오늘날 인류는 데이터 속에 파묻혀 살아간다고 해도 과언이 아니다. 매일 아침 일어나서부터 잠자리에 들기까지 스마트폰, 태블릿 PC 등을 이용하여 끊임없이 정보를 탐닉하고 있고, 여가를 즐기는 시간에도 유튜브, 넷플릭스 등 사용자 주문형 비디오 서비스를 시청하고 있어 이전에 공중파 TV의 채널을 돌리던 모습과는 사뭇 달라졌다. 이렇게 우리는 의식하지 못한 사이에 엄청나게 많은 데이터를 소비하고 있다. 더욱이 2020년 초부터 불어닥친 코로나19의 대유행은 비대면 서비스의 증가를 일으켰고 이로 인해 데이터 소모량은 더욱 증가하였다. 이러한 사실은 통계를 통해 확인할 수 있는데 과학기술정보통신부 무선 데이터 트래픽 통계에 따르면 2020년 7월 기준 이동통신 가입자 1인당 월평균 트래픽은 10.12GB로 처음으로 10GB를 돌파했다. 특히 5G 가입자의 월평균 트래 픽은 26.86GB를 기록하였다. 일반인들이 잘 인지하지 못하는 사실은 이러한 대용량 무선 트래픽을 제공하기 위해서는 유선 광통신 인프라의 역할이 매우 중요하다는 점이다. 광통신이란 빛을 이용하여 광섬유를 통해 정보를 전달하는 것으로 많은 양의 정보를 빠른 속도로 보낼 때 사용된다. 우리가 많이 이용하는 동영상이나 검색 엔진을 위한 데이터는 데이터센터에 보관되어 있으며 필요할 때 이동통신용 기지국까지는 광섬유를 통해 신호가 전달된다. 즉 우리가 스마트 기기에서 무선으로 많은 정보를 취할 때 대부분의 데이터는 유선망을 통해 준비되고 있다는 사실이다. 세계 적인 통신업체인 CISCO에 따르면 2021년도에 전 세계적으로 오가는 데이터의 양이 3.3ZB(제타바이트)가 될 것으로 예상하는데 1ZB라고 하면 10억 TB에 이르는 엄청난 양이다. 그런데 데이터센터를 통해 이루어지는 통신은 이의 6배가 넘는 21.6ZB이고 이 중 71.5%는 데이터센터 내부에서 일어나는 통신이다. 실제로 밖에서 받아보는 것보다 훨씬 더 많은 데이터가 내부에서 오가는 것이다. 이러한 막대한 데이터는 앞으로 계속해서 생겨날 새로운 애플리케이션으로 끊임없이 늘어날 것으로 예상되는데 문제는 이 많은 데이터를 어떻게 막힘없이 주고받느냐 하는 것이다.
이러한 엄청난 양의 데이터의 보관 및 처리를 위해 구글, 아마존, 페이스북, MS 등은 축구장 2~3개를 합친 크기의 대면적 데이터센터(Hyper-scale Data Center)를 여러 곳에 구축하였고 또한 구축 중에 있다. 대면적 데이터센터 내부의 대용량 정보 전송을 위해 개발된 것이 바로 광송수신 엔진이다. 원래 광신호를 주고받기 위해서 광트랜시버라는 장치를 이용한다. 광트랜시버는 서버가 가지고 있는 전기신호 형태의 데이터를 광신호로 바꾸어 광섬유를 통해 전달하고 반대로 광신호로 전달된 데이터를 전기신호로 바꾸어 서버가 활용할 수 있도록 한다. 전기신호를 광신호로 변환하여 전달하는 이유는 변조속도가 증가할 수록 전기신호의 손실이 커져 신호 전송이 어려워지기 때문이다. 데이터센터 내부의 데이터 통신을 위해 현재 사용되는 광트랜시버는 10Gbps 또는 25Gbps 의 속도로 변조되는 채널을 4개씩 묶어 40Gbps 또는 100Gbps로 신호를 전달하며 라인카드 전면에 삽입형으로 장착된다. 하지만 처리해야 할 데이터 용량이 늘어남에 따라 채널당 속도 및 전체적인 전송용량의 증가가 필요하다. 데이터센터 내부의 신호 전달을 위해 전기신호를 교환하는 스위치 소자가 사용되는데 채널당 속도가 증가함에 따라 스위치 소자와 광트랜시버 사이의 전기신호선에서 발생하는 손실이 커져 원활한 데이터 전송이 어려워진다. 이를 극복하기 위해 광송 수신 장치를 스위치 소자에 근접하게 위치시킬 필요 성이 생겨 이를 위해 개발된 것이 광송수신 엔진이다. 그림 1에서 보듯이 광송수신 엔진은 스위치 소자 근처 보드 상에 부착되어 신호 손실을 최소화할 수 있다.
