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다양한 광섬유 케이블 유형의 특성을 이해하면 각 케이블이 사용되는 응용 분야를 파악하는 데 도움이 됩니다. 광섬유 시스템을 제대로 운영하려면 어떤 유형의 광섬유가 사용되고 있는지, 그리고 그 이유를 아는 것이 중요합니다. 광섬유 케이블에는 크게 멀티모드 광섬유 케이블과 싱글모드 광섬유 케이블 두 가지 유형이 있습니다. 멀티모드 광섬유는 단거리 전송에 가장 적합하며 LAN 시스템 및 비디오 감시 시스템에 사용됩니다. 싱글모드 광섬유는 장거리 전송에 가장 적합하며 장거리 전화 통신 및 다채널 텔레비전 방송 시스템에 사용됩니다.
멀티모드 광섬유
최초로 제조 및 상용화된 멀티모드 광섬유 케이블은 여러 모드 또는 광선이 도파관을 통해 동시에 전달된다는 사실을 의미합니다. 모드는 빛이 광섬유 코어 내에서 수용 원뿔 내의 특정 각도로만 전파된다는 사실에서 비롯됩니다. 이 광섬유 유형은 단일 모드 광섬유에 비해 코어 직경이 훨씬 커서 더 많은 모드를 수용할 수 있으며, 단일 모드 광섬유보다 결합이 더 용이합니다. 멀티모드 광섬유는 스텝 인덱스 광섬유 또는 그레이디드 인덱스 광섬유로 분류될 수 있습니다. 그림 2는 멀티모드 스텝 인덱스 광섬유에서 전반사 원리가 어떻게 적용되는지 보여줍니다. 코어의 굴절률이 클래딩의 굴절률보다 높기 때문에 임계각보다 작은 각도로 입사하는 빛은 광섬유를 따라 유도됩니다.
세 가지 서로 다른 광파가 광섬유를 따라 이동합니다. 첫 번째 모드는 코어의 중심을 따라 직선으로 진행합니다. 두 번째 모드는 급격한 각도로 진행하며 전반사에 의해 앞뒤로 반사됩니다. 세 번째 모드는 임계각을 초과하여 클래딩으로 굴절됩니다. 직관적으로 두 번째 모드가 첫 번째 모드보다 더 먼 거리를 이동하므로 두 모드가 서로 다른 시간에 도달하게 됩니다. 이러한 서로 다른 광선의 도달 시간 차이를 분산이라고 하며, 결과적으로 수신단에서 신호가 왜곡됩니다. 분산에 대한 자세한 내용은 "광섬유 시스템의 분산"을 참조하십시오. 하지만 높은 분산은 다중 모드 스텝 인덱스 광섬유의 불가피한 특성이라는 점에 유의해야 합니다. 다중 모드 그레이디드 인덱스 광섬유에서 그레이디드 인덱스는 코어의 중심에서 멀어질수록 굴절률이 점진적으로 감소하는 것을 의미합니다. 코어 중심부의 굴절률 증가는 일부 광선의 속도를 늦추어 모든 광선이 수신단에 거의 동시에 도달하게 함으로써 분산을 줄입니다. 그림 3은 다중 모드 그레이디드 인덱스 광섬유의 원리를 보여줍니다. 코어의 중심 굴절률(nA)은 외부 코어의 굴절률(nB)보다 큽니다. 앞서 설명했듯이 코어의 굴절률은 중심부에서 더 높은 포물선 형태를 띕니다. 그림 3에서 볼 수 있듯이 광선은 더 이상 직선으로 진행하지 않고, 굴절률이 지속적으로 감소함에 따라 점차 중심을 향해 휘어지는 구불구불한 경로를 따라 진행합니다. 이는 모든 모드가 거의 동시에 도달하기 때문에 도착 시간 차이를 줄여줍니다. 직선으로 진행하는 모드는 굴절률이 더 높으므로 구불구불한 경로를 따라 진행하는 모드보다 느리게 이동합니다.이러한 입자들은 더 멀리 이동하지만, 외핵 영역의 낮은 굴절률에서 더 빠르게 움직입니다.
