[광섬유 통신 인프라의 개발과 기술동향 ②] 광결정 광섬유의 최신동향

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[광섬유 통신 인프라의 개발과 기술동향 ②] 광결정 광섬유의 최신동향

2017년 7월 1일 (토) 00:00:00 | 지면 발행 ( 2017년 7월호 - 전체 보기 )

[광섬유 통신 인프라의 개발과 기술동향 ②]
광결정 광섬유의 최신동향

인터넷 트래픽의 급속한 증대에 따라 기존의 광섬유로는 향후 요구되는 통신용량에 대응할 수 없다는 주장이 나오고 있어 새로운 광섬유 전송로(傳送路)의 개발이 급선무가 되고 있다. 광섬유 단면에 광파장 스케일의 인공적 미세구조(일반적으로는 주기구조)를 갖는 광결정 광섬유(Photonic Crystal Fiber: PCF)는 초광대역 파장 다중 전송로의 실현 및 광파워·비선형 광학효과의 한계를 타파할 수 있어 차세대 전송용 광섬유의 후보로 주목을 받고 있다. 여기서는 도파구조(導波構造)가 다른 2종류의 PCF인 ‘굴절률 도파형 PCF(Total Internal Reflection PCF: TIR PCF)’와 ‘광결정 밴드갭 광섬유(Photonic Band Gap Fiber: PBGF)’에 대해 그 가능성과 과제를 설명한다.

정리 편집부

굴절률 도파형 광결정 광섬유
[그림 1]에 일반적인 광섬유와 TIR-PCF의 단면도를 나타냈다. [그림 1](a)의 일반 광섬유는 중심부에 배치된 고굴절률의 코어 영역에 빛을 가둔다. 한편, [그림 1](b)의 TIR-PCF에서는 중심부의 코어도 맨 바깥쪽의 클래드도 동일한 굴절률을 갖는 재료로 구성되며, 그들의 중간 영역에 공공(空孔, 빈 구멍)을 주기적으로 배치한 구조로 되어 있다. 공기의 굴절률은 유리보다 작아 거의 1에 가깝기 때문에 등가적으로는 코어 주변의 굴절률이 낮아지고, 굴절률의 차에 의한 도파구조가 발현된다. [그림 1](c)는 일반 광섬유와 같은 고굴절률 코어의 주변에 공공(空孔)을 배치한 구조로 되어 있다. 코어-클래드에 의한 도파특성에 공공(空孔)이 영향을 준다는 의미에서 ‘공공 어시스트 광섬유(Hole-Assisted Fiber: HAF)’라 불리고 있다. 일반적인 광섬유에 비해 광섬유를 구부릴 때의 손실을 작게 할 수 있으며, 일본에서는 가정 내 배선용으로 도입이 이루어지고 있다.

TIR-PCF를 전송로(傳送路)로 이용하는 경우의 여러 가지 문제 중 전송손실이라는 과제가 있었다. TIR-PCF의 시험제작 결과가 보고된 당초에는 수 dB/km라는 전송손실이 발생했다. 그러나 공공 내 표면의 평활화 등을 철저히 실시하여 일반 광섬유와 동등한 0.18dB/km라는 전송손실을 이끌어낼 수 있었다.

[그림 1](b)의 TIR-PCF에서는 공공으로 구성된 클래드 영역의 등가 굴절률이 강한 파장의존성을 가지고 있기 때문에 넓은 파장대역에서 단일모드 동작이 가능하다는 특징이 있다. 또 공공직경 d 및 공공피치 Λ를 변화시킴으로써 단일모드 조건을 유지한 채로 파장분산 특성 및 실효단면적 A_eff를 넓은 범위에서 제어할 수 있다. 예를 들어, d/Λ의 값을 0.43 이하로 하면 파장이 아무리 짧아져도(코어 지름이 아무리 커져도) 단일모드화가 가능하다. 즉, Endlessly Single Mode(ESM)를 실현할 수 있다.

