비선형 효과: SPM, XPM, FWM, 브릴루앙·라만 산란

감쇠와 분산은 선형적입니다: 파워를 두 배로 하면 출력도 두 배가 될 뿐 다른 것은 달라지지 않습니다. 9 µm 코어에서 채널당 파워가 수 밀리와트를 넘어서면 유리는 더 이상 선형적이지 않습니다 — 굴절률이 세기에 의존하기 시작하고, 빛은 스스로 여기시킨 음향 및 분자 진동에 부딪혀 산란하기 시작합니다. 단일 10G 스팬에서는 이것이 드러나지 않지만, 1 000 km에 걸쳐 채널 80개를 증폭하는 DWDM 시스템에서는 이것이 최대 송신 파워, 따라서 전송 거리를 결정합니다. 이 페이지에서는 다섯 가지 효과, 각각이 언제 중요한지, 어떻게 수치화하는지, 시스템이 이를 어떻게 고려해 설계되는지를 설명합니다.

광섬유가 비선형적인 이유

물리량	G.652에서의 값	의미
커 계수 n₂	≈ 2.6 × 10⁻²⁰ m²/W	세기에 따라 굴절률이 상승: n = n₀ + n₂·I
유효 면적 A_eff	≈ 80 µm²(G.652), 110–150 µm²(G.654.E)	세기 = 파워 ÷ 면적 — 작은 코어는 빛을 집중시킴
비선형 계수 γ = 2πn₂/(λ·A_eff)	≈ 1.3 W⁻¹km⁻¹(1550에서 G.652), ≈ 0.7(G.654.E)	와트·킬로미터당 위상 편이
유효 길이 L_eff = (1 − e^(−αL))/α	0.2 dB/km인 장거리 스팬 기준 ≈ 20 km	효과는 대부분 각 증폭기 이후 처음 수십 킬로미터 구간에서 누적됨
채널당 일반적인 송신 파워	DWDM은 0 … +3 dBm(1–2 mW); 단일 채널은 최대 +10 dBm	비선형 위상 φ_NL = γ·P·L_eff ≈ 스팬당 0.03–0.3 rad

커 효과

효과	메커니즘	증상	가장 심할 때
자기 위상 변조(SPM)	펄스 자신의 세기가 자신의 위상을 바꿈 → 처프 → 스펙트럼 확산; 색분산과 상호작용	아이 닫힘, 펄스 왜곡; 코히어런트 시스템에서는 비선형 위상 잡음 바닥	높은 파워, 많은 스팬, 낮은 분산
상호 위상 변조(XPM)	인접 채널의 세기가 해당 채널의 위상을 변조	다른 채널로 인한 타이밍 지터와 위상 잡음	조밀한 채널 간격(50 GHz), 낮은 국소 분산, 많은 채널
4광파 혼합(FWM)	세 주파수가 f₁ + f₂ − f₃에서 네 번째 주파수를 생성; 혼합 결과물이 다른 채널 위에 떨어짐	파워³에 비례해 커지는 혼선	D ≈ 0(G.653 광섬유), 균등한 채널 간격, 높은 파워

국소 분산은 도움이 됩니다: 서로 다른 채널의 펄스가 서로를 스쳐 지나가게 만들어 XPM/FWM이 평균화되어 상쇄되도록 합니다 — G.655(작지만 0이 아닌 D)가 DWDM에서 G.653을 대체한 이유이며, 지금은 분산 보상이나 코히어런트 DSP를 갖춘 G.652(D = 17)가 선호되는 이유이기도 합니다(광섬유 종류).

산란 효과

효과	메커니즘	임계값	증상	발생 위치
유도 브릴루앙 산란(SBS)	빛이 음향파를 만들어 자신을 ≈ 11 GHz만큼 편이시켜 뒤쪽으로 반사시킴	좁은 선폭 CW 광원이 긴 SMF에 있을 때 ≈ +6 … +10 dBm(선폭이 좁을수록 낮아짐)	순방향 파워가 포화되고 강한 역방향 빛과 잡음이 발생	CW 레이저: 1550 nm 아날로그 비디오 오버레이(+17 dBm)와 라만 펌프; 선폭 확대/디더링으로 완화(대부분의 송신기가 이를 적용)
유도 라만 산란(SRS)	광자가 분자 진동에 에너지를 잃음(스토크스 편이 ≈ 13 THz ≈ 100 nm)	광대역 전체 총파워가 ≈ +20 … +25 dBm 초과	파워 기울어짐: 짧은 파장 채널이 긴 파장 채널을 펌핑 — C-밴드가 L-밴드를 먹여 살림	광대역 DWDM(C+L); 프리엠퍼시스와 이득 기울기 제어로 관리; 라만 증폭기에서는 의도적으로 활용(증폭과 OSNR)

