光 광대역성 살려 처리용량 확대
네트워크구축 쉽고 신뢰성도 높여
운영비 절감·배선 간소화에 도움



21세기 정보화 사회에서 통신대역폭 수요는 기하급수적으로 증가하는 추세다. 특히 초고속인터넷가입자 마다 Gbps급의 대역폭을 필요로 하는 시기가 곧 도래할 전망이어서 충분한 대역폭을 확보할 수 있는 다양한 기술이 개발되고 있다.
이러한 기술개발의 일환으로 WDM(Wavelength Division Multiplexing)을 이용한 광 백본망이 폭넓게 보급되고 있는데 여기에 없어서는 안될 부품이 광 스위치이다.
광통신망을 도로에 비유한다면 WDM은 도로를 넓혀주는 기술이라 할 수 있으며 광 스위치는 교차로에서의 처리를 유연하게 해 주는 역할을 한다고 볼 수 있다. 따라서 WDM의 보급에 광 스위치는 필수적인 것으로 평가되고 있다. 한국전자통신연구원(ETRI) 조성선 선임연구원의 기술자료를 바탕으로 광스위치의 개념과 기술동향에 대해 살펴본다.

광 스위치의 개념 및 장점
광 스위치는 광섬유 전송로 가운데의 광로(光路)를 교환해 주는 부품이다. 광스위치는 크게 기계식과 비기계식으로 구분된다. 기계식은 전자력과 압전효과를 이용해 회선을 교환하는 방법으로 입출력 단자 1×2, 2×2 등이 있다. 교환 속도는 늦지만 삽입손실과 누화(crosstalk) 등이 낮아 광섬유 연결에 널리 쓰이고 있다.
비기계식은 물질의 굴절률을 변화시켜 전파하는 광의 위상을 변화시킴으로써 광의 강도를 변화시킨다. 비기계식은 교환 속도가 빠르고 신뢰성이 높은 장점을 가지고 있지만 아직은 대부분 개발 단계에 머물러 있다.
기존 스위치는 채널별 경로 선택이 이뤄지는 중심부분에 전기회로가 사용되고 있다. 따라서 스위치에 입력된 광신호는 개별 파장으로 분파된 뒤 수광 디바이스(포토 다이오드)를 이용해 일단 전기신호로 변환된다. 이 후 전기회로에서 경로가 설정된 다음에 다시 발광 디바이스(반도체 레이저)에 의해 광신호로 다시 변환된다. 특히 이러한 과정에서 전기회로에서의 처리가 가능하도록 고속신호를 저속신호로 변환할 필요성이 나타난다. 이 때문에 △광섬유와 수·발광소자와의 결합손실 등에 따른 효율 저하 △저속신호 변환에 따른 처리 속도 지연 △장치의 비대화에 따른 가격 상승과 광대역화에 따른 장치의 갱신 필요 등의 문제점이 나타난다.
이러한 문제들은 WDM 전송장치의 파장다중 수가 그 다지 많지 않았던 경우에는 그럭저럭 대응할 수 있었다. 하지만 최근에는 32다중, 64다중, 나아가 160다중이라는 고밀도 전송장치가 실용화되고 있고 파장당 전송속도 역시10∼40Gbps로 고속화 되고 있는 추세여서 스위치의 처리 용량이 향상되지 않으면 WDM의 장점을 활용하지 못하고 노드에서 정보가 지체될 가능성이 높다. 이에 따라 광신호를 전기신호로 변환하지 않고 광 그대로 경로설정이 이뤄지는 광 스위치에 대한 기대가 높아지고 있다.
광 스위치 도입에 따른 주요 장점은 다양하게 나타난다. 우선 광신호 그대로 경로가 설정되므로 광의 광대역성을 살려 처리 능력의 대용량화를 기대할 수 있다. 또 신호 포맷 등에 관계없이 간단히 네트워크를 구축할 수 있고 네트워크의 신뢰성을 높일 수 있으며 다중 파장 수를 늘려 쉽게 네트워크를 확장할 수 있다. 아울러 광대역화에 따른 기기 갱신이 필요 없고 이를 통해 운영비를 절감할 수 있는 것도 장점이다.
또 파장이 다른 광은 자유공간에서는 상호 간섭하지 않는 특성(공간병렬다중성)이 있으므로 자유공간을 매체로 한 스위칭 방식을 활용할 수 있고 따라서 배선의 간소화와 디바이스의 고밀도 집적이 가능하고, 기기의 소형화를 기대할 수 있다.
이 밖에도 열로 소비되는 에너지가 적어 저소비전력 시스템 구성을 기대할 수 있는 것도 광스위치의 장점이다.

