Wavelength-diverse transmission for turbulence-resistant free-space optical communication
본 논문은 두 개의 C-밴드 캐리어를 사용하는 파장 다양성 전송 시스템과 최대 비 결합(maximal ratio combining)을 사용하면 대기 난류의 영향을 받는 자유 공간 광 통신 링크에서 중단 확률을 거의 20배 줄일 수 있으며 페이딩으로 인한 중단을 86% 감소시킬 수 있음을 입증한다.
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붐비고 바람 부는 경기장에서 비밀을 외치려 노력한다고 상상해 보세요. 때때로 갑작스러운 돌풍이나 움직이는 인파가 목소리를 집어삼키는 '데드 존(dead zone)'을 만들어내어, 반대편에 있는 사람은 아무것도 듣지 못하게 됩니다. 이것이 바로 라디오파 대신 빛을 이용해 공중으로 데이터를 보내는 과정에서 겪는 일상적인 고충입니다. 빛은 라디오파보다 훨씬 더 많은 정보를 실어 나를 수 있지만, 다소 까다로운 면이 있습니다. 대기에 의해 쉽게 혼란을 겪기 때문입니다. 난기류라고 알려진 미세한 뜨겁고 차가운 공기 주머니들은 빛을 굴절시키고 뒤섞는 보이지 않는 렌즈 역할을 하여, 신호가 약해지거나 완전히 사라지게 만듭니다. 과학자들은 이를 '페이딩(fading)'이라고 부르며, 이는 왜 하늘 위의 고속 빛 기반 인터넷 링크가 아직 어디에나 존재하지 않는지에 대한 주요 원인입니다. 이를 해결하기 위해 엔지니어들은 빛을 곧게 펴기 위해 거대하고 흔들리는 거울을 사용하거나(적응 제어 광학), 같은 메시지를 서로 다른 시간에 보내는 등 많은 기술적 시도를 해왔습니다. 하지만 또 다른 영리한 아이디어가 있습니다. 만약 두 가지 서로 다른 '색'의 빛으로 동시에 메시지를 보낸다면 어떨까요? 바람이 한 가지 색을 망가뜨린다면, 다른 색은 선명하게 유지되어 수신 측에 백업 플랜을 제공할 수 있습니다.
이것이 바로 Ciena Corporation의 연구팀이 테스트하고자 했던 내용입니다. 그들은 두 가지 약간 다른 색(파장)의 빛으로 하나의 초고속 데이터 스트림을 보냄으로써, 공기가 요동칠 때 연결을 유지할 수 있는지 확인하고 싶었습니다. 그들은 단순히 컴퓨터로 시뮬레이션만 한 것이 아니라, 실험실 벤치 위에 실제 실험 장치를 구축했습니다. 그들은 폭풍우 치는 날의 혼란스러운 공기를 모사하는 회전하는 판을 이용해 '난기류 기계'를 만들었고, 두 가지 레이저 색상을 사용하여 200 Gbps의 데이터 스트림(눈 깜짝할 사이에 영화 한 편을 다운로드할 수 있을 만큼 엄청나게 빠른 속도입니다)을 쏘아 보냈습니다. 결과는 큰 성공이었습니다. 두 색상의 신호를 결합함으로써, 그들은 연결이 끊길 확률(아웃리지, outage)이 단 하나의 색상만을 사용했을 때보다 거의 20배 더 작아진다는 것을 발견했습니다. 더욱 놀라운 점은, 신호가 매우 약해질 때 두 색상이 항상 함께 사라지는 것은 아니라는 사실입니다. 때로는 한쪽이 고군분로할 때 다른 한쪽은 여전히 강한 상태를 유지하기도 합니다. '최대 비율 결합(maximal ratio combining)'이라는 스마트한 디지털 기술을 사용하여 더 강한 신호에 더 높은 가중치를 둠으로써, 그들은 실패율을 추가로 86%나 줄일 수 있었습니다. 이는 약간의 색 다양성을 사용하는 것이 자유 공간 광 통신(free-space optical communication)을 훨씬 더 신뢰할 수 있게 만드는 실질적이고 강력한 방법임을 입증하며, 위성과 도시 모두를 위한 더 빠르고 견고한 연결을 향한 길을 열어줍니다.
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