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광섬유 통신

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목차

1. 개요

광섬유 통신은 빛을 이용하여 정보를 전송하는 기술로, 기존의 구리선이나 전파를 이용한 통신 방식에 비해 도청이 어렵고, 전자기 유도 잡음의 영향을 받지 않으며, 고속 장거리 전송이 가능하다는 특징을 가진다. 1970년대에 개발되어 통신 산업에 혁명을 일으켰으며, 1880년대 포토폰 개발을 시작으로 1970년대에 상용화되었다. 광섬유 통신 시스템은 광 송신기, 광섬유 케이블, 광 증폭기, 광 수신기로 구성되며, 파장 분할 다중화(WDM) 기술을 통해 전송 용량을 획기적으로 증가시켰다. 광섬유는 통신, 의료, 국방 등 다양한 분야에서 활용되며, 특히 장거리, 고대역폭 통신에서 구리선보다 유리하다. 광섬유는 전기 전송에 비해 손실이 적고, 높은 데이터 전송 용량을 가지며, 전자기 간섭에 강하다는 장점이 있지만, 접합이 어렵고 비용이 비싸다는 단점도 있다.

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광섬유 통신
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광섬유 케이블
광섬유 케이블
유형광섬유 통신
사용 분야통신
네트워킹
감지
조명
기본 요소
광섬유광파의 전송을 위한 매체
광 송신기광파를 생성하는 데 사용
전기 신호를 광 신호로 변환
광 수신기광 신호를 전기 신호로 변환
전송된 정보를 복구
기술적 세부 사항
파장가시광선 및 적외선 스펙트럼을 사용
일반적인 파장: 850 nm, 1310 nm, 1550 nm
데이터 전송 속도초당 페타비트(Petabit) 단위 가능
100 페타비트/초 × km 장벽 돌파
역사
개발1966년, 찰스 가오와 조지 호컴이 광섬유 통신의 가능성을 처음 제안
초기 사용1970년대 후반, 전화 통신에 처음 사용
현재인터넷, 케이블 TV, 데이터 전송 등 광범위하게 사용
장점
대역폭높은 대역폭 제공
거리장거리 전송에 유리
신뢰성전자기 간섭에 강함
보안도청이 어려움
크기가볍고 유연한 케이블
단점
설치 비용초기 설치 비용이 높음
연결섬유 연결 및 유지 관리가 복잡함
응용
인터넷광대역 인터넷 서비스의 주요 구성 요소
통신장거리 통신 및 데이터 전송
의료내시경 및 기타 의료 영상 장비
산업센서 및 제어 시스템
군사통신 및 감시 시스템
기타건물 내 통신
광섬유 조명
특수 분야의 센서
기타
광섬유 케이블의 종류단일 모드 섬유
다중 모드 섬유
파장 분할 다중화여러 파장의 빛을 사용하여 데이터 전송 용량 증가

2. 특징

기존의 전선(구리선)이나 전파를 이용한 통신 방식과 비교하여 다음과 같은 특징을 가진다.


  • 보안성: 감청이 어려워 통신의 비밀 유지가 용이하다.[48]
  • 안정성: 전자기 간섭(EMI)의 영향을 받지 않아 안정적인 통신이 가능하다. 전력선 및 철도 선로와 같이 EMI가 높은 지역에도 설치할 수 있으며, 비금속성 전유전체 케이블은 낙뢰 발생률이 높은 지역에도 적합하다.[48] 핵 전자기 펄스에도 내성이 있다.
  • 고속, 장거리 전송: 레이저 광을 사용하는 경우, 고속이며 장거리 전송이 가능하다. 손실이 매우 낮아 중계기 사이의 거리를 길게 할 수 있다. 광학 시스템은 100km를 넘어도 활성 또는 수동 처리 없이 작동하는 것이 드물지 않다. 단일 고대역폭 광섬유 케이블로 수천 개의 전기 링크를 대체할 수 있다.
  • 크로스토크(혼선) 없음: 광섬유 케이블은 아무리 긴 거리에 걸쳐 나란히 설치되더라도 효과적으로 크로스토크가 발생하지 않는다.
  • 높은 전기 저항: 높은 전기 저항으로 고전압 장비 근처 또는 지구 전위가 다른 영역 사이에서 안전하게 사용할 수 있다.
  • 경량: 가벼운 무게는 항공기 등에서 특히 중요하다.
  • 아크 발생 없음: 아크 가능성이 없어 인화성 또는 폭발성 가스 환경에서 중요하다.[48]
  • 작은 케이블 크기: 케이블 크기가 훨씬 작아 경로가 제한된 곳에서 유용하다.


광섬유는 구리선보다 접합하기 어렵고 비용이 더 많이 들 수 있다. 또한 높은 출력에서는 광섬유 퓨즈에 취약하여 광섬유 코어의 파괴와 전송 구성 요소의 손상을 초래할 수 있다.[47]

3. 역사

19세기 말, 알렉산더 그레이엄 벨과 찰스 서머 틴터는 빛을 이용하여 소리를 전달하는 장치인 포토폰을 발명했다. 이는 광섬유 통신의 초기 형태로 여겨진다.[13][14] 그러나 포토폰은 대기를 통해 빛을 전송했기 때문에 실용화에는 어려움이 있었다.[15]

20세기 중반, 나린더 싱 카파니 등은 유리 섬유를 통해 빛을 전송할 수 있음을 실험적으로 증명했다.[16] 1963년에는 일본의 니시자와 준이치가 통신을 위한 광섬유 사용을 제안하기도 했다.[17]

1966년, 찰스 K. 카오와 조지 호크햄은 유리 자체의 손실보다는 불순물이 광섬유 통신의 주요 문제임을 밝혀냈다. 1970년 코닝 글래스 웍스는 불순물을 줄여 통신에 적합한 수준으로 손실을 낮춘 광섬유를 개발하는 데 성공했다.

