1.1 연구의 배경

광 이중화 시스템은 통신 분야에서 널리 연구되고 있으며^[1-4] 광 중계 장치에서 발생할 수 있는 광소자의 고장 또는 노후화와 같은 운용상의 문제에 대비하고 광소자 및 구성 장비의 각종 이상을 자동으로 감지하여 광신호의 단절 없이 예비 장비로 자동 전환되는 시스템이다. 이 논문에서 기존의 이중화 방식과 비교하여 소모 전력과 잡음(noise)이 향상된 새로운 방식의 광 이중화 시스템을 제안한다.

기존 방식은 통신 단절의 위험성을 제거하기 위해 하나의 단일 시스템을 단순히 이중으로 운용한다. 만약 하나의 시스템에 이상이 발생하더라도 나머지 하나를 운용함으로써 통신 단절의 위험을 막는다. 이 방식의 문제점은 비용이 두 배로 들며 동시에 2대를 항상 운용해야 하므로 전력 소모가 많고 전원을 켜놓은 시간이 늘어난 만큼 송수신기의 노후화가 일찍 발생한다는 점이다. 지속적으로 전원을 켜놓은 상태로 인한 열화로 인해 장비의 설치 초기 상태의 규격을 유지하기가 힘들다.

본 논문은 통신 전송시스템의 노후에 따른 여러 가지 관리 문제를 해결하기 위한 목적으로 연구를 시작하게 되었고 그 중 광통신 시스템의 중요한 부분인 광전송 부분의 이중화를 고려함으로써 혹시 발생 될 수도 있는 통신 단절을 대비하고 관리한다. 이를 위해 새로운 방식의 광 송신부와 광 수신부의 이중화 설계를 제안한다.

1.2 연구의 목적 및 방법

본 연구에서 설계한 이중화 방식은 시스템 내에서 이중화 통로(path)를 가지며 광 송신부의 이중화와 광 수신부의 이중화 그리고 공급 전원의 이중화를 구현하여 장비의 통신 단절 등의 문제가 발생할 때 자동으로 정상적 상태의 시스템으로 전환하여 안전하고 편리한 유지관리가 가능하다. 본 연구는 광통신 시스템의 중요한 부분인 광 송신부와 수신부의 이중화를 구현하였다. 광 송신부의 이중화는 optical switch를 적용하여 구현하였고 광 수신부의 이중화는 RF switch를 적용하여 구현하였다. 그리고 중요한 반도체 소자를 각 스위치에 적용하여 이중화하고 이를 자동 전환하는 방식으로 구동한다. 송 수신부의 전원은 주 전원과 예비 전원으로 이중화하는 방법으로 보통은 주 전원만 사용하며 이상이 발생하면 예비 전원으로 전환되는 방법을 사용하여 부품사용의 시간을 감소함으로써 예비 부품들의 노후화를 최소화하는 방법으로 설계되었다.

광 이중화 전송시스템은 단일 광전송시스템에서 통신시스템의 단절로 사회적 비용이 발생할 수 있는 공공 철도나 지하철 내에서 적용되고 필요로 하는 시스템이다. 현재 공공 철도나 지하철에 설치되어 있는 광전송 시스템은 설치되어 운용한 지 보통 25년 이상 되었다. 노후된 공공시설의 광전송시스템에서 통신단절은 많은 사회적 비용을 발생시킨다. 이 단일 시스템의 이중화 변환은 국가 재난망 사업에 적극적으로 활용되는 추세이다. 또한 좀 더 정밀하고 안정적인 광 스위치의 개발, 우수한 성능의 반도체 소자 개발과 함께 이중화 변환 연구가 필요하다. 자동절체 프로그램의 추가적인 개발로 산업용 광전송 모델들의 전반적인 곳에 복합적으로 적용할 수 있고 군 통신망에서도 필요한 전송 모델로 사용될 수 있다.

2.1 광 이중화 시스템의 설계

광 이중화 시스템은 이상 신호를 자동 감지하고 예비 장비로 자동 전환되는 시스템으로 구성되며 Fig. 1에서 개념적 구성도를 제시하였다.

