머신 비전 시스템 통합을 위한 ‘광섬유’의 핵심 이점과 적용 전략

광섬유 기술은 오늘날의 통신 기술 발전에 큰 기여를 해왔다. 바다를 가로질러 데이터를 전송하고, 데이터센터를 연결하며, 도시와 병원, 고층 건물 전반에 데이터를 빠르게 이동시키는데 핵심 역할을 한다. 광섬유는 노이즈 내성, 낮은 손실률, 그리고 전기적 절연 특성과 같은 다양한 장점을 제공한다.

이러한 특성 덕분에 머신비전 분야에서도 CoaXPress나 Camera Link 기반 전송 방식을 대체할 수 있는 강력한 대안으로 떠오르고 있으며, 매우 유용한 기술로 주목받고 있다. 광섬유 기술을 처음 접하게 되면, 다양한 약어와 생소한 용어들에 맞닥뜨리게 된다. 이 기사는 머신비전 시스템 설계자와 엔지니어를 대상으로 광섬유 기술에 대한 기초적인 이해를 돕기 위해 작성되었다. 독자들이 CoaXPress나 Camera Link 기반의 기존 연결 시스템과 비교해 이 기술을 더 쉽게 이해하고 활용할 수 있도록 구성됐다.

광섬유의 기본 원리
 

기본적인 개념이긴 하지만, 광섬유는 유리 섬유 내에서의 빛의 반사 혹은 굴절을 활용하는 기술이다. 광섬유 케이블은 중심부의 유리 코어(fiber core)와 이를 둘러싼 유리 클래딩 (cladding)으로 구성된다. 이 두 재료의 경계면은 빛을 반사 하는 거울 역할을 하거나, 특정하게 설계된 굴절률의 코어가 빛을 다시 케이블 내부로 휘어지게 만든다. 

머신비전 응용 분야에서는 ‘싱글모드(single-mode)’와 ‘멀티 모드(multimode)’ 두 가지 종류의 광섬유가 주로 사용된다. 얼핏 보면 멀티모드 섬유가 여러 신호를 전송할 수 있을 것처럼 느껴져 우수해 보이지만, 실제로는 빛이 여러 경로(mode) 를 통해 전달될 수 있다는 의미다. 이러한 복수의 모드는 각각 다른 경로를 따라 이동하면서 신호 펄스를 분산시키게 되며, 이는 빛의 도달 시간이 다르게 나타난다는 것을 의미한다.

<그림1> QSFP+ 직접 연결 동축 케이블                   <그림2> QSFP+ 광트랜시버                                <그림3> QSFP+ 액티브 옵티컬 케이블

CoaXPress over Fiber(COF)
 

광섬유 기반 영상 전송은 CoaXPress over Fiber(COF) 기술을 통해 구현된다. 이 기술은 CoaXPress 2.1과 COF Bridge Protocol v1.1을 기반으로 하며, 40G QSFP+ 광트랜시버 모듈을 사용해 4개의 10.3Gbps 링크로 데이터를 전송한다. CoaXPress의 기존 인코딩 방식(8b/10b)은 제거되고, 이더넷에서 사용되는 64b/66b 인코딩 방식으로 변환되어 보다 효율 적인 전송을 가능하게 한다. 이러한 구조 덕분에 4개의 CXP-12 링크를 하나의 40G 링크에 통합할 수 있으며, 이미 검증된 데이터센터용 광트랜시버 기술을 그대로 활용할 수 있다. 

다양한 QSFP+ 연결 방식

Direct Attach Copper(DAC): QSFP+ 모듈에 동축 케이블이 직접 연결된 형태로, 1~2미터 이내의 짧은 거리에서 저비용으로 사용 가능하다. 다만 전자기 간섭에 취약하고, 전송 손실이 커질 수 있다.

Optical Transceivers(광트랜시버): QSFP+ 트랜시버 두 개와 그 사이를 연결하는 광케이블로 구성된다. 사용 목적에 따라 SR, eSR, 또는 LR 트랜시버를 선택하며, 멀티모드 또는 싱글모드 광섬유와 함께 사용된다. 장거리 전송이 필요할 경우 1310nm 파장의 LR 트랜시버가 사용되며, CWDM 기술을 적용하면 파장을 나눠 송수신을 동시에 수행할 수 있다.

Active Optical Cables(AOC): 광트랜시버가 고정된 형태의 일체형 케이블이다. 구성은 간단하지만, 트랜시버 고장 시 전체를 교체해야 하며 부피가 커 설치 공간이 제한적인 산업 환경에서는 비효율적일 수 있다.

머신비전 시스템에서의 광섬유 구현
 

최근 머신비전 시스템에서 광섬유 기반의 연결 방식이 점점더 주목받고 있다. 고속, 장거리 전송은 물론, 전기적 간섭없이 안정적인 통신을 제공하는 점에서 기존 CoaXPress나 전기식 QSFP기반 연결보다 확장성과 신뢰성이 뛰어나다. 특히 복잡한 산업 환경에서의 설치 유연성은 설비 설계에 큰 이점을 제공한다. 

현재 상용화된 CoaXPress over Fiber(COF) 시스템 역시 광섬유를 사용하지만, 주로 QSFP+ 케이지와 DAC/AOC 기반의 연결 방식을 따른다. 이러한 방식은 벤치 테스트나 실험실 환경에는 적합하지만, 전송 거리와 설치 유연성 측면에서는 한계를 가진다.