그러나 TIR-PCF에서도 기존형의 광섬유와 마찬가지로 A_eff 확대와 광섬유의 벤딩손실 저감에는 트레이드 오프의 관계가 있어 벤딩손실 특성이 A_eff 확대를 제한하게 된다. 특히, 기존형의 광섬유에서는 A_eff 확대에 따라 장파장 측에서의 벤딩손실 증대가 문제가 되지만, TIR-PCF에서는 단파장 측에서의 벤딩손실 증대가 A_eff 확대의 한계를 결정하게 된다. 이것은 TIR-PCF의 클래드 영역의 등가 굴절률이 파장이 짧아지면서 배경매질의 굴절률에 점점 가까워지기 때문이다. 이러한 한계를 해결하는 구조로, [그림 2]와 같이 직경이 다른 공공을 배치한 TIR-PCF가 제안되고 있다. 등가적인 굴절률 분포로는 W형이라 불리는 분포를 이룬다. [그림 1](b)와 같은 구조의 TIR-PCF에서는 싱글모드 전송과 낮은 벤딩손실의 양립이 가능한 A_eff의 상한이 약 190μm²이며, 서로 다른 지름의 공공을 적절하게 배치함으로써 220μm² 이상의 A_eff를 갖는 TIR-PCF도 보고되고 있다. 또한, TIR-PCF의 광대역 싱글모드 특성을 살린 다수의 전송실험도 보고되고 있다. 일반적인 단일모드 광섬유에서는 파장 1300nm에서 1600nm 부근까지 전송에 이용되는 반면, TIR-PCF에서는 파장 600nm~1700nm에 이르는 초광대역 싱글모드 전송로의 실현이 가능하기 때문에 1.0km의 PCF를 이용한 650nm~1550nm의 전송실험 결과도 보고되고 있다.

또 TIR-PCF 및 HAF에서는 광섬유 퓨즈가 발생하는 역치가 높은 것으로 보고되고 있어 내파워성의 관점에서도 차세대 전송 광섬유로서 기대되는 특성을 가지고 있다.

광결정 밴드갭 광섬유

PBGF는 클래드 영역의 주기구조에 따른 외부표면에의 빛 전파에 대한 광밴드갭(Photonic Band Gap: PBG)을 이용하여 광파를 결함부인 코어 영역에 가두고, 광섬유가 더 긴 방향으로 전파시키는 PCF이다.

[그림 3]에 PBGF의 단면도를 나타냈다. [그림 3](a)의 공기 코어 PBGF는 클래드 영역에 공공을 주기적으로 배치하고, 코어 영역에는 주기적으로 배치된 단위격자를 여러 개 제거한 중공(中空) 영역으로 구성된다. [그림 3](b)는 오래 전부터 알려진 유전체 다층막을 클래드로 한, 이른바 브래그(Bragg) 광섬유이며, PBGF의 하나로 분류되고 있다. [그림 3](c)에 보이는 전체 솔리드 PBGF는 저굴절률의 배경매질 중에 고굴절률 산란체를 여러 개 배치하고 광섬유 중앙부의 결함영역(저굴절률 영역)을 코어로 하는 광섬유이다.

[그림 3](a)의 공기 코어 PBGF의 비선형 계수는 10^-3 W^-1 km^-1 정도로, 표준적인 단일모드 광섬유에 비해 비선형 계수가 세 자릿수 정도 작기 때문에 차세대 초저비선형·극저손실 전송용 광섬유로서 기대되고 있다. 공기 코어 PBGF의 구조를 결정하는 파라미터는 공공직경 d, 공공피치 Λ, 육각형의 공공각(空孔角)의 곡률직경 d_c 및 코어 주위의 링 모양의 유리 폭 t이다. d/Λ의 값이 변화하면 클래드가 나타내는 PBG 특성이 크게 변하여 광대역의 PBG를 얻으려면 매우 큰 공극률(空隙率, porosity)이 필요하다. 실제로 제작된 공기 코어 PBGF에서는 [그림 3](a)에서와 같이 코어 주위의 첫 번째 링의 주기구조가 무너지기 때문에 표면모드라 불리는 코어 주위의 유리 영역(링 모양)에 국소적으로 존재하는 전파모드가 존재하고, 이 표면모드와 공기코어를 전파하는 코어모드가 결합하는 경우 광대역의 저손실 전송을 실현하는 데 어려움이 따른다. 이러한 표면모드는 규격화된 링 모양의 유리 폭을 T=t/(Λ-d)로 정의할 경우, T=0.5 정도로 하면 PBG 내에서 거의 완전하게 억압할 수 있는 것으로 알려져 있다.

