광통신 분산

단일 양식

단일 상태는 하나의 광섬유에 계단형 단일 광선을 전송하는 형태다. 코어의 지름을 빛의 파장과 비슷하게 매우 좁게 만들고 밀도를 더 낮게 만들어 굴절이 적게 발생하게 된다. 이렇게 되면 송신부로부터 발생한 광선이 경로를 타고 직진하게 되는데, 결과적으로 송신부에서 출발한 광선은 수신부에서 동일 시점에 집중해서 수신되기 때문에 다중 모드보다 우수한 수신 특성을 갖는다. 단일 상태는 다중 모드에 비해 데이터 손실이 적어 장거리 전송에 사용된다. 하지만 코어의 지름이 작으면 광섬유 접속에 고도의 기술이 필요하다. 광섬유의 크기는 코어 지름과 클래딩 지름의 비율로 정의되며, 단위는 um(마이크로미터)도 표시한다. 클래딩의 지름은 125㎛로 ITU-T에서 표준화였다.

광통신 시스템

일반적으로 전기 신호를 이용하는 통신 시스템이 광섬유를 이용하여 신호를 송신하려면 전기 신호를 광신호로 변환하는 장치를 이용해야 한다. 이를 위해서 송신부에서는 바로 간 다이오드와 분사 레이저 다이오드와 같은 소자가 사용된다. 단거리에는 LED를 사용하고 장거리에는 레이저 신호를 사용한다. 반대로 수신부에는 광신호를 전기 신호로 변환하는 장치가 필요하다. 이를 위해서 PD나 APD가 사용된다.

광섬유의 장단점
장점
  - 대역폭이 넓다 : 가시광선의 넓은 대역폭을 이용하여 높은 데이터 전송률을 얻는다
  - 신호 감쇠가 낮다 : 신호 감쇠가 낮아서 중계기 없이 50km까지 신호를 전달 할 수 있다. 트윗이시듯 페어나 동축 케이블은 5km마다 중계기가 필요하다.
  - 전자기파 간섭에 강하다 : 일반 전자기파는 광섬유에 영향을 주지 않는다.
  - 도청에 강하다 : 구리 선에는 선을 쉽게 연결하여 동창 할 수 있지만 광섬유에는 선을 연결하기가 매우 어렵기 때문에 도청하려면 전문적인 도구와 기술이 요구된다.
  - 무게가 가볍다.
단점
  - 설치와 유지 보수가 어렵다. 이를 위해서는 특정 도구와 기술이 요구된다. 또한, 금속 도체에 비해 광섬유는 부러지기 쉽다.
  - 레이저 광원은 저기 신호 발생기보다 가격이 매우 높다.

광섬유의 전송 손실
광 손실이 발생하는 요인에는 광섬유가 갖는 고유 손실과 광섬유 제조 후에 부가되는 손실이 있다. 전자에는 레일리 산란 손실, 흡수 손실, 구조 불완전에 의한 손실이 있으며, 후자에는 마이크로벤딩 손실, 휠 손실, 접속 손실이 있다. 레일리 산란 손실은 광이 미소한 입자에 부딪힐 때 광이 여러 방향으로 진행되는 현상이다. 광섬유는 2000도의 고온에서 급격하게 냉각시키므로 이때 생기는 밀도나 조성의 불균형이 그대로 광섬유 내에 잔류해 있다. 이러한 요인 때문에 레일리 산란 손실이 일어난다. 흡수 손실은 광섬유에 포함된 철, 구리, 코발트, 망간 등과 같은 불순물이 OH-기의 수분에 의한 흡수로 광출력이 광섬유 내에서 일부 열로 유실되는 현상이다. 구조 불완전에 의한 손실은 실제 광섬유에서 코어와 클래딩의 경계는 이상적으로 평탄한 원통 면이 아니며 아주 미세한 요청이 존재한다. 이처럼 불균일한 면이 있으면 광 에너지의 일부가 코어 밖으로 나와 광 손실이 일어난다. 마이크로벤딩 손실은 광섬유 제조 과정에서 광섬유 측면에 불균일한 압력이 가해져 광섬유의 축이 휘기 때문에 발생하는 손실이다. 이것은 광섬유에 적당한 플라스틱 코팅을 하거나 코팅 후 광섬유에 적당한 온도 변화를 주면 개선된다. 휠 손실은 광섬유 설치 시 광섬유가 구부러져서 발생하는 손실이다. 곡률 반경이 작게 구부러진 광섬유 내에서 코어와 클래딩의 경계면에 입사하는 광선의 각도가 임계각보다 작게 되어 광선이 클래딩 쪽으로 누설되면서 발생하는 손실이다. 광섬유 포설 또는 접속할 때 휠 경도가 허용 곡률 반경보다 작지 않아야 한다. 접속 손실은 광섬유에 접속할 때 정확하게 코어에 맞추지 않을 경우에 발생하는 손실이다. 완전하게 맞추지 않으면 코어에서 나온 광의 일부가 클래딩으로 상사 되어 손실이 일어난다.

광섬유의 분산
광섬유의 한쪽에서 광 펄스를 입력했을 때 반대쪽 단면에서 출력되는 광은 입력된 광 펄스의 시간 폭보다 넓어진다. 이것은 광 펄스가 광섬유를 통과하는 동안 시간적인 퍼짐이 발생하기 때문이다. 이러한 현상을 분산이라고 한다. 광 펄스가 퍼지면 신호 간 구별이 어렵기 때문에 분산은 손실과 더불어 광 전송에 많은 영향을 미친다. 분산은 발생 요인별로 모드 분산과 색 분산으로 나뉜다. 색 분산에는 재료 분산과 구조 분산이 있다. 단일 모드의 경우 전파하는 모드가 하나뿐이므로 모드 분산은 존재하지 않고 주로 다중 모드 광섬유에서만 모드 분산이 문제가 된다. 분산 크기는 모드 분산, 재료 분산, 구조 분산의 순으로 나뉜다. 모드 분산은 광원과 상관없이 광섬유의 종류에 따라 결정된다. 단일 모드 광섬유에는 모드 분산이 없다. 광섬유의 전송 용량은 분산이 작을수록 커진다. 모드 분산은 다중 무드형 광섬유에서 각 모드의 전파 경로가 달라져 출력단에서 도착 시간의 차이에 의해 발생한다. 계단형 다중 모드의 경우 전반사하는 횟수가 많은 고차 모드일수록 출력단에 도달하기까지 전파 거리가 멀어지고 그만큼 시간이 오래 걸린다. 그 결과 입사할 때는 시간 폭이 짧은 펄스라도 모드별 도달 시간의 차이로 인해 출력단에서는 시간상으로 퍼지는 현상이 발생하게 되는데, 이를 모드 분산이라고 한다. 이와 같은 모드 분산은 계단형 다중 모드 광섬유에 많은 영향을 미쳐 전송 대역폭을 제한한다. 증가형 다중 모드 광섬유는 이러한 문제를 개선하기 위하여 굴절률 분포를 서서히 증가시키는 형태다. 저 차 모드의 경우 굴절률이 높은 부분을 지나기 때문에 속도를 줄여 고차 모드와 저 차 모드의 도착 시간을 줄여준다.