광 스위치의 운영방식
다양한 장점을 바탕으로 여러 가지 방식의 광스위치가 도입되고 있다. 도입 방식은 크게 △회선교환방식 △패킷교환방식 △ATM교환방식으로 구분된다.
①회선교환방식 = 어떤 채널(정보)에 대해 특정 통신로를 특정 시간에 전용할 수 있도록 하는 방식이다. 따라서 정보를 송신하지 않는 시간에도 통신로를 점유하기 때문에 통신로의 낭비가 크지만 통신 품질은 우수하다. 이 방식의 광 스위치로 개발이 진행되고 있는 것으로 매트릭스형 스위치인 OXC(Optical Cross Connect)와 특정 파장에 대한 분기·삽입 기능이 있는 OADM(Optical Add/Drop Multiplexer), 그리고 장애 시 대응·보수·점검용 스위치가 있다.
OXC는 주로 간선계간의 노드 디바이스로 기대되고 있다. 이 유형에서는 접속되는 회선 수가 증가할수록 회선별 다중파장 수가 증가할수록 대규모화가 요구된다. 특히 1,000×1,000 이상의 대규모 OXC의 개발에 이목이 집중되고 있다.
OADM에서는 특정 파장을 분기·삽입한다. OADM은 간선계와 중계·전송계, 중계·전송계간, 또는 중계·전송계와 액세스계와의 노드 디바이스로 활용이 기대되고 있다. OADM은 광 분파기와 합파기만으로 구성할 수 있다. 그러나 삽입·분기하는 파장을 고정할 수 없고 임의 파장을 삽입·분기하는 경우 중심부에 광 스위치가 필요하게 된다.
한편 회선 장애가 발생하는 경우 예비회선으로 교환하거나, 보수·점검용으로 사용하기 위한 것으로 1×1, 1×N의 소규모 광 스위치가 있다. 통신사업자의 입장에서 보면 장애 발생에 따른 서비스 정지 예방이 중요하기 때문에 장애 발생 대응 광 스위치는 특히 그 필요성이 높은 것으로 인식되고 있다.
②패킷교환방식 = 디지털 신호를 일정 길이의 블록(128∼4,096 바이트)으로 나누고 헤더(이 부분에 IP 주소가 기록됨)를 추가한 패킷 단위로 전송하는 방식이다. 이 방식에서는 통신로를 완전히 공유하고 발신자가 정보를 송신하는 경우에만 임의의 리소스를 사용한다.
패킷 교환기는 버퍼 메모리와 프로세서로 구성되고 통신로의 점유 상태에 따라 신호를 전송하는 축적교환방식을 채택하고 있다. 즉 교환기에 도달한 신호는 일단 메모리에 축적되고 통신로가 비워지면 전송을 시작한다. 프로세서는 헤더 부분에 기록된 어드레스에 따라 전송해야 할 통신로를 선택하고 송출하는 역할을 한다.
패킷교환방식은 이와 같이 소프트웨어에서 처리하기 때문에 광을 읽고 정보를 처리할 수 있는 '광컴퓨터'가 실현되지 않은 단계에서는 대응이 곤란하다. 그러나 전기회로를 함께 이용하고 처리과정의 일부에 광 기술을 활용함으로써 고속화를 도모할 수 있다. 예를 들면 광 스위치를 전기제어 레이어와 광 하이웨이 레이어의 2중 구조로 함으로써 고속 광대역 신호전송은 광으로 논리제어는 전자적으로 할 수 있다. 패킷교환방식은 간선계로부터 중계·전송계로의 노드 처리에 사용될 것으로 전망되고 있다.
광 패킷 스위치 개발 사례로 일본의 NTT의 경우를 들 수 있다. NTT가 개발한 광 패킷 스위치는 WDM 기술과 광의 통신로를 개폐하는 광 게이트를 조합해 구성하고 있다. 이 스위치의 구조를 보면 먼저 수신한 광신호를 일단 전기신호로 변환해 53바이트 길이의 패킷으로 분할한 후 분할된 각 패킷별로 출력 포트의 라벨을 부착한 64바이트 길이의 내부처리용 패킷으로 변환한다. 이후 라벨을 부착한 패킷을 다시 광신호로 변환해 출력처 인터페이스까지 전송하는 구조이다.
③ATM교환방식 = 정보를 고정 길이의 셀(정보48 바이트 + 헤더 5 바이트)로 분할해 전송하는 방식이다. 전송 속도는 셀 송출 빈도에 따라 변할 수 있다. 패킷 교환과 마찬가지로 발신자가 정보를 발신하는 경우에만 임의 리소스를 사용할 수 있다는 장점이 있다. 한편 셀의 길이가 일정하기 때문에 하드웨어에서의 제어에 적합하며 고속화를 기대할 수 있다. 패킷 교환 방식이 안고 있는 문제점을 개선한 셈이다. 광 신호의 셀 제어에 대해서도 개발 방향성은 패킷교환방식과 같다. 다만 ATM 방식은 하드웨어로 라우팅하기 때문에 패킷교환방식보다 광 기술의 적용이 쉬운 것으로 평가되고 있다.

