용·전력·장비 공간을 줄이는 방향으로 작동하며, mux/demux와 EDFA 같은 line system 기능까지 트랜스폰더에 넣으면 터미널 사이트의 OLS 구성이 더 간결해집니다. 핵심 변화는 개별 파장을 하나씩 배치하는 방식에서 광대역 또는 전체 광섬유를 하나의 집적 카드로 채우는 방식으로 운영 단위를 바꾸는 데 있습니다.

근거

FST는 300GHz 간격의 1.6T coherent engine 16개로 대역을, 32개로 전체 광섬유를 채우는 구성을 지원합니다. — 본문의 Full-spectrum transponders with integrated OLS functions 섹션에 있는 16 x 300GHz 1.6T 및 32 x 300GHz 1.6T 예시

파장에서 광섬유 중심 스위칭으로

multi-rail과 FST가 확산되면 네트워크 스위칭도 wavelength selective switch를 사용하는 wavelength 기반 ROADM에서 optical circuit switch를 활용하는 fiber 기반 구조로 이동할 가능성이 있습니다. 용량이 큰 core network에서는 먼저 wavelength switching과 fiber switching을 함께 쓰는 hybrid 구조가 전환 단계로 기능하며, 파장만 전환하는 방식보다 확장성·Capex·전력 소비 측면의 이점을 확보할 수 있습니다. 장기적으로는 파장 단위의 세밀한 제어보다 광섬유 단위의 대규모 연결 재구성이 중요해지므로, 트래픽 규모가 큰 AI·cloud 네트워크에서 운영 복잡도와 장비 전력의 균형을 맞추는 구조가 됩니다. Nokia는 이러한 흐름에 맞춰 C·L 대역 확장, HCF·MCF 최적화, line system 기능을 통합한 FST, hybrid 및 fiber-only switching으로 OLS 포트폴리오를 진화시키려는 방향을 밝힙니다.

용어 해설

광 회선 시스템(Optical Line System): — 광 회선 시스템은 여러 파장의 광 신호를 하나의 광섬유로 다중화하고 증폭·분기·전환하는 전송 인프라입니다. 송신기에서 만든 신호를 mux로 합치고, 광 증폭기와 WSS·ROADM을 거쳐 수신기까지 전달하며, AI 데이터센터처럼 대역폭과 전력 효율이 중요한 네트워크의 용량을 좌우합니다.
유도 라만 산란(Stimulated Raman Scattering): — 유도 라만 산란은 광섬유 안에서 한 파장대의 광 에너지가 다른 파장대로 이동하는 비선형 현상입니다. 이 과정에서 파장별 광 세기가 기울어지는 SRS tilt가 발생하며, 여러 주파수 대역을 동시에 사용할 때 전체 가용 스펙트럼과 대역 조합을 제한할 수 있습니다.
중공 코어 광섬유(Hollow-Core Fiber): — 중공 코어 광섬유는 유리 대신 공기나 기체로 채운 빈 코어를 통해 빛을 전달하는 광섬유입니다. 굴절률이 약 1이어서 기존 SMF보다 빛이 약 50% 빠르게 이동하고 지연 시간이 약 30% 줄어들며, 낮은 손실과 약한 비선형성으로 고출력·광대역 전송을 지원할 여지가 있습니다.
다중 코어 광섬유(Multi-Core Fiber): — 다중 코어 광섬유는 하나의 광섬유 안에 두 개에서 네 개의 독립적인 코어를 배치해 병렬 전송 경로를 늘리는 구조입니다. 이를 활용하려면 기존 OLS에 전용 커넥터, 공유 클래딩 또는 클래딩 펌프 방식의 증폭기, 코어 선택 스위칭이 필요하며, 코어 단위 용량 확장이 핵심 이점입니다.
전체 스펙트럼 트랜스폰더(Full-Spectrum Transponder): — 전체 스펙트럼 트랜스폰더는 여러 coherent engine을 하나의 트랜스폰더 카드에 통합해 특정 대역 전체 또는 한 광섬유를 한 번에 채우는 장비입니다. 예시로 300GHz 간격의 1.6T 엔진 16개로 대역을, 32개로 전체 광섬유를 구성하며, mux/demux와 EDFA까지 통합하면 터미널 사이트의 장비 수와 설치 복잡도를 낮출 수 있습니다.

기술

Optical Line System (OLS)
Super C
Super L
single-mode fiber (SMF)
hollow-core fiber (HCF)
multi-core fiber (MCF)
full-spectrum transponder (FST)
WSS
ROADM
optical circuit switch
EDFA
OTDR
stimulated Raman scattering (SRS)
XPM
SPM

언급된 리소스

문서원문 링크