공기 코어 PBGF에 존재하는 코어모드의 총수는 기존의 광섬유 이론을 사용하여 근사적으로 추정할 수 있으며, 그 수는 코어 반경의 2승과 개구수의 2승에 비례하여 증가한다. 표준적인 저손실 PBGF의 코어모드 총수는 단위격자 7개분을 코어로 하는 PBGF(7셀 코어형)에서는 이론적으로 모드의 축퇴(縮退)를 고려하면 10 이상, 단위격자 19개분을 코어로 하는 PBGF(19셀 코어형)에서는 30 이상이 된다. 실제로 대부분의 고차모드는 누설손실 및 산란손실이 매우 크고, 결합효율도 낮기 때문에 7셀 코어형이면 실효적인 단일모드 전송이 가능하다. 그러나 코어 지름이 더욱 커지면 고차모드의 누설손실이 기본모드와 동일한 수준까지 저하된다. 이러한 코어 지름이 큰 공기 코어 PBGF에 있어서 실효적인 단일모드 동작을 가능케 하려면 코어 형상 및 클래드 형상의 최적화가 필요하다. 또 19셀 코어 이상의 코어 지름이 큰 공기 코어 PBGF에 있어서는 전파모드 수의 제어가 중요한 과제가 되는데 멀티모드 공기 코어 PBGF에 있어서도 최근 주목을 받고 있는 모드 다중 전송 기술을 적용함에 따라 대용량 전송로에의 응용이 기대되고 있다. 현재까지 보고된 공기 코어 PBGF의 최저손실은 1.2dB/km이며, 이 손실의 대부분은 코어 주위의 유리 표면 거칠기에 의한 산란손실에 기인하는 것이다. 이 산란손실을 저감하기 위해서는 유리표면의 거칠기를 극도로 최소화시키고, 코어 주위의 유리 영역으로 스며 나오는 광파워를 줄일 필요가 있다. 코어 주위의 유리 영역의 스며 나오는 빛을 최소화하려면 코어 주위의 유리 폭이 반공진(反共振) 반사조건을 충족하도록 설정하면 된다. 주의해야할 점으로 일반적으로 이 반공진 반사조건과 표면모드 억압조건은 양립할 수 없기 때문에 공기 코어 PBGF의 저손실화와 광대역화 간에는 트레이드 오프의 관계가 있다는 점이다.

[그림 3](b), (c)와 같은 브래그 광섬유 및 AS-PBGF에서는 그 전송특성을 반공진 반사광 도파로 모델(Anti reflecting Resonant Optical Waveguide: ARROW)로 이해할 수 있고, 클래드 영역의 광밴드(Photonic Band: PB)에 의한 비투과 대역과 PBG에 의한 저손실 전송 대역이 번갈아 나타나는 투과 스펙트럼 특성을 가지고 있다. 이 때문에 주로 광섬유 증폭기 및 레이저에서의 불필요한 파장의 필터 기능 디바이스 등으로 응용이 검토되고 있다. 또 AS-PBGF는 공기 코어 PBGF와는 달리, 클래드 영역의 엄밀한 주기구조가 반드시 필요하지는 않아 클래드 영역에 복수의 공진기(共振器) 구조 등을 도입하면 전파모드의 수를 제어할 수 있다.

이러한 가운데 최근 대코어 지름 파이버에의 AS-PBGF 응용이 주목을 받기 시작했다. [그림 4]는 실제로 제작된 실효단면적 확대형 AS-PBGF의 단면 사진을 나타낸 것으로, 코어지름 약 40μm의 AS-PBGF가 1000nm대에서 낮은 벤딩손실 특성과 실효적 단일모드 조건을 모두 양립하는 것으로 보고되었다. TIR-PCF와 비교할 경우, 코어지름 및 동작파장을 동등하게 하면 AS-PBGF를 이용한 쪽이 기본모드와 고차모드의 전파손실차를 크게 할 수 있으므로 코어지름 확대와 낮은 벤딩손실 특성 및 단일모드 동작조건을 양립하기 쉽다. 이러한 AS-PBGF를 통신용 전송로에 응용하게 되면 공공 구조를 이용하지 않아도 기존형 광섬유 코어지름의 한계를 대폭적으로 확대할 수 있다.

공공 구조를 이용한 TIR-PCF는 코어-클래드 간의 굴절률차가 단파장 측에서 짧고, 장파장 측에서 커지기 때문에 기존형 광섬유에 비해 단일모드 대역의 확대 및 A_eff 확대라는 점에서 유리하며, 광섬유 퓨즈에 대한 내성도 우수하므로 차세대 전송로로서의 매력이 충분한 광섬유라고 할 수 있다. 한편, 공기 코어 PBGF에 의한 극저손실 전송로를 실현하기 위해서는 반공진 반사조건과 표면모드 억압조건을 양립할 수 있는 코어 형상 및 클래드 형상의 개발이 필요하며, 장거리 전송매체로의 응용에 있어서는 공기 코어 PBGF 증폭기 및 저손실 접속기술의 확립이 핵심적 과제라고 할 수 있다. 또 AS-PBGF의 통신 전송로용 A_eff 확대형 광섬유의 응용에 있어서는 향후의 연구개발이 기대되고 있다.