자기동기화 편광 제어 기반 고속 광통신 시스템

** 본 논문은 데이터센터와 같은 짧은 거리 고속 광통신에서 LO(Local Oscillator)와 복잡한 디지털 신호 처리 없이도 동작 가능한 셀프‑홈로드(Self‑Homodyne, SH) 시스템을 구현하기 위한 핵심 기술인 적응 편광 제어(Adaptive Polarization Control, APC)를 제안한다. 기존 SH 시스템은 캐리어를 변조 신호와 직교 편광으로 다중화하여 전송하지만, 광섬유와 광학 부품(편광 빔 스플리터·컴바이너)의 각도 오차와 원주성 편광 회전(φ)으로 인해 두 편광이 혼합되는 문제가 있었다. 이러한 혼합은 수신편광에서 캐리어와 변조 신호의 전력 차이를 감소시켜 복조 성능을 저하시킨다. 논문은 먼저 편광 혼합 현상을 수학적으로 모델링한다. PBS의 회전 각도 θ와 PBC의 동일 각도, 그리고 섬유에 의한 위상 차이 φ를 포함한 전이 행렬 A를 도출하고, 이 행렬이 두 편광에 동시에 적용될 때 발생하는 전력 손실과 위상 회전을 분석한다. 특히, 전력 최소화가 이루어지는 지점에서는 행렬이 대각 형태(e^{jφ₁}·0;0·e^{-jφ₁})가 되어 편광 회전이 사라지고 위상 차이만 남는다는 점을 강조한다. 이를 기반으로 제안된 APC 알고리즘은 다음과 같다. 수신편광 중 하나를 포토디텍터로 변환해 전기 신호 P를 얻고, 이 전력을 최소화하는 방향으로 PC의 두 제어 파라미터(C₁, C₂)를 그래디언트 디센트 방식으로 조정한다. 구체적인 흐름은 (1) 광전력 측정, (2) 현재 파라미터에 대한 전력 기울기 계산, (3) 파라미터 업데이트 C←C−μ·∂P/∂C, (4) 수렴 여부 판단 및 반복이다. 알고리즘은 이산시간 형태로 구현되어 VPI‑TransmissionMaker™와 Simulink 환경에서 검증되었다. 시뮬레이션에서는 30 Gb/s QPSK 신호를 20 km 전송했을 때, 전력 최소화 전후의 전력 차이가 6.04 dB에서 15.69 dB로 크게 개선되었으며, 콘스텔레이션도 명확히 구분되는 형태로 변환되었다. 또한, 크로마틱 디스퍼전이 증가해도 전력 최소화는 여전히 유효함을 확인했다. 실험 부분에서는 3‑패들 수동 편광 컨트롤러를 이용해 동일한 피드백 루프를 구현하였다. 30 km SSMF 전송 후 4 Gbps와 8 Gbps QPSK 신호에 대해 전력 차이가 각각 2.64 dB/5.32 dB에서 13.2 dB/13.03 dB로 상승했으며, 위상 보정 후 EVM이 각각 26.66 %와 34.16 %로 향상되었다. 이는 전력 최소화가 실제 시스템에서도 캐리어와 변조 신호를 효과적으로 분리함을 입증한다. 결론적으로, 제안된 APC는 광학 도메인에서 실시간으로 편광 상태를 보정함으로써 고속 SH 시스템에서 LO와 복잡한 디지털 CPR 없이도 안정적인 복조가 가능하도록 만든다. 이는 전력 소모와 회로 복잡성을 크게 낮추어, 저전력·고용량 데이터센터 인터커넥트에 적합한 새로운 패러다임을 제시한다. 향후 연구에서는 전자식 고속 PC와 자동화된 피드백 루프를 통합해 실시간 대용량 트래픽에 대한 적용성을 확대할 계획이다. **