단일 모드 광섬유
단일 모드 광섬유는 각 광 펄스의 충실도를 장거리에서도 유지할 수 있고 다중 모드로 인한 분산이 없기 때문에 더 높은 정보 전송 용량을 제공합니다. 또한 단일 모드 광섬유는 다중 모드 광섬유보다 광섬유 감쇠가 낮습니다. 따라서 단위 시간당 더 많은 정보를 전송할 수 있습니다. 다중 모드 광섬유와 마찬가지로 초기 단일 모드 광섬유는 일반적으로 계단형 굴절률 광섬유로 특징지어졌습니다. 이는 광섬유 코어의 굴절률이 클래딩의 굴절률보다 한 단계 높은 형태이며, 경사 굴절률 광섬유처럼 점진적으로 변화하는 형태가 아님을 의미합니다. 현대의 단일 모드 광섬유는 정합 클래드, 감쇠 클래드 및 기타 특수 구조와 같은 더욱 복잡한 설계로 발전해 왔습니다.
단일 모드 광섬유는 몇 가지 단점이 있습니다. 코어 직경이 작아 코어에 빛을 결합하기가 더 어렵습니다. 또한 단일 모드 커넥터와 스플라이스에 대한 허용 오차가 훨씬 더 까다롭습니다. 단일 모드 광섬유는 수십 년 동안 지속적인 발전을 거듭해 왔습니다. 그 결과, 현대 통신 시스템에서 사용되는 단일 모드 광섬유는 크게 세 가지 종류로 나뉩니다. 가장 오래되고 널리 사용되는 유형은 비분산 시프트 광섬유(NDSF)입니다. 이 광섬유는 처음에는 1310nm 부근에서 사용하도록 개발되었습니다. 그러나 이후 1550nm 시스템이 등장하면서 NDSF 광섬유는 1550nm 파장에서 매우 높은 분산을 나타내어 더 이상 적합하지 않게 되었습니다. 이러한 단점을 해결하기 위해 광섬유 제조업체들은 제로 분산점을 1550nm 영역으로 이동시킨 분산 시프트 광섬유(DSF)를 개발했습니다. 수년 후, 과학자들은 DSF가 단일 1550nm 파장에서는 매우 잘 작동하지만, DWDM 시스템에서 1550nm 대역 내에 여러 개의 파장이 근접하게 분포된 경우 심각한 비선형성을 나타낸다는 사실을 발견했습니다. 최근 비선형성 문제를 해결하기 위해 새로운 종류의 광섬유가 도입되었습니다. 이 광섬유는 비영분산 시프트 광섬유(NZ-DSF)로 분류됩니다. NZ-DSF는 양의 분산과 음의 분산 두 가지 유형으로 제공되며, 새로운 광섬유 구축에 있어 빠르게 선호되는 광섬유로 자리 잡고 있습니다. 이러한 손실 메커니즘에 대한 자세한 내용은 "광섬유 분산" 문서를 참조하십시오.
단일 모드 광섬유의 또 다른 중요한 종류는 편광 유지(PM) 광섬유입니다. 지금까지 살펴본 다른 모든 단일 모드 광섬유는 무작위 편광을 가진 빛을 전송할 수 있었습니다. PM 광섬유는 입력광의 특정 편광만 전송하도록 설계되었습니다. 이는 편광 입력이 필요한 외부 변조기와 같은 부품에 중요합니다. 그림 7은 PM 광섬유의 단면을 보여줍니다. 이 광섬유는 다른 광섬유 유형에서는 볼 수 없는 특징을 가지고 있습니다. 코어 외에도 응력 막대라고 하는 두 개의 추가 원형 구조가 있습니다. 이름에서 알 수 있듯이, 이 응력 막대는 광섬유 코어에 응력을 발생시켜 특정 편광면의 빛만 우선적으로 전송되도록 합니다. 단일 모드 광섬유는 시스템 성능에 큰 영향을 미칠 수 있는 비선형성을 나타냅니다.
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