💡 광통신 이론 — 시스템 · 광원 · 수광 · 증폭 (1과목)
광섬유가 길이라면, 광통신 이론은 그 길 위를 달리는 차와 신호등이다.
전기를 빛으로 바꾸는 광원, 빛을 다시 전기로 되돌리는 수광소자, 중간에서 힘을 보태는 광증폭기 — 이 셋이 핵심이다.
🔗 광통신 시스템 구성
[전기신호]
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광 송신기 ── 구동회로 + 광원(LED / LD) ── 전기 → 빛 (E/O 변환)
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광섬유 전송로 ── 코어 안에서 전반사로 진행 · 손실과 분산 발생
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광 중계기 / 광증폭기(EDFA) ── 약해진 빛을 다시 키움
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광 수신기 ── 수광소자(PIN-PD / APD) + 증폭·판정 ── 빛 → 전기 (O/E 변환)
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[전기신호]
광통신의 기본 방식은 IM-DD(Intensity Modulation - Direct Detection) —
빛의 세기(강도)를 변화시켜 정보를 싣고, 수신에서는 그 세기를 그대로 검출한다.
전파처럼 주파수·위상을 쓰지 않는다는 점이 출제 포인트다.
💡 광원 — LED vs LD
| 항목 | LED (발광 다이오드) | LD (레이저 다이오드) |
|---|---|---|
| 발광 원리 | 자연 방출 (Spontaneous) | 유도 방출 (Stimulated) |
| 스펙트럼 폭 | 넓음 (수십 nm) | 매우 좁음 (수 nm 이하) |
| 출력 | 작음 | 큼 |
| 지향성 · 결합효율 | 퍼짐 → 결합 손실 큼 | 직진성 우수 → 결합 효율 높음 |
| 변조 속도 | 느림 (~수백 Mbps) | 빠름 (수 Gbps 이상) |
| 온도 특성 | 둔감 (안정적) | 민감 — 온도 제어 회로 필요 |
| 수명 · 가격 | 길고 저렴 | 짧고 비쌈 |
| 주 용도 | 다중모드 · 단거리 LAN | 단일모드 · 장거리 간선 |
⚠ 기출 포인트 — 스펙트럼 폭이 좁을수록 재료분산이 작다.
그래서 장거리에는 반드시 LD 를 쓴다. "LED가 장거리에 유리하다"는 보기는 오답이다.
📷 수광소자 — PIN-PD vs APD
| 항목 | PIN-PD | APD (애벌런치 PD) |
|---|---|---|
| 내부 증배 | 없음 (이득 1) | 있음 — 애벌런치 증배로 수십~수백 배 |
| 수신 감도 | 보통 | 높음 (약한 빛도 검출) |
| 동작 전압 | 낮음 (수 V) | 높음 (수십~수백 V) |
| 잡음 | 적음 | 증배 잡음 발생 |
| 온도 특성 | 안정 | 민감 — 이득이 온도에 따라 변함 |
| 용도 | 단거리 · 저비용 | 장거리 · 고감도 |
짝으로 외우기 — 단거리 = LED + PIN-PD, 장거리 = LD + APD.
둘 다 "장거리 쪽이 성능은 좋지만 비싸고 온도에 민감하다"는 같은 성격을 갖는다.
🎛️ 광 변조 방식
| 방식 | 원리 | 특징 |
|---|---|---|
| 직접 변조 Direct |
LD의 구동 전류를 직접 변조해 빛의 세기를 바꿈 | 구조 간단·저렴. 단, 처프(Chirp) 로 파장이 흔들려 분산이 커짐 → 저속·단거리 |
| 외부 변조 External |
LD는 일정하게 켜 두고, 바깥의 변조기(마흐젠더 등)로 빛을 차단·통과 | 처프가 적어 고속·장거리에 유리. 비쌈 |
🔊 광증폭기 · 중계
| 종류 | 내용 |
|---|---|
| EDFA 어븀 첨가 |
1550 nm 대역 전용. 빛을 전기로 바꾸지 않고 광 그대로 증폭(O/E/O 불필요) 여러 파장을 한꺼번에 증폭 → WDM의 필수 부품 기출 |
| 라만 증폭기 | 광섬유 자체의 유도 라만 산란을 이용. 넓은 대역, 분산형 증폭 |
| SOA | 반도체 광증폭기. 소형이지만 잡음이 큼 |
| 3R 재생 중계기 | Reshaping(파형 정형) · Retiming(타이밍 복원) · Regeneration(재생) — 전기로 바꿔 완전 복원 |
📖 광증폭기 vs 재생중계기 — 광증폭기는 세기만 키운다(잡음도 같이 커짐).
