미래를 위한 더 빠르고 더 긴 광섬유

전기 엔지니어들은 광섬유 케이블을 통해 전달되는 정보의 거리를 제한하는 주요 장벽을 허물고 수신기가 정확하게 판독할 수 있도록 했습니다. UC 샌디에이고 웹사이트에서 발췌.

 

캘리포니아 대학교 샌디에이고 캠퍼스의 광자학 연구진은 광섬유를 통해 광 신호를 전송할 수 있는 최대 전력, 즉 전송 거리를 증가시켰습니다. 이러한 발전은 인터넷, 케이블, 무선 및 유선 네트워크의 백본 역할을 하는 광섬유 케이블의 데이터 전송 속도를 향상시킬 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다. 이 연구는 6월 26일자 Science 저널에 게재되었습니다.

 

새로운 연구는 광섬유에서 데이터 전송 속도를 높이는 데 오랫동안 걸림돌이 되어 온 문제에 대한 해결책을 제시합니다. 임계 전력 수준을 넘어서면 추가 전력 증가로 인해 광섬유 케이블에서 전송되는 정보가 돌이킬 수 없을 정도로 왜곡됩니다.

 

"오늘날의 광섬유 시스템은 마치 모래사장과 같습니다. 모래사장에서는 힘을 쓸수록 더 빨리 가라앉습니다. 광섬유는 특정 지점을 지나면 신호에 더 많은 전력을 공급할수록 왜곡이 심해져 사실상 도달 범위가 좁아집니다. 우리의 접근 방식은 이러한 전력 제한을 없애고, 결과적으로 중계기 없이 광섬유를 통해 신호가 이동할 수 있는 거리를 확장합니다."라고 과학 논문의 교신저자이자 실험의 책임자인 퀄컴 연구소의 연구원 니콜라 알리치는 말했습니다.

 

캘리포니아 대학교 샌디에이고 캠퍼스 연구진은 실험실 실험에서 중계기(전자 재생기) 없이 표준 증폭기를 사용하여 광섬유 케이블을 통해 무려 12,000km를 이동한 정보를 성공적으로 해독했습니다.

 

새로운 연구 결과는 광섬유 링크를 따라 주기적으로 배치되는 전자 재생기의 필요성을 사실상 없애줍니다. 이러한 재생기는 사실상 슈퍼컴퓨터와 같으며 전송 시 각 채널에 적용되어야 합니다. 80개에서 200개 채널을 사용하는 현대 광파 전송에서 전자 재생은 비용을 결정하며, 더 중요한 것은 투명한 광 네트워크 구축을 방해한다는 것입니다. 결과적으로, 주기적인 전자 재생을 없애면 네트워크 인프라의 경제성이 크게 향상되어 궁극적으로 더 저렴하고 효율적인 정보 전송이 가능해질 것입니다.

 

이 연구의 획기적인 발전은 연구진이 개발한 광대역 "주파수 빗(frequency comb)"에 기반합니다. 이 논문에 설명된 주파수 빗은 광섬유를 통해 장거리를 이동하는 정보 묶음 스트림 사이에서 발생하는 "크로스토크(crosstalk)"라고 하는 신호 왜곡을 예측 가능하게 하여 광섬유 수신단에서 가역적으로 복원할 수 있도록 합니다.

 

 

"광섬유 케이블 내 통신 채널 간의 혼선은 고정된 물리 법칙을 따릅니다. 무작위적인 것이 아닙니다. 이제 우리는 혼선의 물리적 원리를 더 잘 이해하게 되었습니다. 본 연구에서는 혼선을 활용하여 광섬유의 전력 장벽을 제거하는 방법을 제시합니다."라고 UC 샌디에이고 전기컴퓨터공학과 교수이자 과학 논문의 수석 저자인 스토잔 라딕(Stojan Radic)은 설명했습니다. "저희 접근 방식은 정보가 전송되기 전에 정보를 조정하여 수신자가 커 효과(Kerr effect)로 인한 혼선을 방지합니다."

 

광자학 실험은 Radic이 이끄는 광자학 시스템 그룹의 연구자들에 의해 UC 샌디에이고의 Qualcomm 연구소에서 수행되었습니다.

 

피치 퍼펙트 데이터 전송

 

UC 샌디에이고 연구진의 접근 방식은 콘서트 마스터가 콘서트 시작 시 오케스트라의 여러 악기를 같은 음높이로 조율하는 것과 유사합니다. 광섬유에서는 정보가 서로 다른 주파수로 작동하는 여러 통신 채널을 통해 전송됩니다. 전기 엔지니어들은 주파수 빗을 사용하여 광섬유를 통해 전파되는 "광 캐리어"라고 불리는 다양한 광 정보 스트림의 주파수 변화를 동기화했습니다. 이 접근 방식은 동일한 광섬유 내 여러 통신 채널 간에 발생하는 누화를 미리 보상합니다. 또한 주파수 빗은 통신 채널 간의 누화가 가역적으로 이루어지도록 보장합니다.

 

 

"전송하는 광 신호의 전력을 20배 증가시킨 후에도, 처음에 주파수 빗을 사용했을 때 원래 정보를 복원할 수 있었습니다."라고 이 논문의 제1 저자인 UC 샌디에이고 전기공학 박사과정생 에두아르도 템프라나는 말했습니다. 주파수 빗은 시스템이 수신기에서 원래 콘텐츠를 재조립하는 것을 불가능하게 만드는 무작위 왜곡을 축적하지 않도록 보장했습니다.

 

실험실 실험에는 3개와 5개의 광 채널을 갖춘 구성이 사용되었으며, 이 채널들은 실리카 광섬유 케이블 내에서 서로 상호 작용합니다. 연구진은 이러한 접근 방식이 훨씬 더 많은 통신 채널을 가진 시스템에도 적용될 수 있다고 지적합니다. 오늘날 대부분의 광섬유 케이블은 32개 이상의 광 채널을 포함하고 있으며, 각 채널은 서로 상호 작용합니다.

 

Science 논문에서 연구진은 광섬유 케이블 내 통신 채널 간에 발생하는 비선형 효과를 사전에 보상하기 위한 주파수 참조 방식을 제시합니다. 정보는 광섬유를 통해 전송될 때 예측 가능하고 가역적인 방식으로 사전에 왜곡됩니다. 주파수 빗을 사용하면 광섬유 수신단에서 정보를 복호화하고 완전히 복원할 수 있습니다.

 

Qualcomm 연구소의 연구 과학자이자 그룹에서 빗살무늬 개발을 담당한 빌 쿠오는 "우리는 광섬유에서 발생할 왜곡 효과를 미리 예방하고 있습니다."라고 말했습니다.

 

같은 연구 그룹은 작년에 이론적 논문을 발표했는데, 그 논문에서는 지금 발표하는 실험 결과가 이론적으로 가능하다는 사실을 설명했습니다.