광섬유 (Optical Fiber)

기본적인 Fiber 구조

파이버는 코어와 클래드로 이루어져 있음.

- 코어 - 빛이 전달되는 통로.

- 클래드 - 코어 주위를 둘러싸고 있으며, 코어보다 1% 정도 작은 굴절률을 가진다.

또한, 클래드는 1개 이상의 폴리머 층으로 둘러싸여 있는데, 이것은 광학적인 특성은 없고, 코어와 클래드의  충격을 줄여주는 완충역할만을 한다.

 

파이버 안으로 들어간 빛은 코어와 클래드 사이를 지그재그 형태로 반사하면서 진행하는데, 이 빛들 중에서 임계각보다 큰 빛은 계속반사가 되지만 임계각 보다 작은 빛은 반사가 되지않고 클래드를 통과하여 자켓으로  흡수됨.

 

빛이 전달되는 모양에 따른 분류.

Meridional Ray : Fiber의 중심축을 지나치며 반사되는 빛 – 일반적인 빛의 전달.

Skew Ray : Fiber의 중심축을 지나치지 않으면서 반사되는 빛 – 보통 나선모양으로 전달되며(대부분 무시함.)

 

빛의 전달에 영향을 주는 요소.

1) 코어의 지름.

2) 코어, 클래드의 재질.

3) 어떻게 빛이 입사되는냐.

 

Fiber의 분류

2가지로 분류함.

첫번째는 만들어진 재료에 의한 분류.

두번째는 코어의 굴절 및 모드에 의한 분류.           

 

- 재료에 의한 분류.

1) 유리 파이버 : 코어와 클래드가 유리로 되어 있다.

파이버에 사용되는 원래 유리는 순도가 매우 높고 투명하지만, 원하는 굴절률을 얻기 위해서 의도적으로 불순물을 넣는다.

    굴절률을 증가시키는 물질 : 게르마늄, 인...

    굴절률을 감소시키는 물질 : 붕소, 플르오르...

2) PCS 파이버 : 코어는 유리로 되어있고, 클래드는 플라스틱으로 되어 있다.

유리 파이버보다는 못하지만 우수한 특성을 가진다.   

3) 플라스틱 파이버 : 코어와 클래드가 플라스틱이다.

다른 파이버에 비해서 손실이 크고 Bandwidth의 제한이 있지만 가격이 싸고 취급이 쉬워서 유용하게 사용될 수 있다.

 

※ PCS파이버와 플라스틱 파이버에는 클래드를 둘러싼 완충 코팅이 없다.

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- 코어의 굴절률과 모드에 의한 분류.

 

굴절률 프로파일

굴절률 프로파일 : 코어와 클래드간의 굴절 관계에 대한 설명으로 Step index와 Graded index가 있다.

1) Step index : 코어의 굴절률이 균일하여 계단 모양의 프로파일을 가진다.

2) Graded index : 코어의 굴절률이 불균일 하여 코어의 중심이 가장 높고 클래드 쪽으로 갈수록 낮아진다.

 

이와 같은 분류에 의해서 크게 3가지 타입의 파이버로 나뉜다.

1) Multi mode step-index fiber (보통, step-index fiber 라고 부름)

2) Multi mode graded-index fiber (보통, graded-index fiber 라고 부름)

3) Single mode step-index fiber (보통, Single mode fiber라고 부름)

 

※ 모드: 미디어를 통한 전자기파 전달의 수학적, 물리적 개념 묘사.

 

Step-Index Fiber

Multi mode step index fiber는 가장 단순한 타입으로, 높은 Bandwidth에는 적합하지 않지만 가장 넓은 범위에서 사용된다.

각기 다른 입사각을 가진 빛은 코어 내부에서도 다른 각도로 반사되면서 전달되는데, 코어의 중심을 통과하는 빛은 반사가 없이 직선으로 진행하기 때문에 가장 빠르고, 나머지 반사되면서 진행되는 빛은 그 보다는 늦다. 이와 같은 큰 입사각으로 반사되며 전달되는 Low-Order Mode와 작은 입사각으로 전달되는 High-Order Mode의 차이를 Modal Dispersion이라고 한다.

