한편, C-OFDR(Coherent Optical Frequency Domain Reflectometry: 코히어런트 광주파수 영역 반사계)은 비교적 짧은 거리를 매우 높은 공간 분해능(≪ 1㎜)으로 측정할 수 있는 반사계로, 주로 광디바이스의 진단에 이용되고 있다.
최근 일본전신전화㈜(NTT, 日本電信電話)는 기존에 주로 단거리 측정용에 사용되어 온 C-OFDR를 기반으로 독자적인 연구를 추진해 거리 범위의 확대를 도모, ~20km에 걸쳐 cm레벨의 공간 분해능을 실현하는 기술을 개발하고 있다. 본고에서는 이와 같은 새로운 광섬유망 측정 기술인 PNC-OFDR(Phase-Noise Compensated OFDR: 위상잡음보상 OFDR)에 대해 소개한다.
기존의 기술로는 불가능했던 광섬유망을 커버하는 측정거리와 cm레벨의 공간 분해능을 양립시킴으로써 통신망의 보수·운용 시 실현 가능하게 된 새로운 응용에 대해 소개하기로 한다.
PNC-OFDR(위상잡음보상 OFDR)
C-OFDR이란 주파수가 시간에 대해 선형 소인(線形掃引, linear sweep)되는 레이저광(시험광)을 광섬유 등의 측정대상에 입사하여 측정대상 내에 발생하는 산란광과 원래의 시험광 간의 비트 신호를 측정하는 방식이다.
관측되는 비트 주파수가 산란점까지의 거리에 비례하기 때문에 산란점의 위치 파악이 가능하다.
C-OFDR의 측정거리는 사용하는 레이저 광원의 간섭성 길이(Coherence length)에 의해 제약을 받는다. 일반적으로 레이저는 그 스펙트럼 선폭이 유한하기 때문에 발진 주파수가 시간에 대해 요동을 가지는데, 간섭성 길이란 레이저광이 일정한 주파수로 발진하는 시간(코히런스 시간: τc) 동안 진행되는 거리로 정의 내려진다. 즉, 측정대상의 반사점이 간섭성 길이 이내에 있으면, 반사광의 주파수는 원래의 레이저광과 동일하지만, 간섭성 길이(의 1/2)보다 긴 거리에서의 반사광 주파수는 원래의 레이저광 주파수에 대해 무작위로 요동이 발생하게 된다. 이 때문에 비트 주파수와 반사점까지의 거리 간 대응에 정확도가 떨어지고, 공간 분해능이 저하된다.
PNC-OFDR이란 레이저광의 코히어런스(간섭성)의 유한성에 의해 생기는 비트 주파수의 요동을 별도로 설치한 「참조 간섭계」에서 모니터링함으로써 보정하는 기술이다.([그림 1] 참조) 이를 통해 레이저의 간섭성 길이를 훨씬 넘어선 측정거리를 실현할 수 있게 되었다. PNC-OFDR 기술 방식의 요점을 정리하면 다음과 같다.
「참조 간섭계」는 지연 τ
ref를 가지는 마하젠더 간섭계(Mach-Zender interferometer)이다. 레이저광의 위상 요동을 θ(t)로 표시하면, 이 참조 간섭계에서 관측되는 비트 신호의 위상 요동 X
1(t)는
로 나타난다.(이 미분이 비트 주파수 요동이다) 만일 측정 반사점의 왕복지연시간(τ
FUT)이 τ
ref에 가까우면(그 차가 코히런스 시간보다 작으면) 그 비트 주파수 요동을 식(1)에서 구할 수 있기 때문에 비트 주파수 요동을 보정할 수 있다.
그러나 측정거리 τ
FUT와 참조지연 τ
ref가 크게 다른 경우에는 그렇지 않다. 그리하여 관측량 X
1(t) 및 사전에 측정해둔 τ
ref를 사용하여 아래에 정의되는 양 X
2(t)를 계산한다.
식(2)에 식(1)을 대입하면,
임을 알 수 있다. 즉, 이 새로운 참조신호 X
2(t)는 τ
ref의 2배의 지연(遲延)을 갖는 참조 간섭계에 의한 참조신호와 등가이며, τ
FUT≅2τ
ref가 되는 측정거리의 보정을 위해 유효하다. 이하 마찬가지로,
가 되는 참조신호는 τ
FUT≅Nτ
ref 부근에서 유효하다. 이와 같이 단일의 지연 τ
ref를 갖는 참조 간섭계를 사용하여 수치계산에 의해 그 정수배(整數倍)의 지연에서의 참조신호를 만들어낼 수 있다. τ
ref를 광원의 코히런스 시간 τ
c 정도로 설정해두고, 측정거리마다 적절한 X
N(t)를 사용해 보정하면 전 구간에서 유효한 위상잡음보정이 가능하게 된다.
