광섬유의 분산 특성을 알아보기

광섬유의 분산 특성

광섬유의 한쪽에서 광펄스를 입사 시켰을 때 반대쪽 단면에서 출사되는 광은 입사한 광펄스와 동일한 광펄스가 출력되어야 하지만, 일반적으로 입사한 광펄스의 시간 폭 보다 넓어져 출력됩니다. 이는 광펄스가 광섬유를 전송되는 과정에서 입사된 광펄스의 시간적인 퍼짐이 발생하기 때문입니다. 이와 같이 파형이 시간적으로 벌어지는 현상을 분산이라고 합니다. 따라서 일련의 신호로서 도파되는 광 펄스들은 장거리를 지나면 각각의 펄스는 변형되고 폭이 증대되어 그들과 이웃하고 있는 광펄스들과 서로 겹쳐지게 됩니다. 이런 현상은 광펄스가 퍼지면 신호간 구별이 어렵기 때문에 수신기에서 검출된 신호의 에러를 증가시킴으로써 전송 손실을 증가시키고 정보전송 용량을 제한하며, 전송대역 폭 제한요인이 됩니다. 따라서 분산특성은 손실과 더불어 광섬유 도파로의 정보 전송용량을 제한하게 됨으로써 광전송에 많은 영향을 미치게 됩니다. 분산은 발생 요인별로 모드분산, 재료분산, 구조분산의 세 가지로 구분됩니다. 이때 분산의 크기는 모드분산, 재료분산, 구조분산의 순으로 나타났습니다. 단일모드 광섬유의 경우에는 다중모드 광섬유와는 달리 전파하는 모드가 하나뿐이므로 모드분산은 존재하지 않습니다. 따라서 모드분산은 주로 다중모드 광섬유에서 문제가 됩니다. 모드분산은 다중모드형 광섬유에서 각 모드들의 전파경로가 달라져 출력단에서 도달 시간이 다르기 때문에 발생하며 파형이 벌어지는 현상입니다. 광섬유의 입력단에 빛을 입사시키면 그 에너지는 전파할 수 있는 모드에 동시에 나뉘어 각각의 전파모드는 축 방향에서 본 경우 다른 전파속도로 진행합니다. 다중모드 광섬유는 여러 개의 전송모드가 존재하며, 이들의 전송속도는 서로 다르기 때문에 광펄스 파형이 넓어지는 현상으로 이를 모드분산이라고 합니다. 그러나 단일모드 광섬유는 하나의 모드만이 존재하도록 설계된 것으로 모드 분산이 존재하지 않아 전송대역이 매우 넓어 초광대역 전송이 가능하지 만 다중모드 계단형 광섬유에서 3가지 모드가 전파 가능하다고 하면 전반사하는 횟수가 많은 고차모드일수록 출력단에 도달할 때까지의 전파거리가 길어지고 그 만큼 시간도 많이 걸립니다. 그 결과 입사할 때에는 시간 폭이 짧은 펄스라고 할지라도 모드별 도달 시간의 차이로 인해 출사단 측에서는 시간적으로 퍼지는 현상인 모드분산이 발생하게 됩니다. 이와 같은 모드분산은 다중모드광섬유에서 각 모드의 전파 경로가 달라 출사단에서 도달시간이 다르기 때문에 발생하며 고주파 성분의 감쇠를 일으키고 또한 손실요인으로 크게 작용을 하기 때문에 모드 분산의 영향은 특히 다중모드 계단형 광섬유에 많은 영향을 미쳐 전송대역폭을 제한하게 됩니다. 이처럼 모드분산 고주파 성분의 감쇠를 일으키고 또한 손실 요인으로 크게 작용을 하기 때문에 다중모드 언덕형 광섬유는 코어의 굴절률 분포를 연구하여 모드 분산을 작게 하고 있는데, 복수의 모드가 존재하는 한 모드 분산은 항상 이루어집니다. 따라서 모드 분산을 줄이기 위해서는 각 전파모드의 도달시간차를 줄여야 하므로 코어 내의 굴절률 분포를 중심축방향으로는 크게 하고 경계면에 이를수록 점차적으로 적게 하여 굴절률이 큰 부분은 빛의 속도가 늦어지고 굴절률이 적은 부분은 속도가 빨라 지게 함으로써 모드 분산의 영향을 최소화하는 언덕형 광섬유를 사용하면 효율 좋은 광을 전송할수 있습니다. 광섬유에서는 모드간 분산이 없으므로 전송속도를 높일 수 있습니다. 그러나 전송속도를 높이게 되면 이번에는 색분산이 발생하여 전송속도를 제한하게되는 요인이 됩니다. 