광 주파수 콤과 광 전송?

아시다시피, 1990년대 이후 WDM 기술은 수백, 심지어 수천 킬로미터에 달하는 장거리 광섬유 링크에 사용되어 왔습니다. 대부분의 지역에서 광섬유 인프라는 가장 값비싼 자산인 반면, 송수신기 부품 비용은 상대적으로 저렴합니다.
하지만 5G와 같은 네트워크에서 데이터 전송 속도가 폭발적으로 증가함에 따라 WDM 기술은 단거리 링크에서도 점점 더 중요해지고 있습니다. 단거리 링크는 훨씬 더 많은 양으로 구축되기 때문에 송수신기 어셈블리의 비용과 크기에 더욱 민감합니다.

현재 이러한 네트워크는 여전히 공간 분할 다중화 채널을 통해 병렬로 전송되는 수천 개의 단일 모드 광섬유에 의존하며, 채널당 최대 수백 기가비트/초(800G)의 비교적 낮은 데이터 전송률을 가지며 T급에서 가능한 응용 분야는 소수에 불과합니다.

하지만 가까운 미래에 일반적인 공간 병렬화 개념은 확장성의 한계에 도달할 것이며, 데이터 전송률의 추가적인 증가를 감당하기 위해서는 각 광섬유 내 데이터 스트림의 스펙트럼 병렬화로 보완해야 할 것입니다. 이는 채널 수와 데이터 전송률 측면에서 최대 확장성이 중요한 WDM 기술의 완전히 새로운 응용 분야를 열어줄 수 있습니다.

이러한 맥락에서,광 주파수 콤 발생기(FCG)광 주파수 콤은 다수의 잘 정의된 광 캐리어를 제공할 수 있는 소형의 고정형 다중 파장 광원으로서 핵심적인 역할을 합니다. 또한, 광 주파수 콤의 특히 중요한 장점은 콤 라인들이 본질적으로 주파수 간격이 동일하여 채널 간 가드 밴드가 필요하지 않고, 기존의 DFB 레이저 어레이를 사용하는 방식에서 단일 라인에 필요한 주파수 제어를 피할 수 있다는 점입니다.

이러한 장점은 WDM 송신기뿐만 아니라 수신기에도 적용되며, 수신기에서는 개별적인 국부 발진기(LO) 어레이를 단일 콤 제너레이터로 대체할 수 있다는 점에 유의해야 합니다. LO 콤 제너레이터를 사용하면 WDM 채널의 디지털 신호 처리가 더욱 용이해져 수신기의 복잡성이 줄어들고 위상 잡음 내성이 향상됩니다.

또한, 위상 동기화를 이용한 LO 콤 신호를 사용한 병렬 코히런트 수신은 전체 WDM 신호의 시간 영역 파형을 재구성하는 것까지 가능하게 하여 전송 광섬유의 광학적 비선형성으로 인한 손상을 보상할 수 있게 합니다. 이러한 콤 기반 신호 전송의 개념적 이점 외에도, 소형화와 비용 효율적인 대량 생산은 미래의 WDM 송수신기에 있어 핵심적인 요소입니다.
따라서 다양한 빗형 신호 발생기 개념 중에서 칩 스케일 소자가 특히 주목할 만합니다. 데이터 신호 변조, 다중화, 라우팅 및 수신을 위한 확장성이 뛰어난 광자 집적 회로와 결합될 경우, 이러한 소자는 광섬유당 최대 수십 테라비트/초의 전송 용량을 갖춘, 대량 생산이 가능하고 저비용으로 제작할 수 있는 소형 고효율 WDM 송수신기의 핵심이 될 수 있습니다.

다음 그림은 광 주파수 콤(FCG)을 다중 파장 광원으로 사용하는 WDM 송신기의 개략도를 나타냅니다. FCG 콤 신호는 먼저 디멀티플렉서(DEMUX)에서 분리된 후 EOM 전기광학 변조기로 들어갑니다. 이 과정을 통해 신호는 최적의 스펙트럼 효율(SE)을 위해 고급 QAM 직교 진폭 변조를 거칩니다.

송신단에서는 채널들이 멀티플렉서(MUX)에서 재결합되어 WDM 신호가 단일 모드 광섬유를 통해 전송됩니다. 수신단에서는 파장 분할 다중화 수신기(WDM Rx)가 2차 광섬유 콤(FCG)의 LO 국부 발진기를 사용하여 다중 파장 코히런트 검출을 수행합니다. 입력 WDM 신호의 채널들은 디멀티플렉서를 통해 분리되어 코히런트 수신기 어레이(Coh. Rx)로 입력됩니다. 이때, 각 코히런트 수신기의 위상 기준으로 국부 발진기 LO의 디멀티플렉싱 주파수가 사용됩니다. 이러한 WDM 링크의 성능은 기본 콤 신호 발생기, 특히 광 회선 폭과 콤 회선당 광 출력에 크게 좌우됩니다.

물론 광 주파수 콤 기술은 아직 개발 단계에 있으며, 적용 시나리오와 시장 규모는 비교적 작습니다. 기술적 병목 현상을 극복하고 비용을 절감하며 신뢰성을 향상시킬 수 있다면 광 전송 분야에서 대규모 응용이 가능할 것입니다.