PNC-OFDR에 의한 광섬유 진단
광섬유의 고분해능 측정
일본전신전화(NTT)는 PNC-OFDR의 원리를 이용해 10km 이상 광섬유의 cm레벨 분해능 측정을 보고하고 있다.
[그림 2]는 측정파형의 일례이며, 약 10km 지점의 커넥터에 의한 반사가 1~2cm 정도의 공간 분해능으로 명료하게 관측되고 있다. 측정 감도(測定感度)도 입사단(入射端)에서의 레일리 산란광 레벨에 대해 25dB 이상의 상대감도를 가지고 있어 수 10km의 광섬유 손실을 고려해도 레일리 산란광을 검출할 수 있는 감도이다. 이러한 성능은 다른 어떤 광반사계에서도 실현해내지 못한 것으로, 향후 광섬유망 진단기술에 큰 가능성을 시사할 것으로 기대를 모으고 있다.
광섬유의 PMD 분포측정
광섬유 케이블이 중계계(中繼系)에 도입된 지 약 30여년이 지났다. 도입 초기의 광섬유 케이블에는 큰 PMD(Polarization Mode Dispersion: 편광 모드 분산6))를 가지고 있는 것들이 적지 않아 대용량 전송 시스템 도입 시 문제가 되는 경우가 있다. 설치를 마친 광섬유 케이블의 PMD 분포를 측정하면 PMD값이 큰 구간의 부분적 교체를 통해 경제적인 운용이 가능하게 된다.
OTDR을 기반으로 PMD 분포를 측정하는 방법이 개발되어 왔지만, 높은 PMD 구간을 검출하면 OTDR에서 공간 분해능이 부족해지는 경우가 발생하게 된다. PMD 분포의 측정은 빛이 광섬유를 따라 진행할 때의 편파 변동의 비트 길이를 검출하여 실시하는데 국소적인 복굴절이 클수록 비트 길이가 짧아지고 PMD가 큰 구간에서는 편파 비트의 길이가 수 10cm 정도에 이르기 때문이다. 이러한 편파 진행 방향에 대한 변동을 검출하려면 비트 길이보다 충분히 짧은 공간 분해능을 가진 반사계가 필요하다. 일본전신전화(NTT)는 광섬유 심선에 굽힘을 줌으로써 도입 초기의 일부 광섬유에서 보이는 정도의 국소 PMD를 의사적(擬似的)으로 발생시키고 PNC-OFDR를 이용해 그 편파 변동의 측정을 시도했다. 모의 발생된 고(高) PMD 구간의 전(全) PMD를 별도로 측정한 결과, 그 계수는 약 0.4ps/√km이며, 샘플 조사를 통해 알려져 있는 고(高) PMD의 값으로는 전형적인 것이었다. 측정기는 약 20km의 측정거리를 이론 공간 분해능 5cm로 측정 가능하도록 설계되었다. 또 수광계(受光系)에 편파 다이버시티7) 구성을 이용하여 χ편파 및 y편파 성분의 강도와 그들의 위상차를 관측함으로써 레일리 산란광의 편파 상태를 결정하고 있다.
[그림 3]은 길이 10km 또는 20km의 SM파이버(저PMD구간)의 끝에 직경 3.5cm로 굽힘을 준 고PMD구간을 접속하여 측정한 것이다. [그림 3]에서는 5cm씩 진행할 때마다의 편파(편광) 상태를 푸앵카레구(Poincaré sphere)상의 스토크스 벡터로 플롯하고 있다. 고PMD구간에서는 약간의 거리를 진행하는 것만으로 편파 상태가 크게 변동한다. 이를 검출함으로써 고PMD구간을 특정(特定)할 수 있는데 관측된 평균 비트 길이는 50cm 정도로, 이를 OTDR로 검출하기는 어렵다. 이와 같은 고PMD구간 검출은 PNC-OFDR을 이용해 최초로 실현시킨 광섬유망 진단기술이라 할 수 있다.
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