Under The Sea: 해저 케이블용 광 중계기

Jul 20, 2023

한 달에 한 번씩 편집장 Elliot Williams와 함께 Hackaday Podcast를 녹음하는 특권을 누리고 있습니다. 몇 시간 동안 함께 괴로워하는 것은 정말 즐거운 일이며, 인트로와 아웃트로를 위한 먹이 역할을 제외하고는 최종 컷을 만들 기회도 없이 항상 우스꽝스러운 접선을 이어갑니다. 특히 원시 녹음을 편집해야 하는 Elliot에게는 많은 작업이 필요하지만 매우 재미있습니다.

물론, 우리는 모든 일을 가상으로 하고, 처음에 하는 작은 의식이 있습니다. 바로 박수입니다. 우리는 차례로 마이크에 손뼉을 세 번 치고, 줄 반대편에 있는 사람은 마지막 박수에 맞춰 자신의 박수를 칩니다. 이를 통해 Elliot는 회선에 얼마나 많은 지연이 있는지 알 수 있으며 이를 통해 두 녹음을 동기화할 수 있습니다. 그 사람은 독일에 있고 나는 아이다호에 있기 때문에 지연이 꽤 눈에 띕니다. 적어도 1~2초 정도는요.

우리가 이 의식을 수행할 때마다 나는 대서양 아래를 흐르는 광섬유 케이블을 포함하여 이를 가능하게 하는 모든 장비에 대해 궁금해하지 않을 수 없습니다. 해저 통신 케이블은 전 세계를 연결하며 대륙 횡단 인터넷 트래픽의 99% 이상을 전달합니다. 그것은 매혹적인 엔지니어링으로 가득 차 있지만, 내 돈으로는 신호를 증폭시키는 인라인 광 중계기가 가장 흥미로운 부분입니다. 비록 그것이 바다 밑바닥에 숨겨져 있기 때문일지라도 – 또는 아마도 특히 그렇기 때문일 것입니다.

대양 횡단 통신의 오랜 역사의 대부분은 구리라는 한 가지 재료에 의해 지배되었습니다. 최초의 전신 케이블부터 수천 개의 다중화된 전화 및 텔레비전 신호를 전달하는 동축 케이블에 이르기까지 구리 도체는 20세기 거의 모든 작업에서 대부분의 작업을 수행했습니다. 1988년에 최초의 대서양 횡단 광섬유 전화 케이블인 TAT-8이 부설되면서 상황이 바뀌기 시작했습니다. 단 두 쌍의 단일 모드 유리 섬유(한 쌍은 예비)로 40,000건의 동시 전화 통화 용량을 갖춘 TAT-8은 가장 발전된 대서양 횡단 케이블을 10배나 능가했습니다.

동축 케이블과 마찬가지로 광케이블은 특히 TAT-8의 약 7,000km 길이에 걸쳐 신호를 주기적으로 증폭해야 합니다. 리피터는 케이블을 따라 50km 정도 간격으로 배치되었으며, 얇은 케이블에 돌출부를 생성하는 긴 압력 정격 하우징에 수용되었지만 여전히 케이블 포설 기어와 호환되었습니다. 이러한 중계기는 포토다이오드로 약화된 광 신호를 수신하고, 신호를 반도체 증폭기를 통해 실행하기 전에 복조한 다음, 레이저 다이오드를 사용하여 이를 다시 빛으로 변환하는 방식으로 작동했습니다. 중계기의 전원은 착륙국의 장비에 의해 광케이블 조립체 내부의 구리 도체에 공급되었습니다.

TAT-8은 서비스 개시 후 18개월 이내에 수요가 용량을 초과할 정도로 환상적인 성공을 거두었습니다. 2002년에 서비스가 중단되었는데, 그 이유 중 하나는 그 사이에 훨씬 더 많은 용량을 가진 광케이블이 설치되어 TAT-8이 더 이상 사용되지 않게 되었기 때문입니다. 재생 중계기의 문제도 있었습니다. 신호를 복조하고 재변조해야 했기 때문에 운영자가 착륙장에서 헤드엔드 장비에 적용할 수 있는 변경이 제한되었습니다. 해당 장비를 업그레이드할 수 없으면 케이블은 운명을 잃게 됩니다.

그러나 1985년 초에 광 증폭기의 발전이 이루어졌고 결국 해저 케이블에 적용되었습니다. 바로 그때 로버트 미어스(Robert Mears)라는 물리학 대학원생이 에르븀 첨가 유리 섬유로 실험을 수행하여 일반적으로 통신에 사용되는 파장에서 순수한 광학 저잡음 증폭기 역할을 할 수 있음을 보여주었습니다. 이 주제에 대한 첫 번째 논문이 나온 지 10년 이내에 EDFA(에르븀 첨가 광섬유 증폭기)가 TAT-12/13 케이블을 통해 대서양으로 흘러들어갔습니다.

우리가 매일 사용하고 당연하게 여기는 많은 장치와 마찬가지로 EDFA는 양자 물리학의 원리를 활용하면서도 놀라울 정도로 간단합니다. EDFA는 증폭을 달성하기 위해 희토류 원소 에르븀 산화물의 형광 특성에 의존합니다. 소량의 에르븀(III) 산화물이 실리카 섬유의 코어에 추가되면 에르븀 이온의 전자는 특정 펌핑 파장의 레이저 광에 부딪혀 기저 상태(L1)에서 여기될 수 있습니다. 펌핑 레이저는 에르븀 전자를 L3 상태로 여기시키는 980 nm 또는 L2 상태로 여기시키는 1,480 nm일 수 있습니다. 실제 EDFA는 980nm와 1,480nm 펌핑 레이저를 모두 사용하는 경향이 있습니다.