PMD(Polarization Mode Dispersion-편광모드 분산)는 광섬유가 갖고 있는 기본적인 성질중의 하나로서 색분산(Chromatic dispersion)과 함께 광섬유케이블 구간에 10Gbps(40,80Gbps등) 급 이상의 광전송시스템의 전송성능과 전송거리에 절대적인 영향을 주는 광학적 파라메타(parameter)이다. PMD기술은 이미 설치된 광섬유케이블 구간에 초고속 광전송시스템 도입에 따른 광전송로의 품질을 평가하는 기술이다.
(주)에이앤티는 최근 한국정보통신공사협회가 개최한 광선로 신기술 설명회에서 PMD의 기술적 특성에 대해 상세히 설명했다. 본지에서는 (주)에이앤티의 기술자료를 바탕으로 지난호에 이어 PMD기술에 대해 알아본다.
기술개요
광통신은 지난 60년대 이후 눈부신 기술발전을 거듭해 현재에 이르고 있으며 장거리 전송망 및 가입자망에 널리 적용되고 있다. 특히 광섬유는 다른 매질과 비교하였을 때 원자재 측면에서 값이 싸고 풍부한 장점이 있다. 또 고성능 통신에서 필요로 하는 광대역폭, 낮은 감쇠율 등 많은 우수한 특성을 갖고 있다.
초기의 개발단계에서는 다중모드 광섬유가 개발, 사용됐으며 현재에는 통신사업자의 망에는 대부분 단일모드 광섬유가 사용되고 있다.
편광모드 분산(Polarization Mode Dispersion)은 광섬유가 갖고 있는 기본적인 성질중의 하나로서 광섬유 내부를 전파하는 신호의 에너지가 서로 직교하는 두개의 편광모드로 나누어진다. PMD기술은 편광모드가 서로 다른 군속도(Group Velocity)를 경험함으로써 펄스폭이 증가하게 되는 현상에 초점을 맞추고 있다. 직교하는 두개의 편광모드 사이의 시간차를 군속도 지연(Differential Group Delay)이라 하는데 이러한 시간지연은 색분산과 비슷한 효과를 발생시키지만 그 양상이 확률적인 분포를 갖는다는 점이 매우 다르다.
일반광섬유에서의 편광모드 분산
군속도 지연현상은 제조된 광섬유의 비원형성에 따른 복굴절 현상에 기인한다. 실제의 광섬유는 제조과정에 따라 광섬유의 본래의 성질이 유지되지 않거나 제조 후 설치, 운용과정에서 스트레스가 인가되는 등의 많은 변화요인을 안고 있다.
따라서 광섬유 내부를 진행하는 빛의 직교 편광모드가 서로 다른 굴절률을 경험되고 복굴절이 있는 광섬유에 입사된 광신호는 직교하는 편광 성분간의 서로 다른 군속도차에 따라 출력 광신호의 퍼짐 현상이 발생하게 되는 것이다.
이러한 편광모드 분산은 10Gbps이상의 시스템에서는 광전송품질을 평가하는 중요한 파라메타(parameter)로 인식되고 있다. ITU-T의 규격에 따르면 10Gbps의 400km 전송을 위한 편광모드 분산계수는 Dp < 0.5ps/km1/2 를 권고하고 있다. 이는 구간의 총 분산값을 10ps/km1/2 이하로 유지하는 것을 의미한다.
PMD 측정
보통의 단일모드 광섬유는 편광유지 길이가 수 미터 정도의 짧은 광섬유들이 연속적으로 연결돼 있는 구조로 해석할 수 있으며 이러한 방법으로 편광모드의 커플링 현상에 따른 PMD의 통계적인 특성을 설명하게 된다. 임의의 모드 결합이 발생하는 긴 구간의 광섬유와 하나의 파장에 대해 환경의 영향을 받는 광섬유 구간을 장시간에 걸쳐 측정하는 광섬유는 모두 맥스웰 분포를 따르는 것으로 알려져 있다.
실제 시스템에서의 PMD는 물리, 환경적 요인에 의해 시간에 따라 변하고 있으며 이를 확률적으로 나타내어야만 한다. 두 편광 모드가 부품을 통과할 때 각각의 위상지연과 군지연에 의해 심각한 PMD를 보이고, 같지 않은 군지연 때문에 부품을 통한 전파는 두 편광 모드 사이의 순간 코히어런스(temporal coherence)가 바뀌게 된다.
마찬가지로 서로 다른 두 위상지연은 고정된 입력 편광 상태에 대해 주파수에 따라 변하는 출력 편광 상태를 유발하게 되며 이러한 물리적 특성 때문에 다양한 방법의 PMD 측정이 가능하다.
PMD와 최대전송거리의 상관관계
PMD를 측정하기 위한 방법중 하나인 광간섭법(interferometric method)은 상호 코히어런스
에서 PMD의 영향을 측정하고, 파장주사법(wavelength scanning method)은 고정된 검광기(analyzer)를 통과한 출력 편광 상태의 변화를 통해 PMD의 영향을 측정하고, 또 다른 방법으로는 각각의 광주파수에서 측정된 Jones matrixes를 분석하여 주파수 함수로서의 편광 주상태 및 군지연차를 계산하는 방법이 있다.
아울러 측정과정에서 주파수 범위가 예측된 곡선에 충분히 잘 일치되지 못할 경우에는 광섬유의 물리적 성질이 변화할 만큼 기다렸다가 새로운 데이터를 얻어야 하며, 실험실에서 스풀에 감긴 광섬유를 측정할 때는 온도가 약간 변한 뒤에 다시 측정해야 하며, 포설된 광섬유는 몇 시간이 흐른 뒤 다시 측정하여야 정확한 데이터를 얻을 수 있다.
실제로 이러한 PMD측정 방법에 따라 장비들이 상용화돼 국내에서도 연구 및 필드 측정용으로 활용되고 있다. 편광모드 분산의 작용과 그 보상기술에 관해서는 향후 초고속 광통신망의 개발과 도입을 고려할 때 광범위한 기술적 발전이 이루어지는 분야이므로 지속적인 노력과 연구가 필요할 것으로 보인다.
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