비선형성이 중요한 곳과 그렇지 않은 곳

시스템	비선형 페널티	설계 대응
단일 10G LR/ER 스팬, −8 … +4 dBm	없음	무시
PON 하향 +3 … +7 dBm, 20 km	없음(SBS 마진 충분)	무시; +17 dBm 비디오 오버레이는 SBS 억제 기법 사용
10G DWDM, 40채널, EDFA를 갖춘 8 × 80 km	G.655에서는 XPM/FWM, 어디서나 SPM	채널당 송신 −2 … +1 dBm, 분산 맵, DSF에서는 불균등 채널 간격
100G/400G 코히어런트 DWDM, 80채널 이상, 1 000 km 이상	비선형 위상 잡음이 파워로 얻는 OSNR 이득을 제한	최적 송신은 G.652에서 채널당 ≈ 0 … +2 dBm, G.654.E에서 +3 … +5; GN 모델로 계획
400ZR 플러거블, 단일 스팬 ≤ 120 km	작음	송신 −10 … 0 dBm; 손실이 한계 요인
해저 10 000 km	지배적	G.654 대유효면적 광섬유, 낮은 송신 파워, 다수의 중계기, C+L
라만 증폭 스팬	+27 … +30 dBm 펌프	커넥터 청결도와 안전이 매우 중요(안전과 취급)

규칙: 비선형 효과는 채널당 파워 × 스팬 수가 커질 때 나타납니다; 보통 수준의 파워로 이루어진 스팬 하나에서는 결코 나타나지 않습니다.

수치화: OSNR과 파워의 트레이드오프

OSNR은 송신 파워 1 dB마다 1 dB씩 개선됩니다(선형 영역).
비선형 간섭(NLI) 잡음은 파워³에 비례해 커집니다 — 송신 파워 +1 dB당 잡음 +3 dB에 해당합니다.
이 합에는 최적점이 있습니다: 선형 ASE 잡음과 NLI가 같아지는 지점인 비선형 임계값이며, 시스템은 이보다 1–2 dB 낮게 설계됩니다. 가우스 잡음(GN) 모델은 γ, D, 스팬 길이, 채널 수, 채널 간격으로부터 NLI를 추정하며, 계획 도구는 이를 경로마다 수행합니다.
코히어런트 DSP는 SPM을 부분적으로 되돌릴 수 있지만(디지털 역전파) 다른 채널에서 비롯된 XPM/FWM은 되돌릴 수 없습니다.

완화 방법 요약

방법	대상	적용 사례
송신 파워를 최적값 부근으로 유지(채널당 0 … +3 dBm)	모든 커 효과	모든 DWDM 설계
0이 아닌 국소 분산(G.653 대신 G.652/G.655)	FWM, XPM	광섬유 선택
분산 관리(DCM 맵)	SPM/XPM 상호작용	10G DWDM
대유효면적 광섬유(G.654.E)	전체(낮은 γ)	신규 장거리
불균등 채널 간격	FWM	DSF 레거시 구간
선폭 디더링	SBS	CW 아날로그, 펌프
이득 기울기 보상, 프리엠퍼시스	SRS	광대역 DWDM
NLC를 적용한 코히어런트 DSP	SPM	400G 이상 장거리
분포형 라만 증폭	(SRS를 활용)필요 송신 파워를 낮춤	초장거리 스팬

CodingBox에서는

비선형 효과는 모듈 메모리가 아니라 선로 시스템에 존재합니다 — 하지만 모듈이 신고하는 Tx 파워, 그리고 튜너블 DWDM 모듈이라면 채널 플랜은 설계자에게 필요한 입력값입니다. CodingBox는 Tx 파워 범위와 파장/채널 필드를 보여주므로 채널별 송신 버짓을 실제 수치에서 출발해 세울 수 있습니다(Check transceiver, 튜너블 트랜시버).

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