[재미있는 전기 이야기] 광 해저 케이블 개발의 역사Ⅱ

기사 분류 > 전기기술

[재미있는 전기 이야기] 광 해저 케이블 개발의 역사Ⅱ

2011년 5월 18일 (수) 12:15:22 | 지면 발행 ( 2011년 4월호 - 전체 보기 )

1970년 미국의 코닝Corning 사가 세계 최초로 파장 0.63미크론으로 20dB/㎞라는 저손실 광섬유 개발에 성공했다. 이를 계기로 전 세계 연구기관이 이 새로운 전송 매체를 받아들였으며, 일본, 미국, 유럽의 해저 케이블 연구소가 광섬유를 받아들인 것은 그로부터 5년 뒤인 1975년경이었다.
미국 벨연구소는 1960년대에 1인치 동축 해저 케이블로 전화 138회선의 SD 방식을 개발했다. 그 후 SF 방식(지름 1.5인치, 845회선), SG 방식(지름 1.7인치, 4000회선)을 잇달아 개발하고 대서양, 태평양에 시설해 국제통신발전에 큰 공헌을 했다. 1970년에는 장래를 대비한 초대용량 방식으로 SH 방식(지름 1.9인치, 1만여 회선) 개발에도 착수했다. 그러나 케이블 지름이 지나치게 굵어지는 등 해결해야 할 기술적 문제가 많아 1978년 개발을 중지하고 말았다. 그동안의 기술적 문제를 해결하는 광섬유의 출현으로 전 세계는 광섬유를 해저 케이블에 적용하려는 개발 경쟁을 시작했다.

정리 전화영 기자

광 해저 케이블의 개발 경쟁
미국｜1978년 벨연구소는 세계에서 가장 먼저 광해저 케이블 시험 제작 결과를 발표했다. 단파장을 이용한 광 파장과 멀티 모드를 사용한 광섬유는 초기 단계의 광 기술이었다. 시험 제작 광 해저 케이블은 <그림 1>과 같이 광섬유를 플라스틱 재료로 피복해 해저 케이블 중심에 배치하고 항장력선抗張力線으로 둘러싸 케이블의 신장伸長과 함께 광섬유도 늘어나는 타이트 구조(Tight Structure)였으며, 고강도의 광섬유가 필요했다. 이 시험 제작 케이블은 그때까지 충분한 실적을 쌓은 동축 해저 케이블의 설계, 제조를 최대한으로 살린 구조였다. 최초의 시험 제작은 심해용 광 해저 케이블로는 아직 부족했으나, 그 결과는 성공적이어서 이후 세계 각국의 광 해저케이블 개발에 큰 영향을 미쳤다.

영국｜영국 STC(Standard Telephones and Cables)는 광 해저 케이블 개발 경쟁에서 미국과 일본에 대항하고자 1980년 세계 최초로 해양 실험을 했다. 여기에는 전신 해저 케이블 개발 이래 150년이라는 역사의 전통을 지키려는 의지도 숨어 있었다.
실험 시스템은 140Mbps 재생 중계기 1대를 포함하는 멀티 모드와 싱글 모드 광섬유를 설치했으며, 9.5㎞의 이 광 해저 케이블을 스코틀랜드 핀 호湖(Loch Fyne)에 시설했다. 이 실험은 1980년 영국전기학회가 개최한 '해저 통신 방식 학회'에서 발표돼 세계를 놀라게 했다.
STC가 최초로 시험 제작한 광 해저 케이블은 광섬유 보호에 알루미늄 파이프를 사용했다. 이후 수소 문제 발생으로 <그림 2>와 같이 수소가스가 잘 발생하지 않는 동 파이프로 설계 변경했다. 그러나 1994년 STC의 해저선 사업은 프랑스의 알카텔Alcatel 사에 흡수 합병되고 영국의 광 해저 케이블은 역사에서 사라졌다.

프랑스｜프랑스의 Submarcom은 <그림 3>과 같이 광섬유가 케이블 내에서 이동하자, 케이블 신장이 광섬유에 직접 전해지지 않는 신장 완화형 광섬유 유닛 구조를 제안했다. 1982년 Submarcom은 광 해저 케이블 20㎞로 해양 실험을 실시했다.
프랑스는 당초 광섬유 강도의 요구 조건을 낮추는 것이 가능한 신장 완화형 구조를 채용했다. 그러나 수십㎞나 되는 광섬유 유닛을 균일하게 제조하는 것이 어렵고 케이블 단말에서 광섬유 만류 처리가 복잡해져 후에 고강도 광섬유를 사용한 케이블 구조로 설계 변경했다. <그림 4>는 설계 변경한 광 해저 케이블의 단면이다.

