🔦 광섬유 — 구조 · 파라미터 · 모드 · 손실
🧅 구조와 전송 원리
┌─────────────────────────────┐
│ 피복 Jacket (보호·완충) │
│ ┌───────────────────────┐ │
│ │ 클래드 Cladding n₂ │ │ ← 굴절률 작음
│ │ ┌─────────────────┐ │ │
│ │ │ 코어 Core n₁ │ │ │ ← 굴절률 큼 (빛이 지나는 길)
│ │ └─────────────────┘ │ │
│ └───────────────────────┘ │
└─────────────────────────────┘
반드시 n₁ > n₂
코어의 굴절률이 클래드보다 커야 경계면에서 전반사(Total Internal Reflection) 가 일어나 빛이 밖으로 새지 않고 코어 안에 갇혀 진행한다. 이것이 광섬유의 유일한 전송 원리다.
✅ 광섬유의 장점
• 광대역 — 수 THz급, 대용량 전송
• 저손실 — 1550nm에서 0.2 dB/km
• 전자기 유도 무관 — 잡음·누화 없음
• 도청 곤란 — 보안성 우수
• 가늘고 가벼움 · 부식 없음
• 중계 간격이 김 (수십~100km)
⚠ 단점
• 접속·분기가 어렵다 (융착 접속기 필요)
• 기계적 강도가 약하고 구부림에 취약
• 전기를 함께 보낼 수 없음(급전 불가)
• 시험·측정 장비가 고가 (OTDR)
• 단면을 눈으로 보면 위험 (적외선)
📐 광학적 파라미터 — 계산 4종
| 파라미터 | 공식 | 의미 |
|---|---|---|
| 임계각 θc |
θc = sin⁻¹n₂n₁ | 이 각보다 크게 입사해야 전반사. 경계면 법선 기준 |
| 개구수 NA |
NA = √(n₁² − n₂²) = n₁√(2Δ) | 집광 능력 — 빛을 얼마나 넓은 각도에서 받아들이는가 기출 |
| 수광각 θa |
θa = sin⁻¹(NA) | 광섬유 입구에서 받아들일 수 있는 최대 입사각 (공기 n₀=1) |
| 비굴절률차 Δ |
Δ = n₁ − n₂n₁ | 보통 0.2~1 % 수준. 클수록 NA가 커지고 모드분산도 커진다 |
| 규격화 주파수 V |
V = 2πaλ × NA | a = 코어 반지름. V < 2.405 이면 단일모드 |
| 모드 수 M |
SI: M ≈ V²2 GI: M ≈ V²4 | 계단형이 언덕형보다 모드가 2배 많다 |
📖 기출 계산 — 코어 n₁ = 1.50, 클래드 n₂ = 1.48 인 광섬유의 개구수와 수광각은?
① NA = √(1.50² − 1.48²) = √(2.25 − 2.1904) = √0.0596 ≈ 0.244
② θa = sin⁻¹(0.244) ≈ 14.1°
③ 임계각 θc = sin⁻¹1.481.50 = sin⁻¹(0.9867) ≈ 80.6°
④ 비굴절률차 Δ = 1.50−1.481.50 ≈ 1.33 %
① NA = √(1.50² − 1.48²) = √(2.25 − 2.1904) = √0.0596 ≈ 0.244
② θa = sin⁻¹(0.244) ≈ 14.1°
③ 임계각 θc = sin⁻¹1.481.50 = sin⁻¹(0.9867) ≈ 80.6°
④ 비굴절률차 Δ = 1.50−1.481.50 ≈ 1.33 %
⚠ 자주 틀리는 것 — 개구수(NA)가 클수록 빛을 많이 모아 결합 효율은 좋아지지만,
들어오는 모드가 많아져 모드분산이 커지고 대역폭은 좁아진다. 무조건 좋은 것이 아니다.
🌀 광섬유 모드 — 단일모드 / 다중모드
| 구분 | 다중모드 계단형 MM-SI | 다중모드 언덕형 MM-GI | 단일모드 SM |
|---|---|---|---|
| 코어 지름 | 50 ~ 100 μm | 50 / 62.5 μm | 8 ~ 10 μm |
| 굴절률 분포 | 코어 안이 일정 | 중심이 높고 점진 감소 | 일정 (모드가 1개뿐) |
| 모드분산 | 가장 큼 | 개선됨 | 없음 |
| 대역폭 | 좁음 (~수십 MHz·km) | 중간 (~수백 MHz·km) | 매우 넓음 (수십 GHz·km) |
| 전송 거리 | 단거리 | 중거리 (LAN 구내) | 장거리 (중계·간선) |
| 광원 | LED | LED / LD | LD(레이저) |
| 접속 | 쉬움 | 쉬움 | 어려움 (정밀 정렬) |
| 가격 | 저렴 | 중간 | 비쌈 (섬유는 싸지만 장비가 비쌈) |
언덕형(GI)이 모드분산을 줄이는 원리 — 바깥쪽 경로는 길지만 굴절률이 낮아 빛이 더 빠르게 지나간다.
경로가 길어진 만큼 속도가 빨라져서 도착 시간이 서로 비슷해진다. 그래서 펄스 퍼짐이 줄어든다.
📖 기출 — "다중모드 광섬유에 대한 설명" → 코어가 굵고, 모드가 여러 개, 모드분산이 발생,
단거리·LAN용, LED 사용 가능. "장거리 대용량에 적합" 은 단일모드의 설명이다.