(일반적인 Step-Index Fiber의 Modal Dispersion은 km당 15~30ns 인데, 이는 1km 전송 시, 빨리 전달된 빛과 늦게 전달된 빛은 시간차이가 15~30ns 라는 의미.)

Modal dispersion이 작아지면 Bandwidth가 늘어난다.

 

Graded-Index Fiber

Graded-Index Fiber를 사용하면 Modal Dispersion을 줄일 수 있다.

코어는 유리로 된 여러 개의 동심층으로 되어 있으며, 코어 중심의 바깥쪽 층으로 갈수록 굴절률은 낮아지는데, 굴절률이 낮으면 빛의 속도는 빨라지기 때문에 결국, 바깥쪽 층일수록 빛의 속도는 더 빠르다.

또한, 코어의 서로 다른 층들은 굴절을 일으키므로 Graded-Index fiber는 Step-Index fiber 처럼 빛이 각을 이루며 반사를 하는 것이 아니라 대부분이 사인곡선과 같이 둥글게 구부러진 모양으로 굴절되며 전달된다.

이와 같이, 빛이 코어 중심측에서는 느리고 바깥쪽에서는 빠르기 때문에 거의 같은 시간에 파이버의 끝으로 빠져나올 수 있다. (일반적인 Graded-Index Fiber의 Modal Dispersion은 km당 1ns 이하.)

 

Single Mode Fiber

Modal Dispersion을 줄이는 방법 중 코어의 지름을 하나의 모드만 통과할 수 있을 정도로 줄이는 방법이 있는데 이것이 싱글모드 파이버이며 5~10um의 코어지름을 갖는다.

일반적으로 클래드의 지름은 125um로서, 3가지의 이유에서 이 같은 클래드의 지름이 결정되었다.

 

1) Single Mode Fiber의 클래드 지름은 코어지름의 10배 이상이 되어야 한다.

   (코어의 지름이 8um인 경우, 클래드의 지름은 80um 이상이어야 한다.)

2) Graded-Index Fiber의 클래드와 같은 크기이며, 표준화된 크기이다.

3) 파이버의 깨짐이 없고, 지름이 커서 작업자가 다루기가 쉽기 때문이다.

 

싱글모드 파이버는 하나의 모드만 전달되기 때문에 Modal dispersion이 없다.

싱글모드 파이버는 50~100GHz/km 전달할 수 있다.

 

Dispersion-Shifted Fibers

Step index fiber의 경우 1300nm에서 Material dispersion이 없어지게 되는데, 이와 파장이 다르더라도 이와 같은 특성을 얻을 수 있는 구조로 만들어진 파이버임. (일반적으로 1300~1550nm)

 

Short-wavelength single mode fiber

Single Fiber는 짧은 파장이 차단되는 구조로 만들 수 있다.

어떤 Fiber는 633nm 동작을 위해서 570nm이하의 파장을 차단할 수 있게 디자인 할 수 있으며, 코어의 지름은 4um이하로 매우 작다. 또 다른 파이버는 1060nm 동작을 위해서 1000um의 파장을 차단하기도 한다. 이때의 코어 지름은 6um 이하이다.

이와 같은 Fiber는 통신, 컴퓨터, 센서의 일부 특별한 목적으로 만들어지며 1300nm, 1550nm 같은 표준 Single mode의 장거리 전송에는 사용될 수 없다.

(Attenuation이 높기 때문에 장거리 전송에는 적합하지 않다 - 633nm에서 km당 10dB)  

 

Plastic Fibers

Glass Fiber 보다는 나쁘지만 구리선에 비해서는 좋은 특성을 가진다. 

(100미터에서 50Mbps까지 전송이 가능.)

코어는 크고 코어는 매우 얇다.

- 일반적은 규격: 480/500, 735/750, 980/1000.

 

Plastic Fiber의 장점으로는...

1) Glass Fiber에 비해 값이 싸다.

2) 660nm의 가시광선을 이용하기 때문에 시스템에서 문제 해결 시 빛의 유, 무를 쉽게 확인 할 수 있다.

3) Glass Fiber 보다 내구성이 있고, 더 작게 구부릴 수 있다.

4) EMI가 없다.

5) 간단하게 설치할 수 있다.