광파이버 케이블 원리와 특징
광파이버 케이블을 통해 반도체 레이저로 만든 발광체로 통신하는 것을 광파이버 통신이라고 한다. 반도체 레이저로 만든 발광체는 전류가 흐르면 빛을 발하게 되는데 전화, 팩스 등 단말로부터 나온 전기신호는 이 발광체를 통해 흐르게 되며 전류의 강약과 빛의 강약이 거의 비례하기 때문에 빛의 강약으로 신호가 보내진다. 디지털 전송에는 빛을 보낼 때와 보내지 않을 때를 1과 0으로 표시하게 된다.
반면에 수신은 이의 역순이다. 빛을 받으면 빛의 강약에 비례하여 전류가 흐르게 되므로 광신호의 강약을 전기신호로 되돌린다. 케이블 속에 들어있는 중계기는 전송시 약해진 전기신호를 증폭하기 때문에 중계기 설치 간격은 구리선인 경우는 수 km였지만 광파이버는 80km 이상까지 연장할 수 있다. 중계 간격의 연장은 중계기수를 대폭 줄일 수 있어 건설과 보수에 드는 비용을 대폭 절감할 수 있다.
빛의 전송로인 유리 파이버에 전기 신호 대신에 빛의 점멸을 반복함으로써 정보가 보내진다. 그 구조는 중심에 직경 10~50um의 굴절률이 높은 코어(Core) 부분이 있고 그 주변을 굴절률이 낮은 클래드(Clad) 부분이 둘어싸여 있어 코어 속에 빛을 통과시키면 조금 삐뚤게 진행되어도 코어와 클래드의 경계면에 전반사시키므로 빛은 바깥으로 달아날 수 없게 되어 있다.
한편 광섬유 안에서 다수 모드의 광을 전파하는 것을 다중 모드(Multi Mode)라고 하고 1개의 모드를 전파하는 것을 단일 모드(Single Mode)라 부른다. 일반적으로 단일 모드 광섬유의 코어 직경은 다중 모드 광섬유 코어 직경보다 가늘다. 다중 모드 광섬유는 코어의 굴절률 분포에 따라 계단형 굴절률(Step Index)과 경사형 굴절률(Graded Index)로 분류되는데 코어의 굴절률이 클래드 굴절률보다 큰 것을 계단형 굴절형이라 하고 중심부로 감에 따라 점차로 굴절률이 커지도록 개발한 광파이버를 경사굴절형이라 한다. 경사굴절형 광파이버는 마치 볼록 렌즈를 많이 늘어 놓은 것과 같은 원리로 빛의 굴절을 이용하고 있다.
다시 말하면 계단굴절형은 빛의 전반사, 경사굴절형은 빛의 굴절이란 동작원리를 이용한 것이다. 성능적으로는 경사굴절형 쪽이 훨씬 우수하지만 계단굴절형에 비해 많이 생산할 수 없다. 이외에 단일 모드 파이버는 일반적으로 통신용으로 사용한다. 이것은 전반사나 굴절을 하지 않고 중심으로 통과하는 빛만 전달한다. 멀티모드 파이버는 코어에 들어간 빛이 전반사하면서 진행하는 경로가 하나뿐 아니라 다수의 경로가 존재한다.
광파이버는 매우 순도가 높은 유리 섬유로 광파이버에 빛을 통하게 하면 빛은 파이버 밖으로 나오지 못하고 파이버 속을 통과하는데 파이버가 구부러져도 그에 따라 빛은 진행한다. 이는 유리 섬유 속에서 빛의 전반사를 이용하는 것이다. 전반사란 굴절률이 큰 물질(유리)에서 굴절률이 작은 공기로 빛이 진행할 때 경계면에서 빛이 전부 반사되는 현상을 말한다.
또한 빛의 감쇄를 적게 하는 것은 유리 속의 불순물을 완전할 정도로 제거해 투명할수록 좋다. 광파이버에 사용하는 유리의 순도는 99.9999999% 이상으로 9가 9자리수까지 정제한 것이다. 이는 트랜지스터나 LSI 등에 사용되는 실리콘 단결정의 순도와 거의 같다.
이와 같은 광파이버의 전송 손실(빛의 감쇄량)은 1km당 0.2데시벨 이하로 구리선으로는 상상할 수도 없는 적은 수치이다.
광파이버 케이블의 특징은 다음과 같다.
- 구리선 케이블은 페어선으로 수 Mbps 정도, 동축은 수백 Mbps 정도가 실용상의 한도였으나 광파이버는 Gbps 이상 매우 폭넓은 주파수 대역 신호를 전송할 수 있다.
- 한 가닥의 광파이버는 보강피복을 합해도 직경은 0.4mm로서 동축 케이블의 약 30분의 1의 굵기에 불과하다.
- 광파이버는 빛의 감쇄량이 적어 장거리 전송시에도 중계기를 적게 설치해도 되는 장점이 있다.
- 공중에는 우뢰, 자동차 등과 공장으로부터 발생하는 잡음 등이 있는데 광파이버는 전기를 통하지 않기 때문에 잡음에 의한 방해를 받지 않는다.
- 광파이버 통신은 누화 현상이 낮아서 통화에 대한 보안성이 높다.