📉 광손실 — 고유 손실과 외부 손실
| 구분 | 종류 | 원인과 특징 |
|---|---|---|
| 고유(재료) 손실 |
흡수 손실 | 재료가 빛 에너지를 흡수. OH기(수분) 흡수 피크가 1.4 μm 부근, 자외·적외 고유 흡수, 금속 불순물 |
| 산란 손실 레일리 |
제조 시 굴절률의 미세한 불균일에 빛이 흩어짐. λ⁻⁴ 에 비례 → 장파장일수록 손실이 작다 기출 | |
| 구조 손실 | 불균일 · 마이크로벤딩 | 코어–클래드 경계의 요철, 제조 중 미세 굽힘 |
| 외부 요인 손실 |
접속 손실 | 축 어긋남(횡·축·각도), 단면 간격·오염, 코어 지름 불일치. 융착 0.05~0.1 dB, 커넥터 0.2~0.5 dB |
| 곡률(굽힘) 손실 | 허용 곡률 반경보다 심하게 구부리면 전반사 조건이 깨져 빛이 클래드로 빠져나감 | |
| 결합 손실 | 광원(LD/LED) → 광섬유 입사 시 NA·발광면적 불일치 |
🪟 파장별 손실 — 3개의 통신 창(Window)
| 창 | 파장 | 손실 | 특징 · 용도 |
|---|---|---|---|
| 1창 | 850 nm | ≈ 3 dB/km | 다중모드 · 단거리 LAN. 광원이 저렴 |
| 2창 | 1310 nm | ≈ 0.4 dB/km | 분산 최소(영분산) — 단일모드 표준 |
| 3창 | 1550 nm | ≈ 0.2 dB/km | 손실 최소 — 장거리·WDM·EDFA 증폭 대역 |
⚠ 최다 함정 — 1310 nm = 분산 최소, 1550 nm = 손실 최소. 둘을 바꿔 놓은 보기가 자주 나온다.
장거리 대용량에는 손실이 더 중요하므로 1550 nm 를 쓰고, 이때 커지는 분산은 분산보상광섬유(DCF) 로 잡는다.
🌊 분산(Dispersion) — 펄스가 퍼지는 현상
| 종류 | 원인 | 대책 |
|---|---|---|
| 모드 분산 | 모드마다 경로 길이가 달라 도착 시간이 다름 | 단일모드 사용 · GI형 사용 |
| 재료 분산 | 파장에 따라 굴절률(속도)이 다름 | 스펙트럼 폭이 좁은 LD 사용 |
| 도파로 분산 | 코어·클래드에 나뉘어 진행하는 비율이 파장마다 다름 | 구조 설계로 조정 |
| 편파모드 분산 PMD | 편광 축에 따른 속도 차 (초고속에서 문제) | PMD 보상 |
색분산 = 재료분산 + 도파로분산. 단일모드 광섬유에서는 모드분산이 없으므로 색분산이 대역폭을 결정한다.
분산이 커지면 펄스가 퍼져 겹치므로(ISI) 전송 속도 × 거리가 제한된다.
🔌 전송 매체 비교 — 광섬유 vs 동축 vs UTP
| 항목 | UTP | 동축 | 광섬유 |
|---|---|---|---|
| 전송 신호 | 전기 | 빛 | |
| 대역폭 | ~ 수백 MHz | ~ 수 GHz | 수 THz |
| 전송 거리 | 100 m | 수백 m ~ km | 수십 ~ 100 km |
| 전자기 간섭 | 취약 | 보통 | 영향 없음 |
| 누화 | 있음 | 적음 | 없음 |
| 보안 | 도청 가능 | 도청 곤란 | |
| 접속 | 쉬움 | 어려움(융착) | |
| 주 용도 | 구내 LAN | CATV · HFC 분배 | 간선 · 중계 · FTTH |
🔗 이어지는 단원
📝 시험 포인트
• n₁ > n₂ (코어 > 클래드) 여야 전반사 — 광섬유의 유일한 원리
• NA = √(n₁²−n₂²) = 집광 능력, 수광각 = sin⁻¹(NA)
• V < 2.405 → 단일모드, 모드 수 SI = V²2 · GI = V²4
• 단일모드 = 코어 8~10μm · 장거리 · LD / 다중모드 = 굵고 · 단거리 · 모드분산
• 레일리 산란은 λ⁻⁴ 비례 → 장파장이 유리
• 1310nm 분산 최소 / 1550nm 손실 최소(0.2dB/km) — 바꿔 쓰면 오답
• 단일모드에는 모드분산이 없고 색분산(재료+도파로) 이 대역폭을 결정
• n₁ > n₂ (코어 > 클래드) 여야 전반사 — 광섬유의 유일한 원리
• NA = √(n₁²−n₂²) = 집광 능력, 수광각 = sin⁻¹(NA)
• V < 2.405 → 단일모드, 모드 수 SI = V²2 · GI = V²4
• 단일모드 = 코어 8~10μm · 장거리 · LD / 다중모드 = 굵고 · 단거리 · 모드분산
• 레일리 산란은 λ⁻⁴ 비례 → 장파장이 유리
• 1310nm 분산 최소 / 1550nm 손실 최소(0.2dB/km) — 바꿔 쓰면 오답
• 단일모드에는 모드분산이 없고 색분산(재료+도파로) 이 대역폭을 결정