Fig. 1에서 나타냈듯이 광 이중화 시스템의 구성은 다음과 같이 3가지 부분으로 정리할 수 있다.

첫 번째 구성은 광 장비의 이상 신호 레벨을 검출하여 예비 장비로 전환하는 controller와 자동 전환을 위한 광 스위치의 구동회로 부분을 포함한다. 이는 laser diode의 자동전환 controller와 base 모듈 개발을 의미한다.

두 번째 구성은 controller를 이중화로 구현하여 광 스위치로 광 path로의 전환 및 광전송 장비의 이상을 감지하는 알람회로를 포함하는 관리 시스템이다.

세 번째로 laser diode의 이상 발생 시 자동 전환이 되면 통신이 유지되면서 기본 성능을 유지할 수 있는 자동 전환 프로그램을 구현하는 부분이다.

Fig. 1. The conceptual diagram of optical dual mode transmission system

본 논문에서는 우선적으로 이중화로 구현된 광 송신부와 광 수신부의 핵심 부분에서의 회로 설계를 설명하고 기존 설계와 비교해 새롭게 추가된 회로에 대하여 분석하고 검증한다.

2.2 광 송수신부 핵심 소자의 이론적 개요

광전송 시스템에서 중요한 광 송신부와 광 수신부에서 이중화를 위한 핵심 반도체 소자는 laser diode, photo diode, optical switch이다. 이 반도체 소자 중 laser diode는 소련의 Kazarinove, Alferov와 미국의 Koemer 등에 의해 발표되었다^[5,6]. 이중 이질 접합 구조의 상온 연속 레이저 발진은 1970년도 이후 적용 가능하다^[6]. 특히 InGaAsP 통신용 반도체 laser diode는 광 분산이나 손실이 적고 초고속 통신을 위해 변조 대역폭이 넓은 단일파장 laser diode를 사용한다^[7]. Photo diode는 PIN(positive-intrinsic-negative) photo diode로 고속 동작 특성이 강하고 선형성이 우수하여 수신 감도가 안정적이고 수광 광전효과가 우수하다. 그리고 내구성이 우수하여 정전기에 전기적으로 안전하다.

Optical switch는 광학적 특성을 이용하여 파장 분할 혹은 공간 분할관을 통해 광신호를 스위칭하는 소자로 MEMS(micro-electro mechanical systems)를 이용하여 구현한다.

3.1 광 송신부 회로 설계

Laser diode(LD)는 광전송을 위한 핵심 부품으로 다른 부품에 비해 정전기에 약한 편이고 오랜 시간 사용할 때 부품의 노후화로 특성이 떨어지는 경향이 있다^[8,9]. 이를 보완하기 위해 이번 연구에서는 laser diode를 이중화하여 optical network 간을 연결하여 전광(electrical-optical) 변환하도록 하였다. 광신호 전송 시 optical switch를 이용하여 이중화를 설계하였으며 Fig. 2에서 나타냈듯이 광 이중화를 위하여 반도체 laser diode를 주와 예비 2개를 사용하여 설계하였고 각각에 대한 alarm 회로와 monitoring 회로를 구현하여 이상 신호 발생 시 optical switch를 통하여 정상적으로 작동하고 있는 회로로 자동 전환된다. 또한 송신부의 상태를 감시하여 상위 시스템으로 정보를 보내준다.

Fig. 2. The operation block diagram of the transmitter part

Fig. 3에서는 송신부의 회로 설계를 제시하였다.

Fig. 3. The detailed circuit diagram of the transmitter part

Laser diode 구동 시 가장 중요한 부분인 APC(auto-power control) 회로는 주위 환경 변화에 대하여 laser diode의 광 출력 변화를 일정하게 유지시켜주는 역할을 한다. 콘덴서 양단의 전압은 흘러들어온 전류의 적분(전하의 총량)에 비례함을 이용하였다 ($v=\int_{t_{0}}^{t_{1}}\dfrac{1}{C}i dt$). 아래 Fig. 4에서 APC 회로를 제시하였다.

