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Nikkei X-TECH_2021.3.19

광섬유의 한계를 돌파
드디어 실용화된 멀티 코어

인터넷 회선과 데이터센터 내의 배선, 해저케이블 등 모든 네트워크에서 광섬유가 활약하고 있다. 기본적인 구조부터 기업 네트워크로의 도입, 트러블슈팅 포인트, 최신 기술까지 광섬유에 대해 철저하게 분석해본다.

여기서는 광섬유 기술의 진화 과정과 최신 기술을 살펴보기로 한다. 먼저 최신 기술에 도달하기까지의 광섬유 기술의 역사를 소개하겠다.

광섬유에서 사용되는 광원의 파장으로 가장 전송 손실이 적은 것은 1,550nm 파장대 부근이다. 하지만 1980년대 중반까지 1,550nm는 사용되지 않았다. 파장 분산 현상 때문이다.

파장 분산이란 파장 성분마다 맞은편에게 닿을 때까지의 시간차가 발생해 신호의 파형이 왜곡되는 현상이다. 빛의 파장에는 폭이 있어 파장마다 전파 속도가 다르기 때문에 발생한다. 이를 해결하기 위해 개발된 것이 단일 파장의 빛을 낼 수 있는 DFB-LD라는 레이저이다.

또한 파장 분산이 0인 파장을 기존 1,310nm에서 1,550nm 파장대로 이동시킨 ‘분산천이형 광섬유(Dispersion Shifted Fiber, DSF)’와 파장 분산으로 왜곡된 신호 파형을 보상하는 ‘분산보상 광섬유(Dispersion Compensated Fiber, DCF)’가 개발되었다.

-- DWDM과 디지털 코히런트(Coherent) --
1990년대에는 고밀도파장분할다중(Dense Wavelength Division Multiplexing, DWDM)의 등장으로 대용량화가 진행되었다. DWDM은 파장분할다중의 일종이다. 파장분할다중에서는 파장이 다른 복수의 광신호가 하나의 광섬유를 통해 전송된다.

또한 현재는 ‘디지털 코히런트’라는 기술을 통해 1파(波) 당 최대 400G비트/초의 대용량화를 실현했다. 이 기술은 다중위상변조(Multi-phase modulation)나 편파다중(DP-QPSK)등을 조합해 1개의 파장으로 전송할 수 있는 정보를 늘리고 디지털 신호 처리를 통해 파형의 왜곡을 보정한다.

-- 공간다중기술로 한계 돌파 --
지금까지 살펴본 바와 같이 다양한 신기술을 통해 광섬유의 고속 및 대용량화가 추진되어 왔다. 그러나 “1개의 광섬유로 보낼 수 있는 전송 용량에 한계가 보이고 있다”라고 스미토모전기공업 광통신연구소의 카나모리(金森) 담당주간(主幹)은 지적한다. S MF(싱글 모드 광섬유)의 물리적 한계라고 일컬어지는 100T비트/초에 근접해지고 있기 때문이다.

그 돌파구로서 기대되고 있는 것이 ‘공간분할다중(SDM)’이다.

1개의 광섬유로 복수의 전송로를 공간적으로 설치해 전송 용량을 확장시키는 기술이다. 구체적인 방법으로는 ‘다중모드 광섬유(Multi Core Fiber, MCF)’와 ‘단일모드 광섬유(Few Mode Fiber, FMF)’ 두 가지가 있다.

MCF는 0.125mm 크기의 클래드(코어를 감싸는 피복)의 외경은 바꾸지 않고 복수의 코어를 만들어 전송 용량을 확대한 것이다.

FMF는 일부러 복수의 모드가 통과하도록 해 각 모드에 다른 신호를 싣는 방법으로 전송 용량을 늘린 것이다. 또한 MCF에는 비결합형과 결합형의 2종류가 있다. 비결합형은 코어의 간격을 넓히는 것으로, 코어 간의 빛의 누설(크로스톡)을 없애고 각각의 코어로 데이터를 전송할 수 있다. 반면, 결합형은 크로스톡을 허용해 코어 간 간격을 좁히고 코어의 밀도를 높인 것이다. 신호가 섞이기 때문에 MIMO 신호처리로 분리한다.

-- 상용화는 2025년경? --
약 20년 전부터 추진되어온 MCF의 개발이지만 이제야 비로소 상용화 가능성이 보이기 시작하고 있다. 후지쿠라는 “상용화의 시기는 2020년대 중반으로 생각하고 있다”(코퍼레이트 R&D부문 광응용기술 R&D센터의 다나카(田中) 센터장)라고 밝히고 있다. 후루카와전공(古河電工)도 “2025년을 이정표로 추진하고 있다”(연구개발본부 정보통신·에너지 연구소의 스기사키(杉崎) 주간연구원)라고 한다.

하지만 적용 분야는 개발 초기와는 방침이 바뀌었다고 한다. 후지쿠라는 당초, 해저케이블 등의 장거리·대용량의 용도를 상정하고 있었지만, 우선은 데이터센터용의 고밀도·대용량화를 실현하는 용도로 상용화할 방침이다. 후루카와전공은 장거리 전송과 고밀도화의 양립을 목표로 개발을 추진하고 있다.

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