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389.3-Tb/s 1017-km C-band Transmission over Field-Installed 12-Coupled-Core Fiber Cable with >12-Tb/s Spatial MIMO Channels

이 논문은 현장 설치된 12 개 결합 코어 광섬유 케이블을 통해 1,017km 거리의 C 대역에서 389.3Tb/s 의 전송 용량과 12Tb/s 이상의 공간 MIMO 채널 용량을 달성하는 기록적인 실험 결과를 제시합니다.

원저자: Akira Kawai, Kohki Shibahara, Megumi Hoshi, Masanori Nakamura, Takayuki Kobayashi, Ryota Imada, Takayoshi Mori, Taiji Sakamoto, Yusuke Yamada, Kazuhide Nakajima, Munehiko Nagatani, Hitoshi Wakita, Yut

게시일 2026-04-02

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CC BY 4.0

원저자: Akira Kawai, Kohki Shibahara, Megumi Hoshi, Masanori Nakamura, Takayuki Kobayashi, Ryota Imada, Takayoshi Mori, Taiji Sakamoto, Yusuke Yamada, Kazuhide Nakajima, Munehiko Nagatani, Hitoshi Wakita, Yuta Shiratori, Hiroshi Yamazaki, Hiroyuki Takahashi, Soichi Endo, Takemi Hasegawa, Ryo Nagase, Yutaka Miyamoto

원본 논문은 CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) 라이선스로 제공됩니다. ✨ 이것은 아래 논문에 대한 AI 생성 설명입니다. 저자가 작성하거나 승인한 것이 아닙니다. 기술적 정확성을 위해서는 원본 논문을 참조하세요. 전체 면책 조항 읽기

🚀 핵심 내용: "도로를 12 차선으로 확장하고, 1000km 를 달린 기록"

1. 문제 상황: 좁은 도로의 병목 현상

기존의 인터넷 케이블 (광섬유) 은 마치 1 차선 도로처럼 생겼습니다. 데이터가 너무 많아지면 이 좁은 도로에 차들이 꽉 차서 막히게 되죠. 과학자들은 이 문제를 해결하기 위해 "도로를 더 넓게 만들자"고 생각했습니다.

2. 해결책: "12 개의 튜브가 달린 광섬유" (12 코어 광섬유)

연구팀은 기존 광섬유 두께를 그대로 유지하면서, 속을 **12 개의 작은 튜브 (코어)**로 나눈 새로운 케이블을 개발했습니다.

비유: 기존 1 차선 도로를 넓히지 않고, 도로 바닥을 12 층으로 쌓아올려 12 개의 지하 터널을 만든 것과 같습니다.
이 터널들은 서로 아주 가까이 붙어 있어서, 데이터가 터널 사이를 오가며 서로 영향을 주기도 합니다 (이걸 '결합된 코어'라고 합니다).

3. 이번 실험의 놀라운 성과

연구팀은 이 새로운 케이블을 실제 땅속에 매설된 환경에 설치하고 실험했습니다. (대부분의 실험은 실험실이라는 안전한 곳에서만 이루어지는데, 이번엔 실제 현장이었습니다.)

거리: 약 1,017km (서울에서 부산을 훨씬 넘어, 서울에서 제주도를 왕복하는 거리보다 더 깁니다).
속도: 이 거리에서 **초당 389.3 테라비트 (Tb/s)**의 데이터를 전송했습니다.
- 비유: 이 속도로는 전 세계 사람이 동시에 4K 영화를 1 초 만에 다 다운로드할 수 있을 정도입니다.
채널당 기록: 파장 하나 (차선 하나) 에만 12 Tb/s 이상의 데이터를 실어 보냈습니다. 이는 기존 기술로는 상상도 못 했던 속도입니다.

