현대 광통신 시스템에서 더 높은 용량과 더 긴 전송 거리를 추구하는 과정에서 근본적인 물리적 한계인 노이즈는 항상 성능 향상을 제약해 왔습니다.
일반적으로에드파에르븀 첨가 광섬유 증폭기 시스템의 각 광 전송 범위는 약 0.1dB의 누적 자발 방출 잡음(ASE)을 생성합니다. 이는 증폭 과정 중에 빛/전자 상호 작용의 양자 무작위 특성에 기인합니다.
이러한 유형의 잡음은 시간 영역에서 피코초 수준의 타이밍 지터로 나타납니다. 지터 모델 예측에 따르면, 분산 계수가 30ps/(nm·km)일 때 1000km 전송 시 지터가 12ps 증가합니다. 주파수 영역에서는 광 신호 대 잡음비(OSNR)가 감소하여 40Gbps NRZ 시스템에서 3.2dB(@ BER=1e-9)의 감도 손실이 발생합니다.
더 심각한 문제는 광섬유 비선형 효과와 분산의 동적 결합에서 비롯됩니다. 1550nm 윈도우에서 기존 단일 모드 광섬유(G.652)의 분산 계수는 17ps/(nm·km)이며, 이는 자기 위상 변조(SPM)로 인한 비선형 위상 편이와 결합됩니다. 입력 전력이 6dBm을 초과하면 SPM 효과로 인해 펄스 파형이 크게 왜곡됩니다.
위 그림에 나타난 960Gbps PDM-16QAM 시스템에서 200km 전송 후의 아이 오프닝은 초기값의 82%이며, Q 인자는 14dB(BER ≈ 3e-5에 해당)로 유지됩니다. 거리가 400km로 확장되면 교차 위상 변조(XPM)와 4파장 혼합(FWM)의 효과가 결합되어 아이 오프닝 정도가 63%로 급격히 떨어지고 시스템 오류율이 경판정 FEC 오류 정정 한계인 10^-12를 초과합니다.
직접 변조 레이저(DML)의 주파수 처프 효과는 악화될 수 있다는 점에 유의해야 합니다. 일반적인 DFB 레이저의 알파 매개변수(선폭 향상 계수) 값은 3~6 범위에 있으며, 순간 주파수 변화는 변조 전류가 1mA일 때 ±2.5GHz(처프 매개변수 C=2.5GHz/mA에 해당)에 도달할 수 있으며, 80km G.652 파이버를 통해 전송한 후 펄스 확장율이 38%(누적 분산 D·L=1360ps/nm)가 됩니다.
파장 분할 다중화(WDM) 시스템에서 채널 누화는 더 큰 장애물이 됩니다. 50GHz 채널 간격을 예로 들면, 4파장 혼합(FWM)으로 인한 간섭 전력은 일반 광섬유에서 약 22km의 유효 길이(Leff)를 갖습니다.
파장 분할 다중화(WDM) 시스템에서 채널 누화는 더 깊은 장애물이 됩니다. 50GHz 채널 간격을 예로 들면, 4파 혼합(FWM)으로 생성되는 간섭 전력의 유효 길이는 Leff=22km(광섬유 감쇠 계수 α=0.22 dB/km에 해당)입니다.
입력 전력을 +15dBm으로 증가시키면 인접 채널 간의 누화 레벨이 7dB(-30dB 기준 대비) 증가하여 시스템은 순방향 오류 정정(FEC) 중복성을 7%에서 20%로 높여야 합니다. 유도 라만 산란(SRS)으로 인한 전력 전달 효과는 장파장 채널에서 킬로미터당 약 0.02dB의 손실을 초래하여 C+L 대역(1530-1625nm) 시스템에서 최대 3.5dB의 전력 강하를 초래합니다. 동적 이득 등화기(DGE)를 통한 실시간 기울기 보상이 필요합니다.
이러한 물리적 효과를 합친 시스템 성능 한계는 대역폭 거리 곱(B·L)으로 정량화할 수 있습니다. G.655 파이버(분산 보상 파이버)의 일반적인 NRZ 변조 시스템의 B·L은 약 18000(Gb/s)·km인 반면, PDM-QPSK 변조 및 코히어런트 검출 기술을 사용하면 이 지표를 280000(Gb/s)·km(@ SD-FEC 이득 9.5dB)까지 향상시킬 수 있습니다.
최첨단 7코어 x 3모드 공간분할다중화 광섬유(SDM)는 약한 결합 코어 간 크로스토크 제어(<-40dB/km)를 통해 실험실 환경에서 15.6Pb/s·km(단일 광섬유 용량 1.53Pb/sx 전송 거리 10.2km)의 전송 용량을 달성했습니다.
섀넌 한계에 접근하기 위해 현대 시스템은 확률 성형(PS-256QAM, 0.8dB 성형 이득 달성), 신경망 평형화(NL 보상 효율 37% 향상), 분산형 라만 증폭(DRA, 이득 기울기 정확도 ± 0.5dB) 기술을 공동으로 채택하여 단일 캐리어 400G PDM-64QAM 전송의 Q 인자를 2dB(12dB에서 14dB) 증가시키고 OSNR 허용 오차를 17.5dB/0.1nm(@ BER=2e-2)로 완화해야 합니다.
게시 시간: 2025년 6월 12일