일본｜① 광 해저 케이블의 난관 : 광 해저 케이블 연구는 심해의 높은 수압을 광섬유에 직접 가하는 일부터 시작했다. 높은 수압 아래 광섬유 손실은 크게 증대해 쉽게 실용화를 이룰 것으로 여겨지지 않았다. 유리 제품인 광섬유는 깨지기 쉬우며, 유리 강도는 수분에 의해 즉시 열화한다. 해저에서는 수백 기압의 높은 수압이 걸리며, 케이블 설치선으로 해저케이블을 시설하거나 회수할 때 수 t이나 되는 큰 장력이 가해진다. 그리고 광 해저 케이블은 시설 후 25년 이상 긴 시간 사용해야만 하는 등 여러 난관이 있었다.
이러한 문제를 해결하려면 광섬유를 가는 금속 파이프에 넣어 기계적으로 보호해야겠다고 판단했다. 이것은 광 해저 케이블 실현의 기본 사고가 됐다.

② 3분할 파이프 고안 : '세심한 광섬유를 보호하기 위한 길이 50㎞에 내부 지름 3㎜의 가는 박육 금속 파이프를 어떻게 만들 것인가? 게다가 파이프 중심에 광섬유를 넣어야 한다'는 고민이 개발담당자를 아침부터 밤까지 고심하게 했다. 그 결과 제조 면에서 우수한 단면인 선형扇形이형선굋形線3개를 결합해 금속 파이프를 구성하는 3분할 파이프를 선정했다.
그러나 이 3분할 파이프에 대한 특허 출원이 처음에는 거절당했다. 누구나 쉽게 생각할 수 있다는 것이 그 이유였다. 이 기본안을 거절당하면 프로젝트를 진행할 수 없다고 판단해 시제품과 도면 등을 특허청에 가지고 가 심사관에게 필사적으로 설명했다. 그리고 마침내 특허권 획득에 성공했다.
<그림 5>는 3분할 파이프 중심에 광섬유 유닛을 수용한 광 해저 케이블이다. 이 광 해저 케이블은 수심 1만m 이상의 심해를 견디며, 10t 이상의 장력을 견디는 것이 가능하다.

광 해저 케이블 해양 실험
해양 실험 실시｜1982년 <그림 6>과 같이 시험 제작한 광 해저 케이블 50㎞와 광 해저 중계기 2대를 일본 가나가와현 니노미야 실험실에서 사가미만[相模灣]에 고리 형상으로 시설했다. 당시 이 해양 실험은 <그림 7>과 같이 신문에 대대적으로 보도됐다.
실험 시스템을 해저에 무사히 시설하고 광 해저 케이블에 의한 최초의 통신이 성공을 거뒀다.

그러나 얼마 지나지 않아 케이블 손실이 증가하기 시작해 나날이 악화되더니 어느 순간 통신 불통이 됐다. 불통 원인을 밝혀내기 위해 수압, 해수, 비틀림 등 생각할 수 있는 모든 원인을 탐색했으나 장해원인을 알 수 없었다. 광섬유 손실이 왜 급격히 증가했는지 육상에서 고려할 수 있는 모든 시뮬레이션을 행하는 동안 반년이 흘렀다.
갑자기 실험실에 넣어둔 광 해저 케이블 단말에서 빨간 물이 뿜어져 나오는 놀라운 현상이 있었다. 맛을 보았더니 짰다. 그러나 왜 빨간 물이 분출했는 지 알 수 없었다. 이 이상 실험을 계속해도 시간 낭비라고 판단하고 그 즉시 실험 케이블을 회수하기로 결단을 내렸다. 이 결단은 단장斷腸의 심정이었다. '어째서 1년도 지나지 않은 해양 실험을 그만두는가', '실험 케이블 회수에만도 수억 엔의 예산이 필요하다'등의 말이 떠도는 것을 알았기 때문이다. 그리고 본심은 이 원인 불명의 대실패를 공식적으로 표면화하고 싶지 않은 까닭이었다.
1년 후인 1983년 케이블 설치선으로 중계기 2대와 광 해저 케이블 50㎞의 실험 시스템을 끌어 올렸다. 놀랍게도 수심 500m 부근에서 케이블에 예리한 날붙이를 댄 것 같은 깊은 흠집 두 군데를 발견했다.
흠집이 왜 생겼는지 알 수 없었다. 다만, 이 흠집을 통해 케이블 안으로 해수가 흘러들어 케이블 안 알루미늄이 전기분해에 의해 수소가스를 발생, 수소가스의 압력으로 케이블 안 철이 녹슬어 빨갛게 된 해수를 단말로 치솟게 한 것이 설명됐다. 그러나 아직 통신 열화 원인은 해명되지 않았다.

