11. 광섬유케이블(Optical Fiber Cable)
가. 광섬유케이블의 구조와 도파 원리
광섬유는 석영 등을 소재로 유리섬유를 이용해 정보를 보내는 것으로서, 가볍고 내
구성이 강하다. 특히 빛을 이용해 정보를 보내기 때문에 전기적인 간섭을 받지 않을
뿐만 아니라, 넓은 대역폭을 갖고 전송속도가 매우 높으며 오류가 적다. 그러나 구부
리거나 분기 및 접속이 어렵다. 광섬유케이블은 전송매체 중에서 가장 우수하며, 보통
100MHz 이상의 대역폭을 갖는 네트워크나 LAN 간을 연결하는 경우와 전화 네트워
크 및 대도시 네트워크의 백본(backbone) 용으로 사용하고 있다.
광섬유를 이용한 광통신 기술은 빛을 이용하여 정보를 가능한 한 빨리 전달시켜 주
는 기술이다. 일반적으로 광통신 시스템은 송신측에서 발광소자인 반도체 레이저 다이
오드(LD : Laser Diode) 또는 발광 다이오드(LED : Light Emitting Diode)에 의해
전기신호를 광파로 만들고, 광신호로 변환된 것을 광섬유케이블에 의해 수신측으로 전
달하면, 수신측에서는 수광소자(광검출기)인 포토 다이오드(PD : Photo Diode) 또는
애벌란치 다이오드(APD : Avalanche Photo Diode)에 의해 광파를 원래의 전기신호
로 재생하여 송·수신측 간에 통신하는 방식이다.
여기서, 광섬유는 유리와 플라스틱으로 제작된 전송매체이며 광파를 전송 시킬 수
있다. 즉 광섬유는 빛이 통과하는 코어(core)와 코어보다 낮은 굴절계수를 갖는 물질 로서 코어를 감싸는 클래딩(cladding), 그리고 이들을 보호하기 위해 코팅된 피복층으
로 구성되는데, 특히 클래딩은 코어보다 굴절율이 낮고 빛이 모두 반사되도록 전반사
(total reflection)되는 경계면을 이루어 빛의 전파를 외부로부터 보호 및 격리해 준
다. 또한, 클래딩의 바깥을 둘러싸고 있는 코팅의 습기나 마모로부터 광섬유를 보호하
는 역할을 하는 동시에, 다른 인접 광섬유 간의 혼선을 막으며 광섬유의 취급을 손쉽
게 해준다. 코팅에는 유연하고 광전력 손실이 적은 재료를 사용한다. 특히 광섬유를
접속할 때에는 이러한 특성을 감안하여 빛이 전반사가 지속될 수 있도록 해야 한다.
[그림 1-26]은 광섬유케이블의 구조 및 접속방법에 대해 나타낸 것이다.
빛이 광섬유를 통과하여 나갈 때 클래딩은 거울과 같은 역할을 수행하여 빛을 반사
한다. 반사된 빛은 다시 코어 속을 통과하고 클래딩에서 반사하는 과정이 반복됨으로
써 전송되는 것이다. 이와 같이 서로 다른 두 매질 간의 경계면에서 일어나는 빛의 반
사 및 굴절현상을 이해하는 것이 중요하다. 즉, 광섬유를 축 방향으로 절단해 보면 굴
절률이 다른 두 종류의 석영 유리가 밀착되어 있다. 빛이 발광소자로부터 광섬유로 입
력될 때, 수광 최대각도 범위 이내로 입사하면 빛은 코어와 클래딩의 경계에서 전반사
되고, 코어 속에 갇혀서 양쪽의 경계에서 반사를 반복하면서 광섬유의 축 방향으로 나
아간다. 이러한 광섬유의 도파 원리는 스넬의 법칙(Snell’ s law)으로 정리된다.
나. 광섬유케이블의 종류
광섬유케이블의 종류는 단일모드(single mode)와 다중모드(multi mode)로 구분되
는데, 이는 코어의 지름이나 굴절률 차이를 적당히 선택하여 전송함으로써 빛의 모드
수가 달라지는 것이다. 즉, 코어 안에 빛의 전파 모드가 여러 개이면
다중모드 광섬유, 기본 모드 빛만 하나 통과시키면 단일모드 광섬유라고 하며, 다중모드 광섬유는 굴절률 분포에 따라서 계단 모양으로 변화하는 계단형(SI : Step Index)
과 주기적으로 완만하게 변화하는 언덕형(GI : Graded Index)으로 다시 분류된다. 여
기서 단일모드는 광대역(10GHz)으로서 전송 대역 면에서 가장 유리하나, 코어 직경이
작아 광의 입사나 광섬유 상호간 접속이 어려운 점이 있다.
그리고, 단일모드와 다중모드 광섬유의 특징을 비교하면 <표 1-8>과 같다. 단일모
드는 전송 특성이 우수하여 고속으로 장거리 전송에 사용되고, 다중모드는 단일모드
보다 전송 특성이 열악하며 저속의 단거리 전송에 사용된다.
