차세대 대용량 광통신망을 위한 공간다중화 기술

Abstract

지속적으로 증가하고 있는 데이터 트래픽 수요를 수용하기 위하여 차세대 대용량 광전송망은 기존 SMF (single-mode fiber)의 한계를 극복할 수 있는 획기적인 방안이 필요하다. 앞으로 광섬유의 전송용량을 더욱 증가시키기 위해서는 ‘공간’ 요소를 활용한 공간 다중화 (SDM: spatial-division multiplexing) 기술이 활용될 것으로 예상된다. 단위 면적 당 전송용량이 극대화된 SDM 광섬유는 그 자체로도 공간 효율성 증대에 따른 경제적 이득을 누릴 수 있을 뿐만 아니라, 각종 SDM 광소자 및 부품 개발을 위한 핵심적인 요소들로 사용될 수 있을 것으로 보인다. 따라서 본 논문에서는 SMF 번들, MC-SMF (multi-core single-mode fiber), MC-FMF (multi-core few-mode fiber) 등의 다양한 SDM 광섬유 기술들을 논의하고, 이러한 기술들을 사용한 차세대 광전송망의 전송용량 증대 효과에 대해 분석하였다. 효율적인 공간 활용이 시급한 데이터 센터 및 가입자 망에서는, 가까운 미래에 상용화가 될 수 있을 만큼 산업적 성숙도가 높고, 이미 존재하는 인프라를 충분히 활용할 수 있는 SDM 기술이 적용될 것으로 예상된다. 따라서 본 논문에서는 기존의 SMF와 호환이 용이하면서도 효과적으로 공간 효율성을 향상시킬 수 있는 단면적이 감소된 12가닥 광섬유 리본을 제안하였다. 먼저 광섬유 리본을 구성하고 있는 광섬유를 소형화하기 위한 방안으로 depressed-cladding index 프로파일을 최적화하였다. 그 결과, 클래딩 직경을 약 80 um로 감소시키더라도 기존의 SMF와 호환이 가능한 전송용 광섬유로 사용할 수 있음을 확인하였다. 또한, 제작된 광섬유 리본은 상용 12가닥 광섬유 리본과 비교하여 약 75% 높은 공간효율성을 가지며, 광 케이블 내에 배치된 광섬유 가닥 수를 현재의 약 2배로 증가시킬 수 있는 것으로 나타났다. 이어서 SMF 번들이 가지는 공간효율의 한계를 뛰어넘을 수 있는 대표적인 SDM 광섬유로 알려진 MC-SMF의 전송 용량을 평가하였다. 이를 위해 MC-SMF기반 광전송 시스템에서 사용되는 변조방식과 각 코어의 유효면적이 전송용량 증대효과에 미치는 영향을 살펴보았다. 먼저 고차 변조방식의 신호들은 코어 간 crosstalk (inter-core XT)에 대한 취약성으로 인해 예상보다 전송용량 증가에 비효율적인 것으로 분석되었다. 또한, 트렌치형 코어의 유효면적 증가는 inter-core XT을 증가시킬 뿐만 아니라 차단 파장에도 부정적인 영향을 미쳤다. 그 결과 각 코어의 유효면적을 110 um2 이상으로 증가시키는 방안은 오히려 효율적이지 않은 것으로 나타났으며, 최적화된 7-코어 MC-SMF를 사용하여 얻을 수 있는 단일 코어 SMF 대비 단위면적 당 전송용량의 증가율은 약 300%에 그치는 것을 확인하였다. 이는 MCF 기반 SDM 기술이 가지는 한계로, 추가적인 전송용량 증대 효과를 얻기 위해서는 코어 내에서도 적용할 수 있는 SDM 기술이 요구되었다. FMF 기반 SDM 기술은 한 코어 내에 존재하는 여러 개의 모드들을 독립적인 전송 채널로 동작시킬 수 있기 때문에, 전송용량을 극대화 시킬 수 있는 방안으로 MC-FMF의 활용이 많은 주목을 받고 있다. 하지만 MC-SMF와 마찬가지로 inter-core XT이 주된 성능 열화 요인으로 작용하기 때문에 그에 대한 분석이 요구된다. 따라서 본 논문에서는 homogeneous MC-TMF (multi-core two-mode fiber)에서 발생하는 각종 mode coupling을 coupled-mode theory를 사용하여 모델링 하였고, 이를 바탕으로 각 모드가 겪는 inter-core XT을 분석하였다. 그 결과, inter-core XT은 광섬유의 구부러짐에 대해 큰 의존성을 가지고 있음을 발견할 수 있었다. 광섬유의 구부러짐이 적은 경우에는 inter-core homo-mode coupling의 영향이 지배적이었다. 하지만 광섬유의 구부러짐이 증가하여 특정 구부림 반경보다 작아지면 inter-core hetero-mode coupling의 영향이 커지는 것으로 나타났다. 또한 구부림 반경이 작아질수록 intra-core mode coupling이 심화되었으며 그로 인해 각 모드가 겪는 inter-core XT의 양도 서로 비슷해진다는 것을 확인하였다. 하지만 도출된 결과로부터 알 수 있는 사실은, homogenous MC-FMF로는 inter-core XT이 충분히 억제된 광섬유를 설계하기가 쉽지 않다는 점이다. 따라서 그에 대한 대안으로 heterogeneous MC-FMF를 고려하였다. Heterogeneous MC-FMF를 진행하는 각 모드들은 인접한 코어 내에 있는 어떠한 모드와도 유효 굴절률이 같지 않기 때문에 매우 적은 inter-core XT이 발생하는 것이 특징이다. 하지만 설계에서 발생하는 가장 큰 어려움은 코어 당 수용할 수 있는 모드의 수를 증가시킬수록 각 모드간의 유효 굴절률 차이가 점차 감소한다는 점이다. 이러한 문제를 해결하기 위해 모드 간 유효 굴절률 차이를 극대화시키기 용이한 TA-GI (trench-assisted graded-index) 프로파일을 가진 두 종류의 코어를 고려하였다. 코어 설계치의 최적화는 DMD (differential mode delay)와 각 모드들의 구부림 손실을 고려하여 수행하였다. 이어서 두 종류의 코어가 육각배열로 배치된 6-코어 4-LP-모드 광섬유를 제안하였다. 제안된 광섬유는 C+L 밴드 전 영역에서 <50 ps/km의 DMD와 <-40 dB/km의 inter-core XT을 가지며, 기존 SMF 대비 단위면적 당 모드의 개수가 약 1700% 증가한 것으로 나타났다. 따라서 현재의 SMF가 갖는 전송용량의 한계를 극복하고, 단위면적 당 전송용량을 많게는 10배 이상 증가시킬 수 있을 것으로 기대된다.