광 스위치 디바이스 개발 동향
광 스위치를 실현하는 데에는 광신호의 경로를 밀리초(ms) 단위의 고속으로 교체해 주는 광 스위치 디바이스가 필수적이다. 이를 테면 광 스위치 디바이스는 PC의 마이크로프로세서에 해당하는 기간 부품으로 스위치 디바이스의 성능이 스위치의 성능을 좌우한다고 할 수 있다. 광 스위치 디바이스는 개발 사업자마다 독자적인 방식을 취하고 있어 전체 상황을 파악하기는 어렵지만 지금까지 발표된 것에 한하여 분류해 보면 크게 4가지로 구분된다.
①미러 디바이스 방식 = 4개 방식 중 채널 수가 가장 많으며 버블형과 더불어 가장 주목받는 방식이다. 비용을 낮출 경우 소규모용으로도 이용할 수 있어 사용폭이 크기 때문이다. 일반적으로 미러 디바이스를 탑재한 광 스위치는 주로 백본망에 이용된다. 미러 디바이스 방식은 광섬유에서 입사(入射)된 광을 Si 기판 등을 사용한 아주 작은 미러의 각도를 변경시킴으로써 광로(光路)를 변경시키는 원리로 작동된다.
② 도파로 방식 = 이 방식은 광 도파로 가까이에 히터와 펠티에 소자(peltier element)를 두고 광도파로의 온도에 변화를 주면 광도파로의 굴절률이 변화해 광 경로가 변하는 방식이다. 이 방식에서 경로 교환은 채널 도파로의 교차부와 분기부에 대해 굴절률과 위상에 변화를 주는 방법으로 이뤄진다.
③버블 방식 = 광도파로 방식의 단점을 보완하기 위해 개발된 방식으로 광도파로의 교차 지점에 오일을 채운 작은 구멍(trench, 폭은 15㎛)이 형성돼 있다. 평상시에는 오일의 굴절률과 광도파로의 굴절률이 동일하기 때문에 광은 트렌치를 통과한다. 하지만 트렌치 아래쪽에 설치한 히터(저항)를 가열하면 트렌치 내에 기포(버블)가 발생한다. 이 기포의 굴절률은 광도파로의 굴절률보다 작기 때문에 광이 모두 반사된다. 이와 같이 하여 반사되는 광의 각도를 조정함으로써 원하는 도파로 방향으로 광을 보내는 방식이다.
④파이버 구동 방식 = 파이버 자체를 이동시켜 스위칭하는 방법이다. 전자 액추에이터 등을 이용하여 광섬유를 탑재한 대(台)를 평행으로 이동하는 방식은 이미 상품화되고 있다.

국내 기술개발 현황
지난 4월에 MEMS(Micro Electro Mechanical System) 전문 업체인 M2N은 국내최초로 MEMS 기반 2×2 광 스위칭 모듈을 개발하였다. 이 스위치는 반도체공정을 이용해 정밀하게 가공한 마이크로 거울을 움직여 광섬유 네 가닥 사이의 광신호 경로를 자유롭게 변경할 수 있다. M2N은 또한 차세대 제품으로 16×16, 32×32급 광 스위치를 개발하고 오는 2003년까지 인구 100만 명 규모의 대도시 백본망 제어가 가능한 256×256급 대용량 광 스위치 모듈도 국산화한다는 계획을 가지고 있다.
한국전자통신연구원(ETRI)은 지난해 12월 2.5Tbps급 광 패킷 파장 스위치를 개발했다. 이는 10Gbps의 광신호를 16채널로 파장분할 다중화한 WDM 광섬유를 최대 16가닥까지 수용할 수 있다.
젠포토닉스의 경우 세계 2번째로 폴리머를 이용한 광 스위치를 개발하는 개가를 올렸고 한요텔레콤이 조만간 1×2, 2×2 광 스위치를 해외시장에 진출할 계획을 갖고 있다.