<단일모드와 다중모드 광섬유의 특성 비교>
| 단 일 모 드 | 다 중 모 드 |
| 장거리 전송에 적합 | 단거리 전송에 적합 |
| 고속전송용 | 저속전송용 |
| 가격이 저가 | 가격이 고가 |
| 코어의 지름이 작음(LD를 광원으로 사용) | 코어의 지름이 큼(LED를 광원으로 사용) |
| 광섬유의 접속이 곤란 | 광섬유의 접속이 용이 |
| 빛의 산란이 적음 | 빛의 산란이 심함 |
다. 광섬유케이블의 특성
길이가 긴 광섬유를 따라 도파된 광펄스는 모양이 달라지고 펄스의 폭도 커지게 되
어서 이웃하는 펄스와 서로 겹침으로써 광섬유의 전송용량을 제한하게 된다. 이러한
전송신호의 변형을 일으키는 광섬유의 분산(dispersion) 특성은 광섬유의 가장 중요
한 특성 중에 하나이다. 분산에는 모드 간 분산(modal dispersion)과 모드 내 분산
(intramodal dispersion)으로 대별된다.
모드 간 분산은 모드 사이의 도파 거리 차이로 인해 광섬유를 통과한 광펄스는 각각
의 모드 성분의 도착시간이 다르게 되어 발생하는 분산이다. 모드 내 분산은 반도체
레이저나 발광다이오드 등의 광원에서 나오는 빛이 유한한 파장폭(서로 다른 파장 성
분)을 가지고 있기 때문에 생기는 분산이다. 모드내 분산은 하나의 모드에 대해서 파
장에 의한 분산을 나타내므로 색분산(chromatic dispersion)이라고도 하며, 재료 분
산과 도파로 분산의 합으로 나타낼 수 있다. 단일모드 광섬유는 모드 내 분산만 있으
며, 다중모드 광섬유는 이들 두개의 분산이 모두 존재한다. 그러나 모드 내 분산은 모
드 간 분산에 비해 훨씬 적으므로 다중모드에서는 모드 간 분산이 그리고 단일모드에
서는 모드 내 분산이 중심이 된다.
또한, 광섬유의 손실특성에 따라 중계기 간의 거리와 광송수신기의 종류가 결정된
다. 손실이 야기되는 원인으로는 광섬유의 흡수, 산란 및 복사와 불완전한 접속을 들
수 있으며, 이들에 의해 흡수 손실, 산란 손실, 접속 손실 및 결합 손실 등이 발생된다.
여기서 흡수 손실은 자외선 흡수와 적외선 흡수 등 재료의 고유 요인에 의해 주로 발
생되며, 산란 손실은 재료의 고유 요인으로 발생되는 Rayleigh 산란, Raman 산란,
Brillouin 산란 등이 있고, 또한 경계면의 불균일, 직경의 불균일, 기포, 이물질, 결정,
굴절율 분포의 불균일, 미소 구부림 등 외부적인 요인에 의한 발생된다. 이밖에 결합
에 의한 손실로는 결합 손실과 접속 손실이 있는데, 결합 손실은 굴절률의 불균일과
접속면의 불균일 등에 의해 발생된다.
이와 같은 특성을 갖는 광섬유케이블에 부호화된 광신호를 내부 반사에 의해 전송
하므로 전송 손실이 극히 낮고, 높은 주파수를 캐리어로 사용하므로 수십 Km에 걸쳐
Gbps급의 전송이 가능하며, 또한 비전도체이므로 습기의 영향이 거의 없고, 전자파나
무선 전파의 유도 장애를 받지 않아서 기존의 전력선과 같이 설치할 수도 있다. 이밖
에 광섬유케이블은 잡음과 누화에 강하고 감쇠가 적어 낮은 전송 오류율로 장거리의
고품질 전송이 가능하며, 가볍고 내구성이 강하고 동선 매체와는 달리 따서(tapping)
쓸 수 없으므로 보안성이 우수하고, 케이블의 크기가 상대적으로 작고 가볍고 긴 수명
을 가진다. 그러나 급격하게 구부리면 부러지며, 분기나 접속이 어려우므로 설치 시 고도의 기술이 필요하다. 현재, 광섬유케이블은 컴퓨터 통신망이나 장거리 통신망 등
고속 광대역 통신망에 폭 넓게 사용되고 있다.
유선 전송매체로서 꼬임 쌍선, 동축케이블 및 광섬유케이블의 전송 특성을 상호 비교하면 <표 1-9>와 같다.
유선 전송매체의 종류별 특성 비교
| 구분 | 꼬임쌍선 | 동축 케이블 | 광섬유 케이블 |
| 데이터 전송률 |
•UTP : 1~100Mbps •STP : 1~150Mbps |
•1Mbps~1Gbps | •10Mbps~10Gbps |
| 대역폭 | •UTP : 20~100㎒ •STP : 20~300㎒ |
•400㎒ | •3.3㎓ |
| 중계기 설치간격 |
•2~10㎞ | •1~10㎞ | •10~100㎞ |
| 주요 특징 |
•저렴하고 설치가 용이 •감쇠가 크고 간섭에 약함 •고속전송에 부적합 |
•꼬임쌍선보다 큰 대역폭, 높은 전송속도 지원 •UTP보다 고가 •광섬유 케이블보다 감쇠가 큼 •외부간섭과 도청에 민감 |
•외부간섭과 도청에 강함 •높은 대역폭과 고속전송 가능 •감쇠가 낮음 •접속이 어렵고 설치비가 고가 |
| 주요 용도 |
•구내전화회선, LAN | •고속 LAN, CATV망 | •초고속 LAN, 백본망 |
