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[광섬유 통신 인프라의 개발과 기술동향 ①] 멀티 코어 광섬유의 실현

김대근 기자
입력 2017.07.01 00:00

[광섬유 통신 인프라의 개발과 기술동향 ①]
멀티 코어 광섬유의 실현

현재의 광섬유는 개당 광전파로(코어)를 하나만 포함한다. 광섬유 외경은 125μm이지만, 코어 직경은 기껏해야 10μm 정도밖에 되지 않아 단면 내에 낭비가 많다. 또한, 100파(波) 이상의 파장 다중화가 일반화되면서 코어 내에 전송되는 광전력이 1W를 넘어서고, 광섬유 퓨즈(fiber phase)라 불리는 코어 파괴전파 현상(임계값: 약 1.4W)에 의해 광섬유 1개당 전송용량은 100TBit/s 정도로 전송용량의 한계가 예상되고 있다. 그리하여 일본에서는 1개의 광섬유에 다수의 코어를 수용한 멀티 코어 광섬유(Multi-Core Fiber: MCF)의 고밀도화 구조로, 이종(異種) 코어의 교호배치를 이용한 이종 비결합 코어 멀티 코어 광섬유(Heterogeneous Uncoupled MCF)와 동일코어의 협간격 배치에 의한 동종 결합 코어 멀티 코어 광섬유(Homoge-neous Coupled MCF)의 모드 다중전송이 제안되었다.

정리 편집부

2종류의 멀티 코어 광섬유
이종 비결합 멀티 코어 광섬유
싱글코어 광섬유의 전송용량의 한계를 타파하는 신구조의 광섬유로서, 이종 비결합 멀티 코어 광섬유를 소개한다. 통상의 멀티 코어 광섬유에서는 전파상수가 서로 같은 동일코어가 사용되고 있으며, 이러한 멀티 코어 광섬유를 동종 멀티 코어 광섬유(Homogeneous Multi-Core Fiber)라 부르기로 한다. 동일코어를 사용할 경우, 코어 간 크로스토크를 회피하기 위해 코어간격을 상당히 떼어 둘 필요가 있기 때문에 코어밀도를 높이기가 어렵다. 그래서 전파상수가 서로 다른 복수의 코어를 사용하는 멀티 코어화를 상정, 이러한 광섬유를 이종 비결합 멀티 코어 광섬유(Heterogeneous Multi-Core Fiber)라 부르기로 한다. 이종 비결합 멀티 코어 광섬유를 설계하기 위해서는 동일코어 간 이종코어 간 결합의 정도를 조사해 둘 필요가 있다. 여기서는 이 이론적인 검토결과에 대해 기술한다.

광섬유의 기본적인 파라미터로, Δ=(n₁²- n₂²)/(2n₁²)에 의해 정의되는 비굴절률차(比屈折率差)가 있다. n₁은 코어의 굴절률, n₂는 클래드의 굴절률이다.

먼저, 통상의 단일모드 광섬유와 같은 정도의 비굴절률차 Δ=0.30~0.40%, 즉 낮은 Δ의 코어를 사용하여 이종 비결합 멀티 코어 광섬유를 구성하는 것을 상정, 코어 반경 a를 4.5μm, 클래드의 굴절률 n₂를 1.45, 동작파장을 1550nm으로 한다. 코어의 굴절률 n₁은 각각의 코어를 단일모드로 전송시키기 위해 비굴절률차 Δ가 0.410% 이하가 되는 값으로 설정한다. [그림 1]은 비굴절률차를 Δ=0.30~0.40%로 한 동일코어에 대해 결합길이와 코어간격 D와의 관계를 나타낸 그래프이다. 전송거리를 100km로 두고 코어 간 크로스토크가 - 30dB 즉, 1000분의 1 이하가 되도록 여기서는 결합길이의 목표치를 5000km로 한다. 이 그림에서 알 수 있듯이 비굴절률차를 0.375% 이상으로 하면 동종 코어간격 D=70μm 정도에서 결합길이는 5000km 이상이 된다. 다음으로 비굴절률차가 서로 다른 2개의 코어 1, 2를 상정해 코어1의 비굴절률차를 Δ₁=0.375%로 하고, 이종코어 간의 최대전력 이행률과 코어2의 비굴절률차 Δ₂와의 관계를 [그림 2]에 나타냈다.

이종코어 간격 Λ가 30μm인 경우, 2개 코어의 비굴절률차가 서로 불과 0.005% 다르게 되면 한쪽의 코어에서 다른 쪽 코어로의 최대전력 이행률은 1000분의 1에서 10000분의 1 이하가 된다. 이종코어 간격 Λ가 40μm가 되면 최대전력 이행률은 더욱 작아진다. 따라서 이종코어 간 크로스토크가 30μm 이하가 되는 비굴절률차를 0.375~0.40%의 범위 내에 있는 값에서 3종류를 선택하여 이 코어들을 코어피치 40μm(동일코어의 간격 D는 그 루트 3배로 70μm)에서 삼각배치하면 클래드 직경이 표준 치수 125μm인 경우, [그림 3](a)에서와 같이 7개의 코어를 수납할 수 있게 된다. 또 이러한 조건을 만족하는 2종류의 코어를 동일코어 간의 간격 D=70μm, 수평방향의 코어피치 35μm에서 장방형 배치하면, [그림 3](b)에서와 같이 6개의 코어를 수납할 수 있게 된다.

