초고속 통신 표준 '5G' 도입과 원격근무 대중화로 글로벌 통신 트래픽이 계속 증가하고 있으며, 광섬유(Optical Fiber) 통신망의 용량 부족 위험이 커지고 있다. 2020년대에 등장했습니다. 그동안 기존 광섬유를 개선하거나 케이블 수를 늘리려는 노력이 있었지만, 이는 성능과 설치 공간의 한계에 부딪혔다. 따라서 통신 표준뿐만 아니라 광섬유 자체의 통신량을 획기적으로 늘리는 연구가 최우선 과제가 되었다.

차세대 광섬유 전송 테스트

일본 '정보통신연구소'(NICT, 일본 총무성 산하 기관) '인텔리전스' 일본어는 '정보'를 뜻함) 후루카와 히데아키 광네트워크시스템연구부장은 "통신 트래픽이 계속 늘어나면 2020년대에는 현재 광섬유의 한계를 넘어설 것"이라고 지적해 상황에 경종을 울렸다. 일본 총무성의 통계에 따르면 일본 국내 통신량이 10년 사이에 10배 이상 증가했다.

그 이유는 스마트폰과 PC에 대한 접근성이 높아졌기 때문이다. 이러한 단말기 제품의 성능이 향상되면서 영상 역시 사람들이 서로 주고받는 대상이 되었다. 정보를 전송할 때 정보를 전달하는 디지털 신호는 광 신호로 변환되어 광섬유 케이블을 통해 전송됩니다. 광섬유는 해저케이블의 형태로 전 세계에 퍼져 있으며, 세계와 소통하는 데 없어서는 안 될 존재가 되었습니다. 광섬유는 현대사회를 지탱하는 '숨은 영웅'이라 할 수 있다.

현행 광섬유(왼쪽)는 광신호 채널이 1개지만, 차세대 광섬유(오른쪽)는 다중 채널을 갖게 된다(사진 제공: 일본정보통신연구원)

기존 Fiber별 전송용량을 늘려 트래픽 증가에 대응합니다. 2005년 전송 용량은 루트당 초당 1조 비트였지만 지금은 수십조 비트에 달한다.

하지만 현재의 광섬유로는 전송 용량을 100조 비트까지만 늘릴 수 있습니다. 더 많은 정보가 전송되면 통신에 사용되는 레이저가 너무 강해 섬유가 녹을 위험이 있습니다. 위협이 현실화되면 통신이 중단되고 이는 비즈니스 효율성과 노동 개혁에 영향을 미치게 됩니다.

일본 '전자정보기술산업협회'의 전망에 따르면 글로벌 통신량은 2030년까지 10년 동안 15배 증가할 것으로 예상되며 앞으로도 계속 증가할 것으로 예상된다. 이 문제를 해결하기 위해 국내외 광섬유 회사에서는 "멀티 코어"라고 불리는 차세대 광섬유 개발을 추진하고 있습니다.

기존 광섬유는 '코어'라는 광신호 채널이 1개뿐이었지만, 다심 광섬유는 3·4개의 코어를 갖게 된다. 도로의 차선 수가 늘어날수록 주행할 수 있는 차량 수가 늘어나는 것처럼, 광신호 채널 수가 늘어나면 전송 용량도 몇 배로 늘어납니다.

또한, 광신호를 정확하게 전달하기 위해서는 다른 신호와의 간섭을 피해야 하는데, 광섬유의 직경은 머리카락 굵기와 비슷한 0.125mm에 불과하다. 따라서 광섬유 코어 사이의 거리는 약 0.05mm에 불과하며 인접한 광섬유 코어에서 누출되는 광신호와의 간섭이 문제가 되어 왔다.

한 가지 해결책은 주변으로 누출되는 것을 방지하기 위해 섬유 코어 주변에 저굴절률 유리 층을 재료로 추가하는 것입니다. 유리에 불소를 첨가함으로써 주변부의 굴절률만 감소시켜 광신호가 광섬유의 중심부에 남게 됩니다.

일본정보통신연구원은 지난 3월 4코어 광섬유를 이용한 전송 테스트를 진행해 초당 610조 비트 전송에 성공했다. 현재와 ​​같은 두께의 광섬유 전송 용량 측면에서 세계 기록을 세웠습니다. 이 경우 광섬유 코어가 여러 개 있어도 광섬유의 두께는 변하지 않습니다.

다심 광섬유는 기존 광섬유와 병용이 가능해 점진적으로 대체될 것으로 보인다.

일본 스미토모전기공업(Sumitomo Electric Industries)은 2019년 세계 최초로 이탈리아에 멀티코어 광섬유를 깔았고, 일본정보통신연구원(JIP)도 관련 성과에 대해 긍정적인 평가를 내놨다. 일본 전자정보통신학회(Electronic Information and Communications Society)의 비전에 따르면 2025년경부터 4개 코어의 광섬유가 10km 미만의 단거리 통신 네트워크에 사용되기 시작한다. 2030년경부터 해저 광케이블에 사용될 것으로 예상된다.

각 광섬유의 성능을 더욱 향상시키기 위해 광섬유 코어를 두껍게 하고 광 신호가 하나의 광섬유 코어를 통해 여러 채널을 통과할 수 있게 하는 "멀티모드" 광섬유를 개발할 가능성도 있습니다. 통합 멀티코어 기술의 실용화는 2030년대 후반이 될 것으로 예상된다.

차세대 광섬유 분야에서는 일본 기업이 연구 개발에 앞장서고 있다. 특허 관련 업무를 담당하는 일본 특허청이 2018년 발표한 보고서에 따르면 광섬유 멀티코어 분야에서 특허출원 건수 기준 세계 4대 기업은 후지쿠라, 스미토모전기(Sumitomo Electric), NTT, 후루카와전기공업(Furukawa Electric Industries)은 일본 기업이 독점 순위를 매겼습니다. 멀티모드 분야에서도 NTT, 스미토모전기, 후지쿠라 등 일본 기업이 24위를 독점하고 있다. Fujikura는 2020년대 중반까지 멀티 코어 광섬유를 상용화할 계획입니다.

물론 일본 이외의 기업에서도 차세대 광섬유 개발을 추진하고 있습니다. 미국 특수유리 제조사 코닝은 멀티모드 광섬유 특허 수 1위를 기록했으며, 멀티코어 분야에서도 대용량 전송을 성공적으로 달성했다. 이탈리아의 Prysmian Group도 차세대 광섬유 분야에서 연구 성과를 거두었습니다. 스마트폰 및 기지국과 마찬가지로 광섬유에 대한 글로벌 경쟁도 점점 더 치열해질 것으로 예상됩니다.

5G 시대에는 광섬유의 역할이 중요하다고 생각하시나요?