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광섬유 개요

1. 광섬유란

광통신을 가능하게 하는 저변에는 저손실 특성의 광섬유가 있다. 광섬유는 광을 전송하기 위한 전송로가 된다. 광섬유를 사용한 통신 케이블을 광섬유 케이블이라 한다. 광섬유 케이블은 광 신호가 전파되는 코어(core)를 둘러싸고 있는 클래드(clad)를 기본으로 구성되어 있으며, 이를 다시 피복재로 감싸고 있다(그림 1 참조). 코어는 클래드보다 굴절률이 큰 물질로 이루어져 있다.

광섬유 케이블은 기존의 메탈 케이블에 비해 고속/광대역 전송이 가능하고, 전송 도중의 데이터 손실이 현저히 적다(예를 들어, 광 해저 케이블의 경우 손실은 0.19 dB/km)는 특장점을 가지고 있다.

2. 광섬유의 분류

광섬유는 용도나 재질에 따라 분류되는데, 용도를 기준으로 하면 전송용(선로용) 광섬유, 증폭기용 광섬유, 격자(grating)용 광섬유로 분류되며, 재질을 기준으로 하면 석영계 광섬유(Silica Optical Fiber)와 비석영계 광섬유로 구분되는데, 비석영계 광섬유에는 합성유리 광섬유, 플라스틱 광섬유(POF : Plastic Optical Fiber), 다성분계 광섬유 등이 있다.

이중 광통신에서는 석영계 광섬유가 주로 이용되는데, 석영계 광섬유는 다시 광의 전파 모드와 굴절률 분포에 따라 다중 모드 광섬유와 단일 모드 광섬유로 구분된다. 또한 다중 모드 광섬유는 다시 SI형(St ep Index Multi-mode)과 GI형(Graded Index Multi-mode)으로 구분된다. 이를 간략히 정리하면 <표 1>과 같다.

3. 광섬유의 크기1)

광섬유 크기에 대한 국제 표준은 단일 모드 광섬유의 경우 코어의 직경은 8~10㎛, 클래딩의 직경은 125㎛, 그리고 코팅까지의 직경은 245㎛로 표준화 되어 있다. 멀티 모드 광섬유의 경우 코어의 직경이 50~62.5㎛로 차이가 있을 뿐 나머지 규격은 단일 모드 광섬유와 같다. 이 표준은 동 산업계에서 사용되는 커넥터, 스플라이스 및 기타 툴간의 호환성 확보를 위해 매우 중요하다.

4. 석영계 광섬유

석영계 광섬유는 투명성이 극히 우수하여 전송 손실이 적고, 기계적 강도 또한 뛰어나 통신용 전송로로서 요구되는 기본적인 특성을 갖추고 있다.

석영계 광섬유는 크게 광이 통과하는 경로가 하나이며 코어의 직경이 가는 단일 모드 광섬유와 광이 통과하는 경로가 복 수이며 코어의 직경이 큰 다중 모드 광섬유로 대별된다.

. 멀티 모드 광섬유

전술한 바와 같이 멀티 모드 광섬유는 광의 전파 모드와 굴절률 분포에 따라 SI형 멀티 모드 광섬유와 GI형 멀티 모드 광섬유로 구분된다.

SI형 멀티 모드 광섬유에서는 빛이 코어와 클래딩의 경계에서처럼 굴절률이 다른 경계면에 도달하면 일부는 투과되고 나머지는 반사된다. 그러나 굴절률이 높은 코어 부분으로부터의 빛의 진로가 경계면과 이루는 각도가 어떤 임계각보다 작아지면 빛은 클래딩 부분으로 투과되지 않고 모두 반사된다. 이런 현상을 전반사라고 한다. 이 원리에 의해 광섬유 코어 부분에 일정한 각도 이내의 빛이 입사되면 코어 안에서 전반사를 계속하면서 진행된다.

광섬유가 급격하게 구부러지면 광 경로가 경계와 이루는 각도가 임계각 이상으로 커질 수 있으므로 빛이 클래딩 쪽으로 새어나가 손실이 증가하게 된다. 이런 SI형 멀티 모드 광섬유에서는 직진하는 광선과 큰 각도로 전반사하는 광선이 도파되는 경로 차이가 크므로 이에 비례해 출력단에 도착되는 시간 차가 생겨 수십 MHz/km 이상의 정보 전송이 어렵다. 이런 현상을 모드 분산(mode dispersion)이라 한다

이런 시간 차를 줄일 수 있도록 설계된 것이 GI형 멀티 모드 광섬유이다. 이 광섬유는 코어 중심의 굴절률이 가장 크고, 클래딩쪽으로 갈수록 굴절률이 조금씩 줄어들어 언덕 모양의 굴절률 분포를 이룬다. 이렇게 되면 먼 경로로 구부러지는 빛의 속도는 굴절률의 감소에 의해 증가하므로, 직진하는 빛과 거의 같은 시간에 출력단에 도착하게 된다. 이 경우, 전술한 SI형 광섬유보다 100배 이상의 속도로 정보를 전송할 수 있게 된다.

. 단일 모드 광섬유

전술한 멀티 모드 광섬유(SI형 및 GI형 광섬유)에서는 각도가 다른 수백 개의 광선이 동시에 도파된다. 그런데 광섬유 코어의 지름을 더 줄이고, 코어와 클래딩 간의 굴절률의 차이를 줄이면 직진하는 빛만 도파되도록 할 수 있다. 이런 광섬유를 단일 모드 광섬유라 하는데, 이 경우에는 각각의 진행 각도 차이로 인해 생기는 시간차가 없으므로 100GHz/km 이상의 넓은 전송 대역폭을 갖는다.

