LQSLab - Research

Research Interests

High-speed fiber-optic communication systems
- - High-speed intensity-modulation and direct-detection (IM/DD) short-haul system

이동 통신이 5G로 발전하고 영상 스트리밍, 클라우드 서비스, 화상 회의 등의 서비스의 증가로 데이터 센터 망에서의 트래픽이 급증함에 따라, 광섬유 기반의 근거리 광통신 시스템(2 ~ 40 km)을 고속화하는 것은 매우 중요한 목표가 되었습니다. 일반적으로는 EDFA (erbium-doped fiber amplifier)를 사용하지 않는 80 km 이내의 광통신 시스템은 근거리 시스템으로 분류됩니다. 이러한 근거리 광통신 시스템은 비용에 매우 민감하기 때문에, 코히어런트 시스템보다는 여전히 세기 변조/직접 수신(IM/DD) 시스템이 선호됩니다. 그러나 변조기의 대역폭이 제한되어있어 고속 신호를 생성하기 어렵습니다. 또한, 고속 신호는 색분산(chromatic dispersion, CD)에 의한 신호의 왜곡이 매우 심합니다. 본 연구실에서는 대역폭이 제한된 소자들을 사용하여 고속 신호를 생성하고, 색분산 등에 의한 신호의 왜곡을 보상하는 연구를 수행하고 있습니다. 특히, 2채널 OTDM(optical time-division multiplexing) 기법을 활용하는 방안을 집중적으로 연구하고 있습니다.

Keywords: data-center interconnects (DCIs); fronthaul network; passive optical network (PON); optical time-division multiplexing (OTDM)

- - Coherent-lite system

수동형 광가입자망(passive optical network, PON)에서는 여러 가입자에게 동시에 서비스를 제공하기 위해 높은 power budget이 확보되어야 하는데, PON의 전송 속도가 증가함에 따라 낮은 수신 감도를 확보하는 것은 점차 어려워지고 있습니다. 그에 따라, 코히어런트 수신기가 필요해질 것으로 보입니다. 데이터센터 연결망(data-center interconnect, DCI)에서도 전송 속도를 더욱 높이기 위해서는 IM/DD 시스템에서 코히어런트 시스템으로의 전환이 이루어지는 시점이 올 것입니다. 또한, 색분산에 의한 신호 왜곡을 직접적으로 보상하기 위해서도 코히어런트 시스템으로의 전환이 요구되는 상황입니다. 그러나, 장거리 광통신 시스템에서 활용되는 편광 다중화 코히어런트 시스템은 복잡도와 구축 비용이 높기 때문에, 경량화된 코히어런트 시스템이 제시되어야 합니다. 본 연구실에서는 다양한 경량화된 코히어런트 시스템의 구조와 이를 위한 신호처리 알고리듬을 개발하고 있습니다.

Keywords: Single-polarization coherent system; self-homodyne coherent system; Kramers-Kronig (KK) receiver; symbol-spaced digital signal processing

- - Space-division multiplexed system

광통신 시스템의 전송 용량(channel capacity)을 늘리기 위해서는 (1) 사용하는 파장 대역을 늘리거나 (C+L band), (2) 광섬유 비선형성을 보상하거나, (3) 다중 모드 광섬유(multi-mode fiber, MMF), 소수 모드 광섬유(few-mode fiber, FMF) 혹은 다중 코어 광섬유(multi-core fiber, MCF)를 활용하여 공간 다중화를 구현해야 합니다. 본 연구실에서는 공간 다중화 기법을 활용하는 방안을 연구하고 있습니다.

Keywords: mode-division multiplexing (MDM), multi-core fiber

Free-Space optical communication (FSOC) System
- 우리는 유선 통신이 무선 통신보다 속도 측면에서 훨씬 유리하다는 사실을 실생활에서 체감하고 있습니다. 그럼에도 불구하고 선이 필요하지 않다는 장점 때문에 우리는 RF(radio frequency) 기반의 무선 통신(LTE, 5G, WiFi 등)을 많이 사용하게 됩니다. 그러나 이러한 RF 기반 무선 통신은 전송 거리를 늘리기 어렵다는 점, 전송 거리가 크게 제한된다는 점이 큰 단점으로 꼽힙니다. 예를 들어, 위성과 통신을 하는 경우에는 사용할 수 없으며, 실시간 고화질 화상 회의를 하기에는 제약이 따릅니다. 이러한 점을 해결하기 위해, 무선에서도 빛을 활용하는 광통신 시스템이 요구되고 있으며, 본 연구실에서는 이를 구현하기 위한 방안을 모색하고 있습니다.

Keywords: Satellite communication; ground-to-satellite communication; pointing, acquisition, and tracking (PAT); starlink

Ref. Starlink

Quantum communication systems
- Continuous-variable quantum key distribution system (CV-QKD)

현재 사용중인 컴퓨터로는 매우 큰 숫자를 소인수분해하는 것이 매우 어렵습니다. 이 점에 착안하여 개발된 암호화 기술이 RSA 알고리듬입니다. 그러나 만약 양자 컴퓨터가 개발된다면 쇼어 알고리듬(Shor's algorithm)을 통해 소인수분해를 쉽게 수행하게 될 것이며, 이는 현재 사용되는 보안 체계가 위험해진다는 점을 시사합니다. 따라서 양자 컴퓨터가 개발되더라도 보안성을 확보하기 위해, 양자의 복제 불가능성(no cloning theroem)에 기반한 양자암호통신(QKD)이 개발되어야 합니다. 그러나, 단일 광자(photon)을 변조하는 현재의 QKD 시스템(예: BB84, TF-QKD 등)을 활용하기 위해서는 단일 광자를 검출할 수 있는 수신기가 사용되어야만 합니다. 그러나 이는 지나치게 비쌉니다. 뿐만 아니라, 외부 잡음 및 왜곡에 민감하다는 것이 큰 단점입니다. 이 문제를 우회하기 위해, 비교적 저렴한 코히어런트 수신기를 활용할 수 있는 CV-QKD 시스템을 연구하고 있습니다.

Keywords: GG02 algorithm; Gaussian modulation; homodyne/heterodyne detection

Ref. F. Laudenbach et al., Advanced Quantum Technologies, 2018.