Fig. 4. APC(auto-power control) circuit

Fig. 5. The Dithering circuit and noise analysis

Fig. 4에서 나타냈듯이 입력 전압으로 인한 전류 파형의 시간 적분의 결과는 출력 전압으로 되며 이는 아래 수식 (1)으로 표현된다.

식 (1)에서 볼 수 있듯이 출력 전압은 최대값 한계치를 가진다. 따라서 laser diode를 이용한 광전송은 장거리 통신에 매우 유리하다.

장거리 통신을 할 때 scattering noise가 발생할 수 있는데 이를 억제하고 개선하기 위해 laser diode 구동 시 dithering circuit을 추가하여 설계에 적용하였으며 이를 Fig. 5로 나타내었다. Fig. 5의 상단부분과 같이 dithering circuit을 구현하였으며 아래의 그래프는 실제 근거리와 최고 10km 거리를 연결했을 시 dithering circuit을 적용한 결과와 적용하지 않은 결과를 대비하여 보여주며 dithering circuit을 적용할 때 scattering noise가 상당히 제거된 것을 시뮬레이션 결과로 확인할 수 있다.

Fig. 5에서 (1)번 그래프는 단거리 5m 이하에서의 scattering noise가 발생하지 않음을 알 수 있다. 그리고 (2)번 그래프는 10km 이상의 장거리에서 dithering circuit을 사용하지 않았을 때 scattering noise가 7dB 이상 발생하는 것을 보여준다. 이 경우 data 전송 시 신호의 잡음을 많이 동반하게 된다. 반면에 dithering circuit을 적용한 (3)번 그래프에서는 scattering noise가 모두 제거되어 단거리 전송 시와 같음을 확인할 수 있다. 기존 회로에서 dithering circuit를 추가하여 설계를 진행하였을 때 잡음이 제거된 우수한 성능을 확인할 수 있다. 따라서 제안한 회로는 기존의 회로와 대비하여 잡음제거 면에서도 우수성이 있다.

3.2 광 수신부 회로 설계

수신부의 핵심 부품은 photo diode와 RF 신호를 증폭하는 RF amp 즉 MMIC(monolithic microwave integrated circuits)를 들 수 있다. Fig. 6은 수신부의 block diagram을 보여준다. 광 수신부는 RF amp의 노화나 열화가 주 불량 요인이다.

Fig. 6에서 수신부의 이중화는 RF switch를 사용하였고 증폭부를 이원화하여 설계하였다. Fig. 7은 수신부의 회로를 보여준다. 수신부 회로는 photo diode 구동회로, monitoring 회로, alarm 회로 등으로 구분하여 분석할 수 있다. 그리고 의 하단부에는 각각의 부분을 목적별로 구분하여 표시하였다. 부분별로 나누어 설명하면 제일 첫 번째 부분에는 광신호를 검출하는 PD(photo diode) 구동 회로가 구현되며 그다음 단계로 buffer 회로가 연결되고 이어서 op amp를 이용한 전압 증폭부로 구성된다. 이후 비교기를 거치며 비교가 입력을 제어하고 alarm level을 조정할 수 있도록 구현하며 alarm은 구현하고자 하는 형태에 따라 transistor logic으로 구현하였다.

Fig. 6. The operation block diagram of the receiver part

Fig. 7. The detailed circuit diagram of the receiver part

LD 입력에서 PD 출력까지 conversion loss를 RF로 계산하면 LD 입력에서 PD 출력까지 손실은 주파수 850MHz를 기준으로 약 –25dB 정도로 측정되고 광 송수신 모듈의 이득은 (0±2)dB인데 이를 보상하기 위한 증폭부가 필요하고 impedance matching과 다른 RF 규격을 위한 보상과정도 필요하다. 이를 위한 수신부의 증폭부 설계 회로 부분을 Fig. 8에서 상세히 제시하였다. MMIC의 동작 규격이 전압 Vd=5V, 전류Id=75mA로 가정을 했을 때 이에 맞는 저항값(RBias)을 계산하여 구동시켜야 하며 아래의 식 (2)와 같이 계산할 수 있다.

