Fabry Perot 레이저 기반 병렬 Reservoir Computing

초록

본 논문은 마스터‑슬레이브 구조의 Fabry‑Perot 레이저를 이용해 광학 주입과 피드백을 결합한 Reservoir Computing(RC) 시스템을 제안한다. 다중 장거리 모드(최대 8개)를 가상 노드로 활용함으로써 25 Gbaud PAM‑4 신호의 색분산 보정 및 실시간 처리 성능을 향상시킨다. 시뮬레이션 결과, 모드 수가 증가할수록 BER이 크게 감소하고, 동시에 다중 데이터 스트림을 병렬 처리할 수 있음을 보여준다.

상세 분석

이 연구는 기존의 단일모드 레이저 기반 RC가 갖는 ‘속도 패널티’ 문제를 Fabry‑Perot(FP) 레이저의 다중 장거리 모드 특성을 이용해 근본적으로 해결하고자 한다. 마스터 레이저는 위상 변조 방식으로 입력 PAM‑4 신호와 마스크를 동시에 인코딩하고, 이 복합 신호를 슬레이브 레이저에 광학 주입한다. 슬레이브 레이저는 짧은 외부 캐비티 피드백을 받아 시간 지연 회로를 형성하며, 각 장거리 모드마다 독립적인 가상 노드 집합(Nv)을 생성한다. 여기서 Nv = T/θ이며, T는 외부 캐비티 왕복 시간(240 ps~1 ns), θ는 노드 간 최소 간격(20 ps)이다. 따라서 하나의 모드당 최대 50개의 가상 노드를 구현할 수 있다.

다중 모드 활용은 두 가지 주요 이점을 제공한다. 첫째, 전체 가상 노드 수가 M×Nv (M은 사용 모드 수) 로 증가함에 따라 비선형 변환 차원이 확대되어 학습 능력이 크게 향상된다. 시뮬레이션에서는 M을 1에서 8까지 변화시켰을 때 BER이 0.06에서 10⁻³ 이하로 급격히 감소함을 확인했다. 둘째, 각 모드가 별도의 파장으로 분리되어 광다중화(demux) 후 독립적인 포토다이오드와 ADC에 입력되므로, 서로 다른 데이터 스트림을 동시에 처리할 수 있다. 이는 고속 통신 시스템에서 다중 채널 동시 복구 및 다중 서비스 제공에 직접적인 활용 가능성을 시사한다.

모델링 측면에서는 레이저의 복소 전기장 Eₖ와 캐리어 수 N에 대한 표준 레이트 방정식을 사용했으며, 주입 강도(k_in=0.75)와 피드백 강도(k_f=0.01)를 주요 파라미터로 설정했다. 스펙트럼 폭(Δf_g≈10 THz)과 자유 스펙트럼 간격(FSR≈125 GHz)으로부터 8개의 장거리 모드가 충분히 구분될 수 있음을 확인하였다. 또한, 외부 캐비티 길이를 1 cm 이하로 설계해 완전한 칩‑레벨 통합이 가능하도록 하였다.

학습은 6 × 10⁴ 심볼을 이용한 리지 회귀(Ridge Regression)로 수행했으며, 테스트와 검증은 각각 2 × 10⁵ 심볼로 진행했다. 입력 마스크는 01 사이의 난수 행렬이며, 위상 변조는 02π 범위로 적용돼 슬레이버 레이저의 동적 범위를 최대화한다. 결과적으로, 단일 모드 대비 8배 이상의 가상 노드 확장으로 BER이 0.06에서 2 × 10⁻⁴ 수준까지 낮아졌으며, 이는 FEC 한계(3 × 10⁻³)보다 크게 개선된 수치이다.

전반적으로 이 논문은 FP 레이저의 다중 장거리 모드를 활용한 병렬 RC 아키텍처를 제시함으로써, 고속 광통신에서 실시간 디지털 신호 복구와 다중 데이터 스트림 동시 처리라는 두 가지 핵심 과제를 동시에 해결할 수 있음을 입증한다. 향후 실험적 구현과 온칩 통합을 통해 에너지 효율성 및 대규모 시스템 확장성도 기대된다.