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광통신

광섬유의 전송특성

시작이반입니다 시작이반입니다 2021. 5. 3. 17:00

광섬유의 전송특성

전송 특성이란 전송 선로를 통하여 신호, 정보, 전력 등을 전송할 때 입력 단자와 출력 단자에서의 전압, 전류 등의 감쇠량, 위상량, 동기 붕괴, 신호 대 잡음비, 누화량 등을 주파수 또는 시간에 대하여 나타내는 함수로 전송로의 특성을 의미합니다. 따라서 광섬유의 전송특성을 알기 위해서는 광섬유 의 파라미터와 전송 손실과 분산에 대해 이해할 필요가 있습니다. 광섬유의 파라미터에는 광의 전송에 중요한 의미를 갖는 굴절률에 관계되는 광학적 파라미터와 광섬유의 접속손실의 추정 및 평가시 중요한 광섬유 구조를 나타내는 구조 적 파라미터로 분류할 수 있습니다. 광학적 파라미터에는 코어와 클래드 굴절률의 차이를 나타내는 비굴절률차, 광섬유에서 광의 입사 및 광의 출사 상태를 나타내는 수광각과 개구수 그리고 코어의 굴절률 분포상태를 나타내는 굴절률 분포 계수 등이 있습니다. 그리고 구조 파라미터에는 코어의 직경을 나타내는 코어경과 광섬유의 직경을 나타내는 클래드경, 코어의 중심과 클래드의 중심이 일치하는가를 알아보는 편심을 그리고 코어와 클래드의 단면이 어느 정도로 이상적인 동심원으로 만들어져 있는가하는 비원을 등으로 나타낼 수 있습니다. 그러면 각 파라미터에 대해 종류별로 구체적으로 알아보기로 하겠습니다. 광학적 파라미터는 비굴절률차 광섬유 내에서 광섬유의 축과 만나는 광선만을 생각하여 코어와 클래드간의 굴절률 차이의 정도를 나타내는 파라미터입니다. 따라서 비굴절률 차가 크면 전반사를 일으키는 경계가 되는 임계각이 작아져서 코어에 광을 가두기가 쉬워지게 됩니다. 일반적으로 비굴절률차가 클수록 광이 코어 내에 들어가기가 쉽게 됩니다. 수광각이란 광이 광섬유의 코어에 입사할 수 있는 최대 수광 범위를 나타내는데, 광섬유의 코어와 클래드의 경계면에서 전반사 조건에 의한 입사각과 굴절각의 관계에 대한 수광 각도를 나타냅니다. 즉, 광섬유에 입사된 광이 광섬유 코어 내를 반사하면서 전파 되어 갈 수 있는 각도를 말하며 이 범위를 벗어나서 입사된 빛은 클래드로 빠져나가 버리게 됩니다. 광이 광섬유 코어 내를 전송되기 위해서는 입사단에서 입사광은 최대입사각보다 작아야 합니다. 이 각도보다 큰 각도로서 입사한 광은 코어와 클래드의 경계면에서 전반사하지 않고 클래드로 굴절하여 누설하는 광이 있어 멀리까지 전파 할 수 없게 되므로 광이 광섬유의 코어 내를 도파하기 위해서는 수광각의 범위 내에 각도로 광을 입사해야 합니다. 따라서 수광각은 이 0mm의 2배의 각이 됩니다. 개구수는 광학 렌즈의 성능을 나타내는 척도의 하나로 확대경의 성능을 표시할 때 사용되는 수치입니다. 렌즈에 평행광선을 입사시키면 렌즈를 통과한 광은 초점을 맞춰 한점에 집광하게 되며 이 때 초점에서 렌즈의 중심까지의 각을 0라 하면, 이에 대한 사인값을 렌즈의 개구수라 합니다. 즉, 수광각의 절반이 개구수가 됩니다. 개구수도 수광각과 마찬가지로 코어와 클래드의 비굴절률차에 의해 결정되는데, 수광각이 수광할 수 있는 범위를 각도로 나타낸다면 개구수는 이것을 각도 대신 수광효율을 백분을로 나타내는 것입니다. 따라서 수치가 크면 성능이 좋다는 의미로 해석할 수 있습니다. 그러나 광통신에서 광의 접속 능력을 개선하기 위해 사용되는 렌즈의 개구수를 무조건 크게 한다고 해서 결합 효율이 좋아지는 것은 아닙니다. 개구수란 입사광이 광섬유의 끝까지 전파되도록 전반사 현상을 일어나게 하는 최대의 입사 각도를 나타내는 매개변수로서, 입사되는 광은 수광 가능 최대각보다 작아야 합니다. 만일 개구수가 크다면 많은 광선이 코어에 집속하기가 쉬워지겠지만 렌즈의 개구수 가 광섬유의 수광각을 초과하게 되면 광섬유의 허용 수광각을 벗어나는 광선도 코어에 입사하게 됩니다. 그러나 이 광선은 코어를 통해 전파되지 못하고 클래드를 거쳐 빠져나가버립니다. 즉, 입사는 되어도 광섬유 내를 전파해가지 못하게 되기 때문에 손실이 발생하게 됩니다. 개구수는 발광소자와 수광소자, 광회로 부품과의 접속 등의 광학설계에 사용될 뿐 아니라 광섬유의 수광 가능한 최대의 각을 표시하는 중요한 요소로서, 다중모드 광섬유의 전송대역과도 밀접한 관계가 있습니다. 대표적인 개구수의 값은 단일모드 광섬유의 경우 0.1정도이고, 다중모드 광섬유의 경우는 0.18~0.3 정도로 밝기가 밝은 광섬유에서 가장 효율이 좋은 광을 입사시키기 위해서는 광섬유의 개구수와 같은 개구수의 렌즈를 사용하여 집광하면 됩니다. 규격화 주파수가 2.405가 되는 이 빛의 파장을 차단 파장이라고 합니다. 광섬유로 도파되는 모드 수는 코어의 직경에 비례하고, 비굴절률 차의 평방근에 비례하기 때문에 단일모드 광섬유를 제조하기 위해서는 코어의 반경을 줄여 규격화 주파수 가 2.405 이하가 되도록 해야 합니다. 따라서 보통 단일 모드 광섬유의 코어 직경은 약 10um 정도가 됩니다.

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