색분산이란 사용하는 광원의 파장이 일정한 스펙트럼 폭을 가지고 있기 때문에 발생합니다. 다중모드에서는 색분산이 발생하기는 하나 모드분산에 비해 매우 적기 때문에 의미가 없습니다. 색분산은 재료분산과 도파로 분산으로 구분됩니다. 광섬유의 재료인 유리의 굴절률이 전파하는 빛의 파장에 의해서 변화함으로써 일어 파형이 넓어지는 현상으로 광섬유의 재료인 유리의 굴절률은 전파하는 빛의 파장에 따라서 다른 값을 갖습니다. 이것은 여러 파장의 광을 포함하고 있는 태양광이 프리즘에 의해 7가지 색깔로 나타나는 것과 같습니다. 이와 같은 원인으로 파형이 퍼져 버린 현상 이 발생하는데 이를 재료분산이라 합니다. 재료분산은 광원에서 방출하는 빛이 단일 파장이 아니고 일정 파장폭의 스펙트럼을 가지고 있기 때문에 발생하는데 광통신에 사용되는 광원인 레이저에서 방출되는 빛은 거의 단일 파장이나 완전하게 단일 파장이 될 수 없고, 어떤 파장 폭을 갖는 파장 특성을 갖고 있습니다. 따라서 빛의 속도는 굴절률에 반비례하므로 파장에 따라 전파속도가 달라지는데, 이로 인해 도착 시간차가 발생하여 파형이 벌어지는 현상이 발생합니다. 즉, 굴절률이 n인 물질을 전송중인 광의 속도 Vn은, 진공 중의 광의 속도를 c라하면, Vn= c/n으로 표시됩니다. 그러므로, 굴절률 n이 파장에 따라 다른 경우 어떤 파장 폭의 광펄스가 입사하면 광의 전파속도가 파장에 의해 다르므로, 도달시간에 차가 생기고 파형이 벌어지게 됩니다. 이처럼 재료 분산은 광도파를 구성하는 재료의 굴절률이 파장에 대하여 비선형적으로 변화하는 것으로 광원의 스펙트럼이 퍼질 경우 재료 분산으로 인하여 펄스폭이 넓어지는 분산으로 볼 수 있습니다. 광섬유의 전송대역은 재료분산에 의하여 결정됩니다. 재료분산은 파장에 따라 전파속도가 달라지므로 전반경로의 길이에 차가 생기는 것에 기인하는 현상으로 실제로 광섬유에 전송시켰을 때의 전송대역은 발광소자의 스펙트럼 폭에도 의존합니다. 광섬유의 재료분산은 1,310mm대에서 0이 되도록 설계되었는데, 1,550mm 대에서는 17~20ps/km nm라는 커다란 값을 지니게 됩니다. 재료분산만을 줄이기 위한 대책은 없습니다. 유일한 대책은 광원으로 단일파장을 사용하는 것이나 단일파장을 만드는 것은 현실적으로 거의 불가능합니다. 광섬유를 통해 전송되는 전파모드의 속도는 광섬유의 코어경과 비굴절률 등의 구조, 광의 파장 등에 영향을 받으므로 파장에 일정한 폭이 있으며 출사광이 시간축상으로 퍼지는 현상입니다. 광섬유와 같이 코어와 클래드의 굴절률 차가 적은 경우, 경계면에서 전 반사 현상은 광의 일부가 클래드 부분으로 누설되는 것처럼 일어났습니다. 더구나 누설되는 광의 양은 광의 파장에 따라 다르므로 결과적으로 광의 전파 길이가 파장에 따라 다르 게 됩니다. 따라서, 어떤 파장 폭을 갖는 광펄스를 입사시키면 전파 경로의 길이 차이로 도달 시간차가 발생하며 펄스폭이 넓어집니다. 이와 같이 펄스파형이 시간적으로 퍼지는 현상을 구조분산이라고 합니다. 재료분산과 구조분산을 색분산이라고도 하고 다중모드와 단일모드에 영향이 있으나 다중모드에서는 모드분산에 비하여 아주 적은 값이므로 무시를 할 수 있습니다. 그러나 모드분산이 없는 단일모드에서는 중요한 변수로서 작용하게 됩니다. 이러한 구조분산은 굴절률 분포와 깊은 관계가 있으며, 굴절률 분포를 다양하게 하여 이 구조분산을 바꿈으로서 여러 가지 분산특성을 갖는 광섬유를 만들 수 있습니다. 이 구조 분산은 파장이 긴 광일수록 누설의 비율은 커지고, 전파경로의 길이는 길어집니다.