코어밀도를 더욱 높이기 위해서는 보다 큰 비굴절률차를 가지는 코어를 사용할 필요가 있다. 그래서 높은 Δ코어를 사용하여 비결합형 이종코어 멀티 코어 광섬유의 구성을 상정해 코어 반경을 작게 하여 2.5μm로 하고, 클래드의 굴절률, 동작파장에 대해서는 낮은 Δ코어의 경우와 마찬가지로 각각 1.45, 1550nm으로 한다. 또 코어의 굴절률에 대해서는 각각의 코어를 단일모드로 전송시키기 위해 비굴절률차를 1.30% 이하로 한다. 코어 간 크로스토크의 목표치를 -30dB 이하로 하고, 낮은 Δ코어의 경우와 마찬가지로 고찰해 보면, 삼각배치의 경우 코어피치는 Λ=23μm(동일코어의 간격 D는 그 루트 3배로 40μm)가 되어 클래드 직경이 표준 치수의 125μm일 때 [그림 4](a)에서와 같이 19개의 코어를 수납할 수 있다. 또 2종류의 코어를 동일코어 간의 간격 40μm, 수평방향의 코어피치 20μm로 장방형 배치를 시키면 [그림 4](b)에서와 같이 12개의 코어를 수납할 수 있다. 이와 같이 광섬유 1개에 코어 1개만을 수용하는 기존의 싱글코어 광섬유에 비해 공간다중 방식으로 전송용량을 10배 이상 향상시킬 수 있다.

동종 결합 멀티 코어 광섬유

다음으로 코어간격을 이종 비결합 멀티 코어 광섬유에 의해 밀접화하여 코어 밀도를 높일 수 있는 동종 결합 멀티 코어 광섬유를 소개한다. 동종 결합 멀티 코어 광섬유에서는 굴절률차와 코어 지름이 동일한 코어를 밀접하게 배치하고 코어 간에 결합을 적극적으로 발생시켜, 이 각 결합모드를 전송채널에 대응시킨다. 그러나 결합모드 간의 등가 굴절률차(등가 굴절률 n_eq는 도파모드(導波-, guided mode)의 전파상수 β의 진공 중 평면파의 전파상수 k₀에 대한 비, n_eq=β/k₀)가 작은 경우, 코어와 클래드 경계의 요철 등 약간의 섭동으로 결합모드 간에 모드변환이 쉽게 일어난다. 이를 방지하기 위해서는 코어간격을 좁혀 강결합(强結合) 상태로 만들면 된다. 이 설계 데이터로서 동종코어 5개의 간격과 규격화된 등가 굴절률 간의 관계를 [그림 5]에 나타냈다. 세로축은 결합모드(5개의 코어가 결합되어 있기 때문에 결합모드도 0에서 4차까지 5개 있다)의 등가 굴절률 n_eq와 클래드의 굴절률 n₂(1.45로 가정)와의 차를 코어와 클래드의 굴절률차로 규격화하고 있다. 비굴절률차는 Δ=(n₁²- n₂²)/(2n₁²) =1.1%로 가정했다. 따라서 코어가 단독으로 존재하는 경우에도 단일모드를 유지하도록 코어 직경을 2a=5μm로 하고 있다.

코어들이 서로 접하도록 코어 중심 간의 거리를 D=2a=5μm로 설정하면, 기본모드와 1차모드 간의 등가 굴절률차는 0.00064가 되며, Δ=0.3%의 일반 단일모드 광섬유의 기본모드 등가 굴절률과 클래드 굴절률의 차가 0.0017 정도이므로 그 약 37%가 된다. 고차모드 간에서는 이 값이 더욱 커진다.

하이브리드 멀티 코어 광섬유
동종 결합 멀티 코어 광섬유에서는 모드 간 전파상수 차를 높게 유지하기 위해 결합코어 수를 무턱대고 늘릴 수 없다. 그렇기 때문에 동종 결합 멀티 코어 광섬유만으로는 코어밀도를 높이기 어렵다. 이에 따라 코어밀도를 더욱 향상시키기 위해 5개 정도의 결합코어군을 비결합 거리만큼 떨어뜨려 배치한 [그림 6]과 같은 하이브리드 구성을 생각해볼 수 있다. 여기서 3종류의 비굴절률차 Δ(1.2, 1.25, 1.3%)를 이용하면 78개의 코어를 수납할 수 있다. 단, 주변코어의 손실 저감을 위해 광섬유 지름을 다소 굵게(150μm 정도) 할 필요가 있다.

멀티 코어 광섬유 입출력 기술

이종 비결합 멀티 코어의 입출력단에는 개개의 코어에 광신호를 입력하기 위해 fan-out 디바이스가 필요하다. 렌즈 결합이 가장 확실한 방법이지만, 테이퍼 광섬유를 이용한 접속 디바이스도 알려져 있다. WDM 합분파기(合分波器) 등과의 집적화를 목표로 하는 것이라면 광섬유 단면의 2차원 코어 배치와 도파로 디바이스 입사단(入射端)의 1차원 코어 배열을 접속하는 3차원적 배선기능이 필요하게 된다.

한편, 동종 결합 멀티 코어 광섬유의 입출력에는 입사포트 번호와 멀티 코어 광섬유 결합모드의 모드차수(次數)를 대응시키기 위해 모드 합분파기가 필요하게 된다. 이 디바이스로는 어레이 도파로 그레이팅(AWG)과 유사한 구조나 멀티 코어 광섬유를 이용한 선택적 모드 결합형 등을 들 수 있다.