스톡스 벡터 Kramers Kronig 수신기로 80km SSMF에서 480Gb/s 직검 구현

초록

본 논문은 스톡스 벡터 수신기와 디지털 캐리어를 결합한 Kramers‑Kronig(KK) 복조 방식을 제안한다. 로컬 오실레이터 없이 편광 다중화 복소 듀얼 사이드밴드 신호를 효과적으로 복원하고, 캐리어‑신호 전력비(CSPR), 가드밴드 폭, 오버샘플링 비율 등 시스템 파라미터를 실험적으로 최적화하였다. 최종적으로 60 Gbaud PDM‑16QAM 단일 캐리어 전송에서 80 km SSMF를 통과한 뒤 BER 2.0×10⁻² 이하를 달성하며 480 Gb/s 데이터 전송률을 기록하였다.

상세 분석

이 연구는 직검(direct detection) 기반 고속 광통신에서 편광 회전과 복소 신호 복원을 동시에 해결하기 위해 스톡스 벡터(KK) 수신기를 도입한 점이 핵심이다. 전통적인 Kramers‑Kronig 복조는 단일 편광 신호에 한정되었으나, 스톡스 벡터를 이용하면 4차원(편광 2축 × 복소 I/Q) 정보를 전부 측정할 수 있다. 논문에서는 디지털 캐리어를 전송 신호에 삽입해 광학적으로 실현된 복소 베이스밴드 신호와 함께 전송한다. 수신 측에서는 광전 변조기와 4채널 포토디텍터를 사용해 스톡스 파라미터(S₀, S₁, S₂, S₃)를 추출하고, 이를 기반으로 KK 알고리즘을 적용해 복소 전기 신호를 복원한다. 로컬 오실레이터가 필요 없으므로 시스템 복잡도와 비용이 크게 감소한다.

실험에서는 CSPR를 7 dB에서 12 dB까지 변화시켜 BER와 OSNR 의존성을 조사했으며, 최적 CSPR는 약 9 dB로 확인되었다. 가드밴드 폭은 디지털 캐리어와 데이터 스펙트럼 사이의 간격을 의미하는데, 0.5 GHz 이상이면 캐리어와 데이터 간 교차 간섭이 억제되어 복조 정확도가 향상된다. 오버샘플링 비율(OSR)은 디지털 신호 처리 단계에서 샘플링 속도를 결정하는데, 2.5배 이상이면 KK 복조 시 발생하는 위상 불연속성을 충분히 보정할 수 있다. 또한 실험에서는 실제 MIMO(다중 입력 다중 출력) 디코딩 대신 실시간 디지털 신호 처리(DSP)로 구현한 ‘실제 MIMO(Real‑MIMO)’ 방식을 적용해 편광 교차와 채널 간 간섭을 최소화하였다.

전송 실험은 60 Gbaud PDM‑16QAM 단일 캐리어를 사용했으며, 80 km 표준 단일모드 섬유(SSMF)를 통과한 뒤 BER 2.0×10⁻² 이하를 달성했다. 이는 기존 직검 방식이 달성하기 어려웠던 480 Gb/s(=60 Gbaud × 4 bits × 2 pol) 전송률을 최초로 구현한 사례이며, 향후 데이터센터와 메트로 광망에서 비용 효율적인 고속 전송 솔루션으로 활용될 가능성이 크다.