스펙트럼·전력 효율 광통신 시스템

본 논문은 “스펙트럼·전력 효율 광통신 시스템”이라는 주제로 두 개의 주요 연구 영역을 다룬다. 첫 번째 파트는 데이터센터 내·외부 단거리 광링크에 초점을 맞추며, 100 Gbit/s·파장당을 초과하는 전송을 위한 변조 방식, 수신 감도 향상 기술, 그리고 저전력 코히런트 수신기 설계를 순차적으로 제시한다. 2장에서는 직접 검출(DD) 방식에 적합한 고차 변조 포맷을 평가한다. 4‑PAM은 OFDM 및 SSB‑OFDM에 비해 구현 복잡도가 낮고, 색소 손실·색분산에 대한 내성이 뛰어나며, 4‑level 레벨링을 통한 비트 로딩이 용이하다. 실험적으로 4‑PAM이 동일 전송 거리·전력 조건에서 BER 10⁻⁴ 이하를 달성함을 보이며, IEEE 802.3bs 표준에 채택된 배경을 설명한다. 3장에서는 4‑PAM 수신 감도 한계를 극복하기 위해 Avalanche Photodiodes(APD)와 Semiconductor Optical Amplifiers(SOA)를 도입한다. APD는 이득‑대역폭 곱(GBP)이 일정한 고이득 영역에서 잡음 전류를 감소시켜 감도를 4~6 dB 향상시킨다. SOA는 광학 이득을 제공하면서 전기 전력 소모를 최소화한다. 두 기술 모두 Monte Carlo 시뮬레이션과 실험을 통해 수신 감도 개선 효과를 정량화한다. 4장에서는 전통적인 코히런트 수신기의 핵심인 고속 ADC와 DSP가 데이터센터 환경에서 전력 소모를 크게 증가시킨다는 문제를 제기한다. 이를 해결하기 위해 저전력 DSP‑Free 코히런트 수신기를 설계한다. 핵심 아이디어는 편광 복구를 위한 연속 위상 시프터와 마커톤 검출기를 이용해 전기‑광 변조 복구를 수행하고, 디지털 복구 과정을 물리적 회로로 대체하는 것이다. 제안된 구조는 DP‑QPSK와 DP‑DQPSK 변조를 지원하며, 실험 결과 BER 10⁻⁴ 이하를 유지하면서 전력 소모를 기존 대비 30 % 이상 절감한다. 또한, 시스템 초기화(start‑up) 프로토콜과 펌프 고장 복구 메커니즘을 제시해 실용성을 높인다. 두 번째 파트는 초장거리 해저 광링크에 초점을 맞춘다. 5장에서는 전력 피드 제한이 해저 케이블의 전기·광 파워에 미치는 영향을 모델링한다. EDF 증폭기의 이득, 잡음 피규어, 그리고 Kerr 비선형성을 포함한 물리 모델을 기반으로, 전력 제약 하에서 채널 전력 배분을 최적화하는 수학적 프레임워크를 구축한다. 라그랑주 승수를 이용한 최적화는 각 파장·공간 차원(다중 코어·다중 모드)별 전력을 동적으로 할당하며, 최적화된 배분은 기존 균등 배분 대비 약 70 % 높은 정보 용량을 제공한다. 또한, 최적 공간 차원 수와 증폭기 운영 포인트(펌프 전력, EDF 길이)를 동시에 결정한다. 5.2절에서는 최적화 결과를 상세히 논의한다. 채널 전력 최적화는 낮은 전력 구간에서 비선형 손실을 최소화하고, 높은 전력 구간에서는 증폭기 잡음이 지배적인 영역을 고려한다. 최적 공간 차원 수는 전력 피드 한계와 비선형 효율 사이의 트레이드오프에 의해 결정되며, 일반적인 4~8 차원(예: 4‑core·2‑mode) 구성이 가장 효율적임을 보인다. 펌프 고장 시 복구 전략으로는 남은 펌프를 재분배해 손실을 최소화하는 알고리즘을 제시한다. 6장은 전체 연구를 정리하고, 향후 연구 방향으로 저전력 코히런트 수신기의 실리콘 포토닉스 구현, APD·SOA의 집적화, 그리고 해저 시스템에서 실시간 전력 피드 모니터링 및 적응형 전력 배분을 제안한다. 결론적으로, 본 논문은 데이터센터와 해저 케이블이라는 서로 다른 스케일의 광통신 시스템에서 전력 제한을 물리‑수학적 모델링, 회로 설계, 그리고 최적화 알고리즘을 통해 동시에 해결함으로써, 차세대 100 Gbit/s·파장당을 초과하는 고속·고용량 전송을 실현할 수 있는 로드맵을 제시한다.