Quasi-Single-Mode Transmission over Ultra-Low Loss Few-Mode Fibre for Data Centre Interconnects
이 논문은 새로운 초저손실 소수 모드 광섬유가 수정된 가우시안 잡음 모델을 통해 검증되었으며, 신호 저하를 최소화하면서 고용량 데이터 센터 상호 연결을 위한 준단일 모드 전송을 지원하고 향후 공간 분할 다중화 업그레이드에 대한 가능성을 보여준다는 것을 실험적으로 입증한다.
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인터넷은 단일하고 정적인 존재가 아닙니다. 그것은 클라우드 컴퓨팅과 인공지능이 생성하는 데이터의 범람을 처리하기 위해 끊임없이 확장해야 하는 거대하고 숨 쉬는 네트워크입니다. 이러한 기술들이 성장함에 따라, 데이터 센터를 연결하는 물리적 케이블은 중대한 병목 현상에 직면해 있습니다. 즉, 표준적인 단일 광 경로가 운반할 수 있는 정보량의 한계에 도달하고 있다는 점입니다. 엔지니어들은 완전히 새로운, 비용이 많이 드는 네트워크를 구축하지 않고도 기존 인프라에서 더 많은 용량을 끌어낼 방법을 찾고 있습니다. 한 가지 유망한 접근 방식은 여러 경로의 빛을 운반할 수 있을 만큼 충분히 넓으면서도, 신호를 깨끗하게 유지할 수 있도록 관리되는 특수 광섬유를 사용하는 것입니다. '준단일 모드(quasi-single-mode)' 전송이라고 알려진 이 전략은, 데이터가 주로 하나의 주요 경로를 따라 흐르도록 하되, 첨단 컴퓨터 프로세싱을 통해 제어할 수 있다면 빛의 아주 적은 양이 다른 경로로 새어나가는 것을 허용하는 방식입니다. 목표는 표준 케이블의 낮은 신호 손실을 제공하면서도, 미래에 엄청난 데이터 속도로 업그레이드할 수 있는 숨겨진 용량을 갖춘 광섬유를 찾는 것입니다.
최근 한 연구에서 연구진은 데이터 센터 간의 짧고 고속인 링크를 위해 설계된 새로운 유형의 초저손실 다중 모드 광섬유를 테스트했습니다. 데이터 센터 인터커넥트라고 불리는 이러한 링크는 불과 몇 킬로미터의 거리 동안 엄청난 양의 데이터를 이동시켜야 합니다. 연구팀은 표준 케이블의 약 10.5보다 훨씬 넓은 19의 코어 직경을 가진 새로운 광섬유에 집중했습니다. 이 넓은 코어는 두 개의 뚜렷한 빛 전송 모드를 지원할 수 있게 해주지만, 연구진은 실험을 설계할 때 이 광섬유를 마치 단일 차선처럼 취급하여 데이터를 주로 메인 모드로 전송하도록 했으며, 사용되지 않는 두 번째 차인이 존재한다는 점을 인지하고 진행했습니다. 연구진은 이 설정을 24km 구간에 걸쳐 테스트하여 대형 시설들을 연결하는 데 전형적인 거리와 비교하였으며, 이를 고품질의 표준 단일 모드 광섬유와 비교했습니다.
이 접근 방식의 주요 과제는 '다중 경로 간섭(multipath interference)'이라 불리는 현상입니다. 빛이 광섬유를 통과할 때, 미세한 결함이나 연결 부위로 인해 신호의 작은 일부가 보조 모드로 누설될 수 있습니다. 이렇게 누설된 빛은 약간 다른 속도로 이동하며 결국 메인 신호와 재결합하여, 데이터를 왜곡시키는 유령 같은 메아리를 만들어냅니다. 이 효과가 얼마나 심각한지 이해하기 위해, 연구팀은 데이터 트래픽을 중단하지 않고도 이를 측정할 수 있는 방법을 개발했습니다. 그들은 수학적 모델을 사용하여 광섬유 자체에 의한 노이즈와 장비에 의한 노이즈를 분리함으로써, 이러한 신호 메아리로 인한 특정 영향을 격리해 냈습니다. 또한, 단순한 비변조 레이저를 사용하여 전력 변동을 직접 측정하는 별도의 설정을 통해 이러한 발견을 검증했습니다. 두 방법 모두 간섭이 존재하지만 관리 가능한 수준임을 확인했으며, 데이터 전송에 사용되는 전체 색상 범위에서 신호 저하가 비교적 낮게 유지됨을 보여주었습니다.
이어 연구진은 복잡한 신호 형식을 사용하여 매우 높은 속도로 데이터를 전송하며 시스템을 한계까지 밀어붙였습니다. 그들은 42 기가보드(gigabaud)의 데이터를 전송하는 신호를 테스트했는데, 이는 상당한 양의 정보를 나타내며, 256-QAM이라는 정교한 인코딩 방식을 사용했습니다. 신호 왜곡의 가능성에도 불구하고, 새로운 광섬표는 놀라운 성능을 보여주었습니다. 가용한 최고의 표준 단일 모드 광섬유와 비교했을 때, 새 케이블은 신호 품질에서 약 0.3 데시벨이라는 아주 미미한 저하만을 보였습니다. 이 작은 차이는 실질적인 관점에서 무시할 수 있는 수준이며, 이는 이 광섬유가 큰 문제 없이 현대 데이터 센터의 막대한 트래픽 부하를 처리할 수 있음을 시사합니다. 연구팀은 또한 다양한 디지털 처리 기술이 신호를 어떻게 더 깨끗하게 만들 수 있는지 탐구했습니다. 그들은 정교한 알고리즘을 사용하면 간섭을 더욱 줄일 수 있지만, 표준적인 처리 방식만으로도 높은 성능을 유지하기에 충분하다는 것을 발견했습니다.
가장 중요한 발견 중 하나는 신호 손실을 최소화하는 광섬유의 설계가 간섭으로 인한 문제를 상쇄하는 데 도움이 된다는 점이었습니다. 이 광섬유는 거리에 따라 빛을 매우 적게 손실하기 때문에, 신호가 수신기에 도착할 때 표준 케이블보다 훨씬 강하게 전달되어 미세한 왜곡을 보상해 줍니다. 이 연구는 이 새로운 광섬유가 데이터 센터 네트워크에서 즉시 사용할 수 있는 유효한 후보임을 확인했습니다. 이는 현재의 용량을 확보하는 동시에 미래의 업그레이드를 위한 문을 열어두는 길을 제공합니다. 만약 네트워크 운영자들이 결국 용량을 두 배로 늘리기 위해 두 개의 빛 경로를 동시에 통해 데이터를 보내야 한다면, 이 광섬유는 이미 이를 처리할 수 있도록 구축되어 있습니다. 현재로서는, 이 연구는 이러한 첨단 케이블이 현재의 요구와 미래의 막대한 데이터 수요 사이의 간극을 메우는 신뢰할 수 있고 고속인 핵심 동력이 될 수 있음을 입증합니다.
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