증폭, OSNR, DWDM 스팬의 한계

CWDM 링크는 수신기에 도달하는 빛이 바닥나는 지점에서 끝납니다. DWDM 링크는 그렇지 않습니다 — 증폭기가 80 km마다 빛을 보충해 주기 때문입니다 — 그래서 한계가 다릅니다. 바로 잡음입니다. 모든 증폭기는 자연 방출을 더하며, 이것이 충분히 쌓이면 신호는 여전히 강하지만 더 이상 깨끗하지 않습니다. 이를 나타내는 지표가 OSNR(광 신호 대 잡음비)이며, 설계 과제는 변조 방식이 요구하는 값 이상으로 OSNR을 유지하면서, 광섬유 비선형성이 작용하는 파워 아래에 머무르고, 분산도 관리 가능한 범위로 유지하는 것입니다. 이 페이지에서는 그 도구와 수치를 다룹니다.

증폭기 종류

증폭기	대역	이득	출력	잡음 지수	위치
EDFA(어븀 첨가 광섬유)	C(1530–1565 nm), L(1565–1625 nm)	15–35 dB	총 +17 … +23 dBm	4.5–6 dB	다중화기 뒤의 부스터, 60–100 km마다 인라인, 역다중화기 앞의 프리앰프
라만(분산형)	임의(펌프 파장으로 결정, 신호보다 약 100 nm 낮음)	전송 광섬유 내에 분산된 10–15 dB	—	EDFA와 결합 시 유효 NF가 음수가 될 수 있음	장거리 스팬, 저-OSNR 업그레이드; 고출력 펌프(0.5–1 W) — 안전 주의
SOA	O-밴드 등	10–20 dB	낮음	7–9 dB	O-밴드 시스템, 수신기(SOA 보조 수신기)
하이브리드 라만/EDFA	C/L	—	—	개선됨	초장거리 스팬

EDFA의 이득은 균일하지 않습니다. 이득 평탄화 필터와 기울기 제어가 40–96개 채널 간의 편차를 약 1 dB 이내로 유지합니다. 채널이 추가되거나 제거될 때는(과도 현상) 동적 이득 제어가 출력을 일정하게 유지합니다. 980/1480 nm 펌프 레이저가 어븀을 펌핑하며, 증폭기에서 마모되는 부품이 바로 이 펌프 레이저입니다.

OSNR

OSNR은 기준 대역폭(0.1 nm ≈ 12.5 GHz) 안에서 신호 파워와 ASE 잡음 파워의 비율을 dB로 나타낸 값입니다. 동일한 스팬 N개가 이어질 때:

OSNR ≈ 58 + P_ch − NF − L_span − 10·log10(N)     [dB, 0.1 nm]
  P_ch   = launch power per channel into the fibre, dBm
  NF     = amplifier noise figure, dB
  L_span = span loss, dB
  N      = number of spans (amplifiers)

예시: P_ch = +1 dBm, NF = 5.5 dB, 80 km 스팬(0.22 dB/km) + 커넥터 2 dB = 19.6 dB, N = 8 → OSNR ≈ 58 + 1 − 5.5 − 19.6 − 9 ≈ 24.9 dB.

포맷	레이트	일반적인 요구 OSNR(0.1 nm), dB	비고
10G NRZ, FEC 없음	10G	18–20	레거시
10G NRZ, FEC 있음(OTU2, GFEC)	10.7G	11–13	코딩 이득 약 6 dB
100G DP-QPSK 코히어런트, SD-FEC	100G	12–15	매우 안정적
200G DP-16QAM	200G	18–21	—
400G DP-16QAM(400ZR)	400G, 60 GBd	≥ 26(400ZR 규격 기준)	증폭 시 전송 거리 120 km
400G ZR+, 8QAM/QPSK	300G/200G	20/14	용량을 낮추고 전송 거리를 늘림

설계 마진: 요구 OSNR에 노화, 기울기, PMD를 감안해 2–3 dB를 더합니다. 위 예시에서 100G QPSK는 여유가 있지만 400ZR은 아슬아슬합니다 → 400G의 경우 스팬 수를 줄이거나, 송신 파워를 높이거나, NF를 낮추거나, 라만을 사용합니다(코히어런트와 장거리 전송).