4. 어떻게 가능했을까? (3 가지 핵심 기술)

정교한 교통 통제 시스템 (MIMO 기술):
- 12 개의 터널을 동시에 쓰다 보니 데이터가 섞이거나 꼬일 수 있습니다.
- 연구팀은 **96 개의 안테나처럼 작동하는 복잡한 알고리즘 (MIMO)**을 개발했습니다.
- 비유: 12 개의 터널에서 나온 차들이 섞여 나왔을 때, 스마트한 AI 교통관제센터가 순식간에 각 차가 어느 터널에서 왔는지 구분해 내고, 다시 제자리로 돌려보내는 기술입니다.
튼튼한 차량 (고성능 신호):
- 데이터를 실은 차량 (신호) 이 매우 빠르고 강력하게 만들어졌습니다.
- 비유: 일반 승용차 대신 초고속 레이싱카를 사용했고, 이 차들이 1000km 를 달려도 엔진이 과열되지 않도록 냉각 시스템 (디지털 신호 처리) 을 잘 갖췄습니다.
현실적인 도로 조건 (실제 시공):
- 실험실의 깨끗한 케이블이 아니라, 현장에 시공된 케이블을 사용했습니다.
- 땅속 터널과 공중 전선, 그리고 여러 번 이어지는 연결부 (용접점) 가 있는 환경에서도 데이터가 끊기지 않고 안정적으로 달릴 수 있음을 증명했습니다.

5. 왜 이것이 중요한가요?

지금까지 이 정도 속도는 실험실에서만 가능했습니다. 하지만 이번 연구는 **"실제 땅속에 깔린 케이블에서도 이 기술이 작동한다"**는 것을 처음 증명했습니다.

의미: 앞으로 인터넷 데이터 폭증이 오더라도, 새로운 케이블을 땅속에 더 많이 깔지 않고도 기존 두께의 케이블로만 엄청난 양의 데이터를 처리할 수 있는 길이 열렸습니다.
미래: 머지않아 **초당 1 페타비트 (Pb/s)**급의 초고속 인터넷이 상용화될 수 있는 토대가 마련되었습니다.

📝 한 줄 요약

"기존 광섬유 두께를 유지하면서 속을 12 개로 쪼개고, AI 교통관제 시스템으로 1,000km 거리의 실제 땅속 케이블에서 초당 389 테라비트의 데이터를 전송하는 세계 기록을 세웠다!"

1. 연구 배경 및 문제 제기 (Problem)

초고용량 전송의 필요성: 공간 분할 다중화 (SDM) 기술은 광섬유의 공간적 자유도를 활용하여 단일 광섬유당 전송 용량을 극대화할 수 있는 차세대 기술로 주목받고 있습니다.
기존 한계:
- 기존 결합형 다중 코어 광섬유 (CC-MCF) 연구는 주로 실험실 환경에서 이루어졌으며, 최대 1.7 Pb/s (19 코어, C+L 밴드) 의 용량을 달성했습니다.
- 반면, 실제 현장 (Field) 환경에서의 실증은 4 코어 기준 약 21 Tb/s 수준에 머물러 있었습니다.
해결해야 할 과제:
1. 현장 환경 검증: 많은 접속점 (스플라이싱, 커넥터) 이 포함된 현장 설치 케이블 환경에서 고용량 전송의 실현 가능성 입증.
2. 고대역폭 신호 처리: 100 Gbaud 이상의 초광대역 신호를 이용한 완전한 공간 결합 (Spatially Coupled) MIMO 전송 기술 개발.

2. 연구 방법론 (Methodology)

NTT 와 Sumitomo Electric Industries 등이 공동으로 수행한 이 실험은 다음과 같은 핵심 요소들을 결합했습니다.

