중공 코어 광섬유, 물리적 한계를 뛰어넘어 광통신의 새로운 시대를 열다

중공 코어 광섬유, 물리적 한계를 뛰어넘어 광통신의 새로운 시대를 열다

공기 중을 이동하는 빛은 속도가 45% 증가하고 손실은 0.091dB/km로 감소했습니다. Microsoft가 주도하는 광섬유 기술 혁명이 글로벌 디지털 인프라 환경을 바꾸고 있습니다.

최근 Microsoft에서 지원하는 Lumenisity 연구팀은 Nature Photonics 저널에 획기적인 연구 결과를 발표했습니다. 새로운 중공 코어 광섬유는 신호 감쇠가 0.091dB/km에 불과해 기존 실리카 기반 광섬유의 이론적 한계인 0.14dB/km를 넘어섰습니다.—《 킬로미터당 0.1데시벨 미만의 감쇠를 가진 광대역 광섬유 》

"지난 40년간 도파관 기술 분야에서 가장 주목할 만한 발전"으로 칭송받는 이 기술은 광통신 분야에서 기념비적인 돌파구를 마련했습니다. 중공 광섬유는 전송 속도를 45% 향상시킬 뿐만 아니라 대역폭을 희생하지 않고도 더 먼 거리의 데이터 전송을 가능하게 합니다.

01 기술적 도약: 유리에서 공기로의 통신 혁명

기존 광섬유는 고순도 실리카 유리를 사용하여 빛 신호를 전송하는데, 이때 빛은 초당 약 2억 미터의 속도로 이동합니다. 이와는 대조적으로, 중공 광섬유는 빛이 공기를 통과하여 초당 3억 미터의 속도에 도달할 수 있도록 하는데, 이는 유리보다 45% 더 빠른 속도입니다.

중공 광섬유는 마이크론 단위 두께의 여러 개의 동심 유리관으로 구성된 독특한 "이중 중첩 반공진 노드리스 광섬유"(DNANF) 구조를 사용합니다. 이 유리관 벽은 미세한 거울처럼 작용하여 고차 모드를 억제하면서 빛을 중앙 공기 채널로 지속적으로 반사합니다.

광자 밴드갭 효과는 이 기술의 핵심 원리입니다. 정밀하게 설계된 실리카 미세 구조 링 배열은 빛을 공기 코어 내에 효과적으로 가두어 빛과 물질 간의 상호 작용을 크게 줄여 신호 감쇠를 획기적으로 줄입니다.

02 성과 혁신: 40년 기록을 깨는 핵심 지표

연구팀은 1550nm 통신 파장에서 0.091dB/km의 감쇠 수준을 달성하여 기존 실리카 광섬유의 이론적 한계를 처음으로 넘어섰습니다.

더욱 인상적인 점은 이 중공 코어 광섬유가 66THz의 넓은 스펙트럼에서 0.2dB/km 미만의 손실을 유지한다는 것입니다. 이는 좁은 통신 대역에서만 이러한 성능을 달성하는 기존 실리카 광섬유의 성능을 훌쩍 뛰어넘는 것입니다.

기존 광섬유는 약 20km마다 신호 강도가 약 절반으로 감소하여 중계기 증폭기가 필요합니다. 중공 광섬유는 이 거리를 약 33km까지 연장하여 중계기 요구량을 46% 줄이고 장거리 통신의 에너지 소비와 장비 비용을 크게 절감합니다.

03 마이크로소프트의 전략: 랩에서 글로벌 네트워크 구축으로

마이크로소프트의 중공 섬유 기술에 대한 투자는 전략적입니다. 2022년, 마이크로소프트는 첨단 중공 섬유 기술을 보유한 루메니시티(Lumenisity)를 인수한 이후, 이 기술을 연구실 수준에서 산업화 단계로 발전시켜 왔습니다.

현재 Microsoft는 약 1,200km의 신규 광섬유를 라이브 네트워크에서 운영 중이며, 실제 트래픽을 전송하고 있습니다. Ignite 2024 컨퍼런스에서 Microsoft는 향후 24개월 내에 Azure 글로벌 네트워크에 15,000km의 중공 광섬유를 구축할 계획이라고 발표했습니다.