송신 파워와 비선형성

P_ch를 높이면 OSNR도 같은 dB만큼 높아집니다 — 광섬유의 커 비선형성이 그 파워를 왜곡으로 바꾸기 전까지는 그렇습니다:

효과	메커니즘	증상	완화 방법
SPM — 자기 위상 변조	채널 자신의 세기가 자신의 위상을 변조	스펙트럼 확산, 분산과의 상호작용	채널당 파워 제한
XPM — 상호 위상 변조	이웃 채널의 세기가 해당 채널의 위상을 변조	50 GHz 그리드에서의 크로스토크	분산 관리, 채널 간격 조정
FWM — 4광파 혼합	채널들이 섞여 새로운 주파수를 만듦	균등 그리드에서의 고스트 채널	불균등 간격, 분산 ≠ 0(DSF 대신 G.655/G.652)
SBS/SRS — 브릴루앙/라만 산란	채널당 고출력/대역 기울어짐	파워 한계, 대역 전체의 기울어짐	디더링, 기울기 제어

실무에서 쓰이는 채널당 송신 파워: G.652에서 코히어런트 100G 이상은 −2 … +3 dBm, 10G는 0 … +3 dBm입니다. 최적값은 비선형 페널티와 OSNR 이득이 같아지는 지점입니다.

분산

종류	G.652에서의 값	영향	대응
색분산(CD)	1550 nm에서 ≈ 17 ps/(nm·km)	펄스 확산; 10G NRZ는 보상 없이 약 800–1000 ps/nm(≈ 60 km)까지 허용	DCF 모듈(분산 보상 광섬유, 손실 추가), FBG 보상기, 또는 코히어런트 시스템에서는 DSP가 전자적으로 수만 ps/nm까지 보상
편광 모드 분산(PMD)	최신 광섬유에서 0.1–0.5 ps/√km, 오래된 광섬유는 더 나쁨	무작위, 시간에 따라 변화; 40G 이상 직접 검출에서 중요	코히어런트 DSP가 추적; 직접 검출 40G에는 저-PMD 광섬유 필요
분산 기울기	—	보상이 한 파장에서만 정확함	기울기 매칭 DCF

따라서 직접 검출 DWDM(10G, 일부 25G)에는 증폭기 사이트마다 DCF를 배치한 분산 맵이 필요합니다. 코히어런트 링크에는 필요 없으며, 이 때문에 설계 작업의 한 층이 통째로 사라졌습니다(DWDM 구성 요소).

스팬 설계 체크리스트

1550 nm에서 스팬별 광섬유 종류, 길이, 실측 손실(OTDR).
채널 수, 그리드, 포맷 → 요구 OSNR과 비선형 한계.
증폭기 배치: 부스터, 60–100 km마다 인라인(스팬 손실 15–25 dB), 프리앰프.
채널당 송신 파워, 기울기 및 과도 현상 제어 설정.
분산 맵(직접 검출) 또는 DSP 성능 확인(코히어런트).
개통 시 채널별 수신 OSNR과 pre-FEC BER — 시스템 수명 동안의 기준값(VDM 및 FEC 지표).
보호 및 모니터링: OSC, 채널별 파워 모니터, OTDR 액세스.

플러거블의 위치

튜너블 10G DWDM SFP+나 400ZR QSFP-DD는 이 시스템의 채널 하나에 해당합니다. 이 모듈의 DDM은 자신의 Tx와, 역다중화기를 거친 뒤의 전체 또는 채널별 Rx를 보여줍니다. 증폭기와 OSNR은 pre-FEC BER(코히어런트 모듈의 VDM)을 통하지 않고는 모듈에 보이지 않습니다. Rx 파워는 정상인데 BER이 나쁜 모듈은 OSNR 한계가 드러난 것입니다(튜너블 트랜시버).

CodingBox에서

CodingBox는 스팬의 모듈 쪽 값을 읽어 옵니다 — 채널/파장, 송신 파워, Rx 파워, 그리고 코히어런트 CMIS 모듈이라면 DDM에서 VDM 관측값(OSNR 추정치, pre-FEC BER, CD, DGD, Q인자)까지 읽습니다. 이 값을 개통 시 기준값과 비교하면 열화가 모듈 쪽인지 선로 쪽인지 알 수 있습니다.

이 증폭기들이 잇는 스팬에서의 색분산, PMD, 분산 보상: 분산과 대역폭.

송신 파워를 단순히 높인다고 OSNR을 살 수 없는 이유 — SPM, XPM, FWM, 브릴루앙과 라만의 한계, 채널당 최적 파워와 완화 방법: 비선형 효과.

증폭을 인프라 관점에서 본 것 — EDFA, 라만, SOA, OEO 비교, 각각의 위치, 증폭 선로 운용에 필요한 것: 증폭과 재생 중계.

이 문서에서 부정확한 내용이나 오류를 발견하면 해당 부분을 선택하고 Ctrl+Enter를 눌러 해 주세요.