전송 매체 (Field-Installed Cable):
- 표준 클래딩 직경을 가진 12 결합형 코어 광섬유 (12CCF) 케이블을 사용했습니다.
- 케이블은 약 4.86 km 길이로, 지상 (Aerial) 및 지하 터널 (Underground) 구간에 설치되었으며, 여러 개의 다중 코어 스플라이싱 및 커넥터 포인트를 포함합니다.
- 광섬유의 공간 모드 분산 (SMD) 을 C 밴드 전체에서 평균 5.3 ps/km $^{1/2}$ (최대 6.0 미만) 으로 최소화하여 설계했습니다.
신호 생성 및 변조:
- 140 Gbaud의 고심볼레이트 신호를 사용했습니다.
- PS-36QAM (확률적 형상 변조) 방식을 적용하여 2D 엔트로피 4.688 bits 를 구현했습니다.
- InP-DHBT (이중 이종접합 바이폴라 트랜지스터) 기반의 대역폭 증폭기와 디지털 프리-디스토션 기법을 사용하여 4.65 THz 대역의 WDM 신호를 생성했습니다.
전송 라인 구성:
- 단일 구간: 53.5 km (케이블 11 개 직결).
- 다중 구간: 19 구간 (총 1,017 km) 으로 확장.
- 루프 (Recirculating loop) 방식을 사용하여 장거리 전송을 시뮬레이션했습니다.
수신 및 신호 처리 (DSP):
- SDM-TDM (시분할 다중화) 수신기를 사용하여 12 코어 신호를 단일 고속 코히어런트 수신기로 변환했습니다.
- 96×24 MIMO 적응형 등화기 (Frequency-domain) 를 적용하여 공간 결합된 24 채널 MIMO 처리를 수행했습니다.
- FEC(순방향 오류 정정) 프레임은 모든 공간 채널에 걸쳐 구성하여 모드 의존 손실 (MDL) 영향을 완화했습니다.

3. 주요 기여 및 성과 (Key Contributions & Results)

A. 기록적인 전송 용량 달성

단일 구간 (53.5 km): 순(net) 비트레이트 455.4 Tb/s 달성 (파장당 평균 14.69 Tb/s).
다중 구간 (1,017 km): 순 비트레이트 389.3 Tb/s 달성 (파장당 평균 12.55 Tb/s).
- 이는 1017 km 거리에서 >12 Tb/s/파장의 공간 MIMO 채널을 구현한 세계 최초의 현장 실증 사례입니다.
- 총 용량은 결합형 코어 기준 0.389 Pb/s를 기록했습니다.

B. 현장 환경에서의 안정성 입증

메모리 길이 ( $\tau_m$ ) 및 MDL 안정성:
- 1,017 km 전송 거리에서도 펄스 에너지의 90% 를 포함하는 메모리 길이가 2.1 ns로 제한되었습니다. 이는 강한 결합형 코어 전송 특성 ( $\tau_m \propto \sqrt{L}$ ) 을 따릅니다.
- 428 km (8 구간) 에서 1 시간 동안 측정한 결과, 메모리 길이와 MDL (평균 1.98 dB) 이 시간적으로 매우 안정적이었음을 확인했습니다.
- 이는 현장의 접속점 변화나 환경적 요인에도 불구하고 SDM 시스템이 안정적으로 동작할 수 있음을 의미합니다.

C. 기술적 혁신

초고속 트랜시버: 140 Gbaud 신호를 처리할 수 있는 InP-DHBT 기반의 고대역폭 트랜시버 기술 적용.
고성능 MIMO: 96×24 크기의 대규모 MIMO 등화기를 통해 공간 결합 코어 간의 간섭을 효과적으로 제거하고 고차원 변조 신호를 복원.

4. 의의 및 중요성 (Significance)

상용화 가능성 증명: 이 연구는 실험실 환경을 넘어, 실제 현장에 설치된 케이블 (접속점 포함) 에서도 수백 Tb/s 급의 초고용량 전송이 가능함을 처음으로 입증했습니다.
차세대 백본 네트워크의 청사진: 1000 km 급 지상 전송 시스템에 CC-MCF 를 적용하여 서브 페타비트 (Sub-petabit) 급의 총 용량과 10 Tb/s 급의 채널 용량을 실현할 수 있는 기술적 토대를 마련했습니다.
표준화 및 확장성: 표준 클래딩 직경을 유지하면서 12 코어를 결합하여 기존 인프라와의 호환성을 높였으며, 향후 더 많은 코어 수나 밴드 확장 (L 밴드 등) 을 위한 중요한 이정표가 됩니다.

5. 결론

이 논문은 NTT 와 협력사들이 현장 설치된 12 결합형 코어 광섬유 케이블을 통해 1,017 km 거리에서 389.3 Tb/s 의 초고속 전송을 성공적으로 달성했음을 보고합니다. 특히, 100 Gbaud 이상의 고심볼레이트 신호와 대규모 MIMO 처리를 통해 공간 모드 분산과 모드 의존 손실을 효과적으로 제어함으로써, 차세대 초고용량 광통신 시스템의 상용화를 앞당긴 획기적인 성과로 평가됩니다.