재생중계기는 전기로 바꿔 파형·타이밍까지 복원하지만 느리고 파장마다 장비가 필요하다.
WDM처럼 여러 파장을 한 섬유에 실을 때는 EDFA 가 압도적으로 유리하다.
🌈 광 다중화 — WDM 계열
| 방식 | 파장 간격 · 채널 | 용도 |
|---|---|---|
| WDM | 파장이 다른 빛을 한 섬유에 동시 전송 | FDM의 광 버전 |
| CWDM저밀도 | 간격 넓음(약 20 nm), 채널 수 적음 | 저가·단거리. 온도 제어 불필요 |
| DWDM고밀도 | 간격 좁음(0.8 nm 이하), 수십~수백 채널 | 장거리 대용량 간선. EDFA와 함께 사용 |
🧮 광 파워 예산 (Link Budget) — 계산 유형
송신 출력 − 총 손실 ≥ 수신 감도
단위는 dBm (0 dBm = 1 mW) · 손실은 dB 로 단순 덧셈
📖 예제 — 송신 출력 0 dBm, 수신 감도 −28 dBm, 광섬유 0.25 dB/km로 80 km,
융착 접속 8개(각 0.1 dB), 커넥터 2개(각 0.5 dB)일 때 여유(Margin)는?
① 허용 손실 = 0 − (−28) = 28 dB
② 총 손실 = (0.25 × 80) + (0.1 × 8) + (0.5 × 2) = 20 + 0.8 + 1 = 21.8 dB
③ 여유 = 28 − 21.8 = 6.2 dB → 링크 성립
① 허용 손실 = 0 − (−28) = 28 dB
② 총 손실 = (0.25 × 80) + (0.1 × 8) + (0.5 × 2) = 20 + 0.8 + 1 = 21.8 dB
③ 여유 = 28 − 21.8 = 6.2 dB → 링크 성립
📐 광 측정 장비
| 장비 | 측정 대상 |
|---|---|
| OTDR 광 시간영역 반사계 |
한쪽 끝에서 펄스를 쏘고 되돌아오는 후방 산란광을 분석 → 구간별 손실 · 접속점 위치 · 단선 지점을 거리와 함께 파악 기출 |
| 광 파워미터 | 수신단의 절대 광 출력[dBm] |
| 광원(LS) | 파워미터와 짝을 이뤄 구간 총 손실 측정 |
| 융착 접속기 | 광섬유를 아크 방전으로 녹여 접합. 접속 손실 0.05~0.1 dB |
🔗 이어지는 단원
📝 시험 포인트
• 광통신 기본 = IM-DD (강도 변조 · 직접 검파)
• LED = 자연방출·넓은 스펙트럼·단거리 / LD = 유도방출·좁은 스펙트럼·장거리
• PIN-PD = 증배 없음·저잡음 / APD = 애벌런치 증배·고감도·고전압
• 짝 — 단거리 LED+PIN / 장거리 LD+APD
• EDFA = 1550nm · 광 그대로 증폭 · WDM 필수
• 직접변조는 처프 발생 → 고속·장거리는 외부변조
• OTDR = 후방 산란광으로 손실·단선 위치 파악
• 파워 예산 — 송신 출력 − 총 손실 ≥ 수신 감도
• 광통신 기본 = IM-DD (강도 변조 · 직접 검파)
• LED = 자연방출·넓은 스펙트럼·단거리 / LD = 유도방출·좁은 스펙트럼·장거리
• PIN-PD = 증배 없음·저잡음 / APD = 애벌런치 증배·고감도·고전압
• 짝 — 단거리 LED+PIN / 장거리 LD+APD
• EDFA = 1550nm · 광 그대로 증폭 · WDM 필수
• 직접변조는 처프 발생 → 고속·장거리는 외부변조
• OTDR = 후방 산란광으로 손실·단선 위치 파악
• 파워 예산 — 송신 출력 − 총 손실 ≥ 수신 감도