반면, QSFP+ 광트랜시버와 광리본 케이블을 조합한 구성은 보다 복잡한 산업용 머신비전 시스템에서 효과적인 대안이 된다. 이는 데이터센터에서 이미 검증된 표준 기술이며, 패치 패널, 벌크헤드 커넥터 등 광섬유 관리 인프라도 풍부하게 갖춰져 있어 안정적이고 유연한 설치가 가능하다.

광섬유 케이블 구성요소와 명칭
 

광트랜시버에 연결하려면 광섬유 케이블과 이에 맞는 커넥터가 필요하다. 단거리용 QSFP+ 광트랜시버에 가장 일반적 으로 사용되는 커넥터는 MPO/MTP 타입이다. 이 커넥터는 여러 가닥의 광섬유가 나란히 정렬된 리본 형태의 멀티 스트랜드(multistrand) 광섬유 케이블을 사용한다.

SR(Short Reach)용 애플리케이션에서는 일반적으로 OM3 또는 OM4 등급의 광리본 케이블이 사용된다. 아래 그림은 MPO/MTP 커넥터와 케이블 어셈블리의 예시를 보여준다.

<그림4> Female MPO/MTP 커넥터가 장착된 광리본 케이블

광섬유 케이블 약어
 

광섬유 케이블에는 다양한 약어가 사용되며, 각각은 커넥터 종류, 구성 방식, 연마 방식, 광섬유 수, 등급 등을 나타낸다. 

F to F: 양쪽 커넥터가 Female 형태

UPC: 커넥터 단면을 평평하게 연마한 Ultra Physical Contact 방식

12F: 하나의 커넥터에 포함된 광섬유의 수

OM3/OM4: 멀티모드 광케이블 등급으로, 전송 거리와 대역폭 성능에 차이가 있다.

설치 시 주의할 점과 문제 해결 가이드
 

광섬유 시스템을 안정적으로 운용하려면 몇 가지 실무적인 유의사항을 반드시 숙지해야 한다.

우선 QSFP+ 슬롯에 광트랜시버, DAC, AOC 케이블 등을 삽입할 때는 ‘딸깍’ 소리가 날 때까지 충분히 눌러 정확하게 체결해야 한다. 겉보기에는 장착된 것처럼 보여도 실제로는 연결이 불완전할 수 있다. 연결이 불안정하거나 인식이 되지 않는 경우, 한 번 분리한 뒤 다시 제대로 삽입해보는 것이 좋다.

<그림5> QSFP 트랜시버 모듈의 올바른 방향: 핸들이 공기 흐름 구멍 옆에 위치한 상태
 

<그림5>는 핸들이 공기 흐름 구멍(에어플로우 홀) 옆에 위치 한, 올바르게 삽입된 QSFP+ 광트랜시버의 모습을 보여준다. 

이러한 트랜시버 및 케이블은 FPGA와 직접 연결되는 능동형 전자부품이므로, 정전기 방전(ESD) 예방 조치를 반드시 취해야 한다. 또한 청결 유지는 광신호 전송의 안정성에 직결된다. 광커넥터나 트랜시버 단자에 먼지나 이물질이 있을 경우 연결 불량이 발생할 수 있으므로, 사용하지 않을 때는 반드시 먼지 방지 캡을 씌우고, 필요시 전용 광클리너를 활용해 이물질을 제거하는 것이 좋다.

<그림6> Sticklers MPO 클릭 클리너 (이미지 제공: Microcare)

<그림6>은 케이블 커넥터와 트랜시버 포트를 모두 청소할수 있는 클릭 타입 MPO 클리너의 예시를 보여준다. 트랜시버의 속도 호환성도 중요한 체크포인트다. CoaXPress over Fiber(COF) 시스템은 현재 40G 이더넷 광트랜시버를 기준으로 설계되어 있으며, 다른 속도의 트랜시버를 사용할 경우 작동하지 않을 수 있다. 일반적으로 40G 트랜시버는 베이지색 핸들로 구분할 수 있다.

마지막으로, 광섬유 케이블이 단선되었는지 간단히 점검하고자할 경우, 한쪽 끝에 손전등을 비추고 반대쪽을 스마트폰 카메라로 확인하는 방법이 있다. 광이 통과되는지 육안으로 확인할 수있지만, 이때는 레이저 안전 수칙을 반드시 준수해야 한다.

결론

광섬유 기술은 머신비전 시스템에 있어 고속 데이터 전송, 전자기 간섭에 대한 내성, 그리고 장거리 전송 시 신호 저하 없이 안정적인 성능을 제공한다는 점에서 뚜렷한 강점을 지닌다. 특히 CoaXPress를 광섬유와 결합한 CoaXPress over Fiber(COF) 솔루션은 고대역폭·장거리 애플리케이션에 적합 하면서도 비용 효율성과 확장성을 모두 갖춘 접근 방식으로 주목받고 있다. 

연결 방식 측면에서도 선택의 폭은 넓다. 짧은 거리에는 Direct Attach Copper(DAC) 케이블이 적합하며, 유연성과 확장성을 중시한다면 광트랜시버(Optical Transceiver)가 효과적인 선택이 될 수 있다. 또한 액티브 옵티컬 케이블(AOC) 은 성능 저하 없이 설치를 간소화할 수 있는 솔루션이다.

광섬유 시스템을 성공적으로 구현하기 위해서는 케이블 극성 확인, 커넥터 청결 유지, 정확한 체결 상태 등 몇 가지 핵심 요소를 꼼꼼히 점검해야 한다. 광섬유 기술, 특히 CoaXPress over Fiber는 고성능과 노이즈 내성을 요구하는 머신비전 애플리케이션에 최적의 솔루션으로 자리잡고 있다.

자료제공: Active Silicon(www.activesilicon.com)