대발견-수소에 의한 광 손실 증대-｜해양 실험 시스템의 장해 원인을 구명하기 위해 <그림 8>과 같이 해수에 광섬유, 철, 알루미늄을 담가 전기분해 실험을 했더니, 1983년 실험 중 우연히 수소에 의한 광손실 증대를 발견했다. <그림 9>는 수소의 광 흡수파장(1.24미크론)으로 광 손실이 증가하는 것을 나타낸 실험 결과다. 이 결과는 영국 학회에 발표돼 세계적인 대발견이 됐다.
이 발표로 전 세계 광섬유 제조사, 케이블 제조사, 통신업자는 서둘러 광섬유 수소가스 대책을 세웠다. 광 해저 케이블은 수소가스가 잘 발생하는 알루미늄 사용을 멈추고, 중계기 역시 수소가스를 발생하는 접착제 사용을 그만두었다. 그때까지 시험 제작한 알루미늄 3분할 파이프는 수소를 잘 발생하지 않는 철 3분할 파이프로 재료를 변경했다.
그 후 일본, 미국, 유럽에서 광 해저 케이블 개발 경쟁이 일었으며, 일본의 철 3분할 파이프 방식의 광 해저 케이블은 2010년 현재 그 제조 길이가 지구 5바퀴에 해당하는 20만㎞가 됐다.

태평양 횡단, 최초의 광 해저 케이블
1989년 4월 18일 태평양 횡단에서 최초의 광 해저 케이블 TPC-3를 개통했다. <그림 10>은 TPC-3 케이블 루트를 그린 기념우표다. 2003년 일본의 NHK는 <그림 11>과 같이 '태평양 1만㎞, 결사의 해저 케이블'이란 타이틀로 인기 방송 '프로젝트 X'에서 TPC-3 개통까지 이야기를 방영하기도 했다.
TPC-3는 1989년 개통 이래 무고장으로 운영돼 15년 후인 2004년 퇴장했다. 계속해서 증대하는 국제통신 수요로 1992년 560Mbps의 TPC-4, 1995년 10Gbps의 TPC-5로 잇달아 대용량 시스템을 개발, 건설했다. TPC-5는 전화 환산으로 13만 회선(10Gbps)에 이르는 거대 용량이기에 케이블 장해 시 위성통신으로 회선을 복구하는 것이 어렵다. 이 때문에 <그림 12>와 같이 총 길이 2만 5천㎞의 광 해저 케이블 2조를 고리 형상으로 시설하고 케이블 장해 시 케이블 스스로 회선을 복구하는 새로운 네트워크 구성을 채용했다. 이로써 위성통신은 비행기, 자동차 등 이동 분야 전문으로 사용하게 됐으며, 국제통신은 광 해저 케이블이 주체가 됐다.

광 해저 케이블의 전송 용량은 1990년부터 2005년까지 15년 동안 약 네 자릿수나 큰 폭으로 증대했다. 이 덕분에 국제통신 요금이 대폭 싸졌으며 1990년대 시작된 인터넷의 세계적인 보급 확대에 큰 공헌을 했다.
대서양 횡단 광 해저 케이블은 세계에서 가장 경쟁이 심한 루트다. 2010년 현재 대서양에는 광 해저 케이블 13개가 운용되고 있다. IT 버블 직전에 광 해저 케이블을 많이 건설했으나 2003년 이후로 새로운 케이블 건설은 전혀 없었다. 유럽과 미국 간 통신 수요는 계속 증대해 2014년에는 새로운 대용량 광 해저 케이블 건설이 필요할 것으로 예상된다.
여기에는 케이블당 50~100Tbps라는 초대용량 방식의 건설이 기대된다. 이와 같은 초대용량 방식은 광섬유 전송의 이론 한계에 가깝다고 할 수 있다.
향후 보다 가속화될 인터넷 확대에 대응하려면 모든 신세대 광섬유 전송 기술과 새로운 광 해저 케이블 네트워크 구상이 필요할 것이다.