40년 만에 중공 구조 설계가 유리(를) 능가하다.
마이크로소프트의 지원을 받은 루메니시티(Lumenisity, 사우스햄튼 대학교 광전자 연구 센터의 스핀아웃) 연구팀이 역대 최저 신호 손실을 기록한 내부 공동 광케이블을 개발했습니다. 이 연구팀은 지난 9월 1일 학술지 Nature Photonics에 논문을 게재하며, '이중 중첩 역공진 무노드 광섬유(double nested antiresonant nodeless fiber, DNANF)'라는 설계를 통해 1,550nm 파장에서 0.091 dB/km라는 수치를 달성했다고 밝혔습니다. 이 수치는 현재 최고 성능의 실리카 광섬유가 기록하는 약 0.14 dB/km 수준의 한계를 뛰어넘는 수치이며, 이 한계치는 1980년대 이후 의미 있는 개선이 이루어지지 않았던 수치입니다. 연구진은 이를 "지난 40년간 광도파 기술에서 가장 주목할 만한 발전 중 하나"라고 평가했습니다.
기존의 단일 모드 광섬유는 빛을 유리 내부를 통해 전송하기 때문에 신호가 약 2억 m/s(진공 속도의 3분의 2 수준)로 속도가 저하됩니다. 반면, 공동 코어 광섬유는 광자들을 주로 공기를 통해 전송하여 지연 시간(latency)을 거의 절반으로 줄이고 비선형 효과(nonlinear effects)를 최소화합니다. 그러나 공동 코어 구조는 높은 에너지 손실(1 dB/km 초과)을 수반하여, 그동안 짧고 특수한 용도의 통신 링크에만 제한적으로 사용되어 왔습니다. DNANF 설계는 마이크론 단위로 매우 얇은 동심 유리 튜브를 활용하여 이 문제점을 해결했습니다. 이 튜브들이 마치 미세 거울처럼 작용하여 빛을 공기 코어로 반사시키고 고차 모드(higher-order modes)를 효과적으로 억제합니다.
광학 시간 영역 반사 측정법(optical time-domain reflectometry)을 포함한 여러 측정 방법을 이용해 15km 스풀을 테스트한 결과, 0.1 dB/km 미만의 감쇠율을 확인했습니다. 나아가 손실이 66THz라는 넓은 스펙트럼 대역 전체에 걸쳐 0.2 dB/km 미만을 유지했다는 점도 주목할 만합니다. 이는 실리카가 최적의 성능을 보이는 협소한 전용 통신 대역폭보다 훨씬 광범위한 범위입니다. 또한, 빛의 파장에 따라 속도가 달라지는 '색 분산(chromatic dispersion)'이 기존 광섬유 대비 7배 낮게 측정되어, 트랜시버 설계의 단순화와 네트워크 장비의 에너지 효율성 향상에 기여할 수 있습니다.
마이크로소프트의 2022년 루메니시티 인수는 이 회사가 공동 코어 기술을 연구실 수준을 넘어 상업 생산 단계로 끌어올리겠다는 의지를 명확히 보여주었습니다. 당시 이 회사의 공동 코어 광섬유는 약 2.5 dB/km의 손실을 기록하고 있었는데, 이는 여전히 기존 유리 섬유의 전통적인 약 0.14 dB/km 한계치와는 거리가 있었습니다. 이 연구팀의 조사와 병행된 파일럿 프로젝트에 따라, 마이크로소프트는 Network World에 새로운 광섬유 약 1,200km가 실제로 라이브 트래픽을 전송하는 데 사용되고 있다고 밝힌 바 있습니다. 더 나아가 2024년 마이크로소프트 이그나이트(Microsoft Ignite) 컨퍼런스에서 사티아 나델라(Satya Nadella) CEO는 AI 연결성을 지원하기 위해 향후 2년 내에 애저(Azure) 네트워크 전반에 15,000km의 광섬유를 배치할 계획이라고 발표했습니다.
이 설계를 공동 발명한 프란체스코 포레티(Francesco Poletti)는 이렇게 낮은 손실 수준을 달성함으로써, 운영자들이 "증폭기 사이트(amplifier sites) 중 일부를 생략할 수 있게 되어 자본 지출(CAPEX)과 운영 지출(OPEX) 모두에서 상당한 절감 효과를 가져올 것"이라고 설명했습니다. 물론 아직 해결해야 할 과제가 존재합니다. 생산 규모 확대를 위한 새로운 설비 구축이 필요하며, 관련 표준화 작업 역시 아직 진행되지 않았습니다. 그러나 이로써 역사상 최초로, 공기를 통해 빛을 전송하는 광섬유가 대체하고자 하는 유리 섬유보다 더 빠르고 낮은 손실률을 입증했습니다.
[출처:] https://www.tomshardware.com/tech-industry/hollow-core-fiber-research-smashes-optical-loss-record