5. WDM용 광섬유

. EDF(Erbium-Doped Optical Fiber)

오늘날 광통신망이 지향하는 바는 대개 고속화, 대용량화, 장거리화라는 3가지로 집약할 수 있다. 이중 대용량화 기술로 최근 각광 받고 있는 것이 WDM(wavelength division multiplexing) 기술이다. WDM은 하나의 광섬유 내에 파장이 다른 다수의 광신호를 전송함으로써 용량을 증대시킬 수 있다.

WDM은 1가닥의 광섬유에 파장이 다른 다수의 광신호를 동시에 전송할 수 있게 하는 기술로, 이 기술을 적용하면 광통신 회선의 용량을 대폭 확장할 수 있다. 이 WDM 방식에는 다수의 파장을 일괄적으로 증폭할 수 있는 광섬유 증폭기(EDFA)가 사용되는데, EDF는 그 핵심 소자이다.

EDF는 석영계 광섬유의 코어에 희토류 원소인 에르븀(erbium)을 첨가하여 만든 특수 광섬유이다. 이 EDF를 사용하면 첨가된 에르븀의 작용으로 광신호를 간단하게 증폭할 수 있다. 1989년에 개발된 이래 광섬유 증폭기(EDFA)의 개발을 유발하였으며, 최근 광통신의 주류를 형성하고 있는 WDM 기술의 실용화에 초석이 되었다.

. DCF

DCF(Dispersion Compensation Fiber)는 커다란 음(-)의 파장 분산을 갖도록 설계된 광섬유이다. 현재 세계에 부설되어 있는 광섬유의 대다수는 파장이 1.3㎛인 광섬유인데, 이러한 1.3㎛ 단일 모드 광섬유 전송로에 양(+)의 분산을 가지는 1.55㎛ 파장이 사용되는 경우 문제 발생의 원인이 된다. DCF는 바로 이 양의 분산을 음의 분산으로 보상해 주는 기능을 한다. 1.3㎛용 광섬유에 DCF와 1.55㎛용 광증폭기를 조합함으로써 1.55㎛ 대역에서 구동하는 대용량 장거리 통신용으로 업그레이드 할 수 있다.

. NZ-DSF

광섬유에는 코어의 재료나 구조, 광의 파장에 따라 파형 열화의 원인이 되는 분산이 발생한다. 분산이란 전송 도중에 광의 펄스가 붕괴되는 현상을 말하는데, 광섬유의 분산은 초고속 장거리 광통신의 가장 큰 제한 요인의 하나가 되고 있다.

기존 장거리망에 사용되는 광섬유는 대개 파장 1,310㎚에서 영분산을 갖는 SMF(Single Mode Fiber)인데, SMF에 파장 1,550㎚인 레이저를 통과시키면 17㎰/㎚·㎞의 분산이 발생하여 전송거리를 제한하므로 이를 보상할 필요가 있다. 이러한 이유로 분산 보상을 하기 위한 광섬유, 즉 전술한 DCF(Dispersion Compensation Fiber)가 상용화 되어 있으나 값이 비싸 막대한 비용이 소요된다는 단점이 있다.

이에 따라 기존의 파장 1,310㎚영역으로부터 파장 1,550㎚의 영역으로 영분산을 천이시켜 분산과 손실의 최소화를 함께 도모한 분산 천이 광섬유(DSF : Dispersion Shifted Fiber)가 출현하게 됐다. DSF는 색분산을 구성하고 있는 재료분산과 구조분산을 최적화해 설계했다.

10 Gbps 이상의 고속 광전송 시스템이 현장에 적용되면서 DSF의 사용이 확대되고 있으나, 다채널 WDM 전송 시스템에서는 DSF의 비선형 특성(특히, 4광파 혼합 현상)에 의한 심각한 누화(Cross-talk)가 발생되고, 이의 증가는 채널당 광의 세기를 제한하고, 따라서 전송거리를 제한하게 되므로, WDM 전송 시스템으로 확장할 때 문제를 야기할 우려가 있다. 4광파 혼합 현상은 색분산이 클수록 효율이 작아지게 되므로 ITU-T에서는 영분산 파장이 전송 대역 밖에 위치하면서, 색분산이 6ps/nm.km 정도로 제한된 새로운 광섬유의 규격화를 진행하고 있다.

DSF는 C밴드가 영분산 대역이 되기 때문에 C밴드를 사용하는 WDM 전송에는 적합하지 않다. DSF를 그대로 WDM에 이용하려면 단위파장의 주파수 간격을 불균등하게 하고 C밴드 이외의 파장 영역을 사용해야 한다. 이러한 문제를 해결하기 위해 영분산 대역을 1,550nm 대역의 전후로 이동시킨 것이 비영분산 천이 광섬유(NZ-DSF : Non Zero DSF)이다.

NZ-DSF는 실제 이용되는 광증폭기의 증폭영역이 1,530∼1,565㎚이므로 광섬유의 영분산 파장이 이 영역 밖으로 벗어나도록 설계됐다. NZ-DSF는 국제전기통신연합(ITU)에서 심의한 G.655로 규격화되어 있다. 이 광섬유는 DSF의 세그먼트 코어나 듀얼형 구조를 약간 수정한 것으로 분산 값은 1,530∼1,565㎚ 영역에서 1∼6㎰/㎚·㎞ 정도를 갖는다. 영분산 파장이 단파장쪽으로 있는 NZ-DSF는 양분산을 갖게 되고 장파장쪽으로 있는 광섬유는 음분산을 갖는다. ♣ <J.S>



1) Fiber Optic Technology, Web ProForum Tutorials, http://www.iec.org