예를 들어, Vcc=9V에 대하여 저항 RBias=(9-5)/0.075 =53Ω으로 정해진다.

RF 증폭부는 능동 소자로 구현된 부분으로 열화나 이상 발생 가능성이 높아 RF path를 이중화하여 구현하였으며 RF switch를 사용하여 RF path로 전환하는 회로를 구현하였다. 광 절체 시 회로 동작에 대한 설명을 요약하면 다음과 같다. 만약 A path에 알람이 발생하면 회로상의 RF switch가 동작하고 기존 사용하던 A path에서 B path로 자동절체가 되며 A path에 포함된 부품의 전원은 단절된다. 그리고 동작하지 않고 있던 B path에 전원이 공급되어 정상 동작한다. 이렇게 회로가 동작하면서 광전송 단절은 발생하지 않는다.

Fig. 8. The detailed circuit schematic of the receiver amplifier part

기존 광 이중화 시스템과의 호환성은 이미 설치된 단일 광전송 시스템과의 정상동작 확인으로 가능하다. 실제적으로 현장에 있는 기존 단일 전송 장비와 교환하여 설치 운영하였으며 운용 시 정상적으로 동작하였다. Fig. 9에서 앞부분에서 제안한 회로를 적용하여 실제로 구현한 광 송수신기 장치를 제시하였다.

Fig. 9. Optical transceiver implemented with the proposed circuit

기존 광 이중화 시스템 장비와의 호환성을 확인하기 위해 기존 광 송수신부의 A path와 자동절체 이후 동작하는 예비 B path의 RF 출력을 비교 확인하여 호환성을 검증할 수 있다. 우선 광 송신부에서 광 수신부로 전송되어 RF switch를 거치는 기존의 A path를 통해서 나온 신호를 먼저 감지하여 전력변화량을 전압으로 기록하였다. 또한 자동절체 이후 동작하는 예비 B path로 전환하여 전력변화량을 전압으로 기록하였다. 최종적으로 2개의 path에 대한 입력 대비 출력의 변화량을 Fig. 10에서 표시하였다.

Fig. 10. RF output data comparison graph by paths

Fig. 10에서 A path는 평소 단일 광전송을 진행한 경우이고 B path는 자동절체로 전환되어 광전송을 진행한 경우에 해당한다. Fig. 10에서는 2개의 path에 대해 측정한 data를 비교하여 보여 준다. 측정한 그래프 변화를 보면 점선과 실선이 구분되지 않을 정도로 같은 모양으로 일치한다. 이를 볼 때 기준값 대비 각 path별 값의 차이가 나지 않음을 알 수 있고 이는 자동 전환되었을 때 상호 호환성의 문제는 없음을 의미한다.

기존의 이중화 방식과 대비하여 성능 분석을 요약하면 다음과 같다. 우리가 제안한 방식은 전력소모면에서 약 50% 절감효과를 보인다. 자동절체 방식을 사용하여 송수신기 1대의 운용에 문제가 발생할 때 기존의 시스템 내에서 바로 예비 path를 사용하여 나머지 1대가 운용되는 방식을 적용하여 불필요한 전력소모를 최소화하고 시스템의 부피를 50% 감소시킬 수 있다. 기존 방식의 경우 송수신단에 독립적인 시스템 2개를 개별적으로 설치했지만 새로운 방식에서는 기존의 시스템 1개의 부피에 이중화 시스템 구현이 가능하다. 광전송 시 기존의 이중화하는 방식은 단순하게 같은 광 송수신기를 추가로 1대 더 사용하는 것이고 전원도 2대 모두에게 공급하는 방식이다. 주 예비전원을 모두 사용하고 상시에도 모두 주·예비 송수신기를 묶어 동시에 전원을 공급하는 방식을 사용한다. 이에 많은 전력 소모와 주·예비 송수신기의 열화가 발생하기 쉽다. 반면에 우리가 제안한 방식에서는 오직 1대의 송수신기에 전원을 공급하고 이상이 발생하면 절체가 되며 이후 나머지 정상적인 송수신기 1대만 동작하므로 기존의 방식에 비해 전력소모가 50% 절감된다.