일반적으로 광트랜시버는 데이터를 광신호로 변환 하는 광송신기와 광신호를 전기신호로 전달하는 광수신기로 구성되어 있다. 이번에 개발된 광송수신 엔진은 소형화를 위해 이를 하나의 모듈에 집적하여 개발되었다. 광송신을 위한 핵심 소자는 변조기 집적 레이저(EML: Electro-absorption Modulated Laser)로 단일 파장을 내는 레이저와 이를 고속 변조하기 위한 변조기가 단일 집적된 소자로 고속 전송에 사용되며 400G 광송수신 엔진에 적용된 EML은 기존 광원 대비 속도가 4배 빨라진 100Gbps의 속도로 동작한다. 그림 2는 제작된 EML 칩 사진과 100Gbps 변조 특성을 나타내는 그림이다. 데이터 전송 용량 증가를 위해 기존 온-오프 방식에서 4레벨 변조 방식이 적용되었다. 이는 세계 최고 수준의 기술로 미국, 일본 등 일부 선진 기업에서만 확보하고 있는 기술이다.
400Gbps 광송수신 엔진 제작을 위해 파장이 다른 4종류의 EML이 개발되었고 이를 하나의 광섬유로 출력하기 위해 파장 다중화기와 결합되었다. 반대로 광수신기는 4개의 다른 파장의 신호 수신을 위해 파장 역다중화기와 광수신기가 결합되었다. 이러한 광송신기와 수신기는 하나의 모듈 안에 집적되어 400Gbps의 신호를 주고받을 수 있는 장치가 된다. 대면적 데이터센터용 400G 광송수신 엔진 및 광소자를 설계부터 제작 단계까지 모두 국내 기술력으로 이뤄낸 것이다. 현재 가정에 보급된 인터넷의 속도가 100Mbps에서 1Gbps인 점을 감안하며 그보다 400~4000배 빠르게 데이터를 주고받을 수 있는 광모듈로 Full HD 영화를 예로 들면, 5GB 정도 되는 Full HD 영화 10편을 1초에 내려 받을 수 있는 속도 이다. 특히 EML 광소자의 경우 5G 이동통신의 보급에 따라 전화국에서 기지국까지 신호 전달에 사용되는 25Gbps급 소자도 기술적 난이도로 인해 전량 일본에서 수입 중이나 현재 기술이전을 통해 국산화 작업이 진행 중이다.
이렇게 제작된 400Gbps 신호 전송용 광송수신 엔진은 어른 손가락 크기 하나 정도 되는, 약 3.5cm 크기의 엔진 하나로 10만 명이 실시간 고화질 유튜브 영상을 스트리밍 할 수준의 성능을 자랑한다. 전송속도가 기존 제품 대비 4배 빨라졌고 소형화를 통해 장착 밀도를 2배 높여 총 처리용량도 8배나 늘었다. 더욱이 개발된 광송수신 엔진은 기존처럼 광트랜시버에 내장해 사용도 가능하고, 통신 장비 라인카드 보드 상단에 부착하여 사용할 수도 있다. 그림 3은 제작된 광송수신 엔진과 이를 구동하기 위한 구동보드에 장착된 모습이다. 이와 같은 채널당 100Gbps 기반의 광송수신 엔진을 이용해 표준 규격과 맞추면서 400G급 속도를 구현한 것은 연구진이 세계 최초다. 향후 상용화 단계에 들어선다면, 광학 엔진은 라인카드 하나에 64개까지 장착될 수 있을 것으로 전망된다.
그림 4는 개발된 400G 광송수신 엔진의 동작 특성을 나타낸다. 그림 4-(a)는 4채널 모두 100Gbps의 속도로 동작 속도로 작동하고 있음을 보여주고 있으며, 그림 4-(b)는 각 채널별 데이터 송수신 특성을 보여 주는데 4채널 모두 표준(IEEE 802.3bs)에서 정의된 특성보다 2dB 가량 우수한 특성을 얻었다. 특히 그림 4-(c)는 10km 전송 후 특성을 나타낸 것으로 에러 없이 표준 규격을 준수하는 데이터 전송이 가능함을 나타낸다. 이는 당초 개발 목표인 2km 전송을 넘어서는 결과로 향후 대면적 데이터센터뿐 아니라 캠퍼스 타입의 분산형 데이터 센터에도 적용이 가능함을 의미한다. 이러한 결과는 SCI 저널을 통해 발표되었고 세계 최대의 광통신학회인 OFC에서 2년 연속 발표되어 세계적으로 우수성을 인정받았다.
4차 산업혁명이 가속화됨에 따라 인공지능, 가상 현실(VR), 증강현실(AR), 사물인터넷(IoT) 등 관련 서비스의 증가로 데이터 사용량이 늘어나면서, 자연스레 데이터 전송 속도와 처리용량이 더욱 큰 데이터 센터용 광통신 기술이 절실해졌다. 앞으로 데이터는 서로 연결·융합되며 그 정보량은 더욱 고도화될 전망이다. 이와 관련하여 ETRI는 데이터의 중요성을 명확하게 인식해, 방대한 정보를 저장하고 안정적으로 관리하기 위한 400Gbps 신호 전송용 광송수신 엔진을 개발했다. ETRI는 이에 멈추지 않고 400Gbps 를 넘어 1.6Tbps(테라) 개발에 도전할 계획이다. 점차 빠른 속도로 성장하고 있는 데이터 시대에 발맞추어 그 기술력을 견고히 쌓아 보다 나은 미래, 그리고 편리한 생활을 위한 기반 구축을 위해 부단히 나아가고 있다.