이 배포는 AI와 고성능 컴퓨팅 시나리오의 저지연, 고대역폭 요구를 구체적으로 지원하며, Microsoft가 중공 코어 파이버 기술의 대규모 상업적 활용을 준비하고 있음을 보여줍니다.

04 응용 전망: 기존 커뮤니케이션을 넘어선 무한한 가능성

중공 광섬유의 응용 분야는 기존 통신을 훨씬 넘어설 것입니다. 인공지능 분야에서는 AI 도구에 필수적인 빠른 데이터 전송 수요를 충족할 것입니다.

양자 통신은 또 다른 중요한 응용 분야입니다. 중공 광섬유는 기존 광섬유보다 1,000배 이상 높은 전력을 전달하고 가시광선의 단일 광자 펄스를 전송할 수 있습니다.

데이터 센터 내부 연결, 고주파 금융 거래, 분산형 지능형 컴퓨팅 센터와 같이 지연 시간에 민감한 시나리오에서는 중공 코어 광섬유의 낮은 지연 시간이 중요한 역할을 합니다.

05 산업화 과제: 비용과 표준화의 장애물

유망한 전망에도 불구하고, 중공 섬유의 대규모 상업적 도입은 여전히 ​​어려움을 겪고 있습니다. 제조 비용이 가장 큰 걸림돌입니다.

전통적인 섬유는 단단한 유리를 녹여 얇은 가닥으로 늘려서 만드는 반면, 중공 코어 섬유는 이미 중공 채널이 내장된 약 20cm 너비의 유리 프리폼으로 시작합니다.

섬유가 약 100마이크론의 직경으로 늘어나면, 빈 공간은 구조를 유지하기 위해 가압이 필요합니다. 이 공정은 기존 제조 방식보다 더 복잡하고 정밀합니다.

글로벌 표준화 또한 또 다른 과제입니다. 업계는 중공 광섬유와 기존 네트워크의 호환성을 보장하기 위해 새로운 표준을 개발해야 합니다.

더욱이, 솔리드 코어 광섬유가 여전히 시장 주류를 이루고 있으며, 실제 응용 분야에서 솔리드 코어 광섬유와 중공 코어 광섬유를 연결하는 것은 중요한 문제입니다.

06 국제 R&D: 글로벌 거대 기업들의 개발 경쟁

마이크로소프트 외에도 다른 세계적인 기술 대기업들도 중공 광섬유 기술을 적극적으로 개발하고 있습니다. 노키아 벨 연구소는 양쯔강 광섬유 케이블(YOFC)과 협력하여 20km 초저손실 튜브 기반 구조를 사용하여 중공 광섬유의 약한 후방 산란 문제를 해결했습니다.

BT(브리티시 텔레콤)는 이전에 루메니시티(Lumenisity)와 중공 광섬유 시범 사업에 협력한 바 있습니다. 기술이 발전함에 따라 더 많은 통신 사업자가 시범 사업 및 구축에 참여할 것으로 예상됩니다.

학계 또한 깊이 관여하고 있습니다. 사우샘프턴 대학교 연구팀은 10년 넘게 이 기술을 발전시켜 산업화를 위한 탄탄한 기반을 마련해 왔습니다.

Microsoft는 향후 2년 내에 Azure 글로벌 네트워크에 15,000km의 중공 코어 광섬유를 구축할 계획이라고 발표하며, AI와 고성능 컴퓨팅 수요를 지원하는 데 중점을 두었습니다.

기존 광섬유는 약 20km마다 신호 중계기를 필요로 했지만, 중공 광섬유는 이를 33km까지 연장합니다. 즉, 대양 횡단 해저 케이블은 중계기 수의 거의 절반을 사용할 수 있습니다.

중공 광섬유는 현재의 통신 요구 사항만을 위한 것이 아니라, 미래 양자 통신 네트워크의 기반 인프라입니다. 취약한 양자 신호도 전송할 수 있어 양자 인터넷의 탄생을 위한 토대를 마련합니다.