광섬유의 상용화는 1970년대 후반부터 본격적으로 시작되었다. 1977년에는 미국 캘리포니아 롱비치에서 최초로 광섬유를 통한 실시간 전화 통신이 이루어졌다.

3. 1. 배경

1970년대에 처음 개발된 광섬유는 통신 산업에 혁명을 일으켰으며 정보화 시대의 도래에 중요한 역할을 했다.[7] 전기 전송에 비해 우수한 장점 때문에 광섬유는 선진국의 백본 네트워크에서 구리선 통신을 대체했다.[8]

1880년 알렉산더 그레이엄 벨과 그의 조수 찰스 서머 틴터는 워싱턴 D.C.에 새로 설립한 볼타 연구소에서 광섬유 통신의 초기 전구체인 포토폰을 개발했다. 벨은 이것을 자신의 가장 중요한 발명품으로 여겼다. 이 장치는 빛의 빔을 이용하여 소리를 전송할 수 있었다. 1880년 6월 3일, 벨은 약 213m 떨어진 두 건물 사이에서 세계 최초의 무선 전화 전송을 실시했다.[13][14] 대기 전송 매체를 사용했기 때문에, 포토폰은 레이저와 광섬유 기술의 발전으로 빛의 안전한 전송이 가능해질 때까지 실용적이지 않았다. 포토폰의 첫 번째 실용적인 사용은 수십 년 후 군사 통신 시스템에서 이루어졌다.[15]

1954년 해롤드 호프킨스와 나린더 싱 카파니는 압연된 유리 섬유가 빛을 전송할 수 있음을 보여주었다.[16] 1963년 도호쿠 대학교의 일본 과학자 니시자와 준이치는 통신을 위한 광섬유의 사용을 제안했다.[17] 니시자와는 광섬유 통신 개발에 기여한 PIN 다이오드와 정적 유도 트랜지스터를 발명했다.[18][19]

1966년 스탠다드 텔레커뮤니케이션 랩의 찰스 K. 카오와 조지 호크햄은 기존 유리의 손실이 1,000 dB/km(동축 케이블의 5~10 dB/km와 비교)인 것은 제거할 수 있는 오염 물질 때문이라는 것을 보여주었다.

통신 목적으로 충분히 낮은 감쇠(약 20 dB/km)를 가진 광섬유는 1970년 코닝 글래스 웍스에 의해 개발되었다. 동시에 소형이기 때문에 장거리 광섬유 케이블을 통해 빛을 전송하는 데 적합한 GaAs 반도체 레이저가 개발되었다.

1973년, 레이저 발명가 고든 고울드가 공동 설립한 Optelecom사는 ARPA로부터 최초의 광통신 시스템 중 하나에 대한 계약을 수주했다. 앨라배마주 헌츠빌에 있는 육군 미사일 사령부를 위해 개발된 이 시스템은 비디오 처리 기능을 갖춘 단거리 미사일이 비행 중 미사일에서 풀리는 5km 길이의 광섬유를 통해 레이저로 지상과 통신할 수 있도록 설계되었다.[20] Optelecom은 그 후 셰브론에 최초의 상용 광통신 시스템을 제공했다.[21]

1975년부터 시작된 연구 기간 이후, 약 0.8 μm의 파장에서 작동하고 GaAs 반도체 레이저를 사용하는 최초의 상용 광섬유 통신 시스템이 개발되었다. 이 1세대 시스템은 최대 10km의 중계기 간격으로 45 Mbit/s의 비트율로 작동했다. 곧 1977년 4월 22일, 제너럴 텔레폰 앤드 일렉트로닉스는 캘리포니아주 롱비치에서 6 Mbit/s 처리량으로 최초로 실시간 전화 통신을 광섬유를 통해 전송했다.

1973년 10월, 코닝 글래스는 도시 환경에서 광섬유를 테스트하기 위해 CSELT와 피렐리와 개발 계약을 체결했다. 1977년 9월, COS-2라는 이름의 이 테스트 시리즈의 두 번째 케이블이 최초로 대도시인 토리노에서 140 Mbit/s의 속도로 두 라인(9km)에 실험적으로 배치되었다.[22]

2세대 광섬유 통신은 1980년대 초 상용화를 위해 개발되었으며, 1.3 μm에서 작동하고 InGaAsP 반도체 레이저를 사용했다. 이러한 초기 시스템은 처음에는 다중 모드 광섬유 분산에 의해 제한되었고, 1981년 단일 모드 광섬유가 시스템 성능을 크게 향상시키는 것으로 나타났지만, 단일 모드 광섬유와 함께 작동할 수 있는 실용적인 커넥터를 개발하는 데 어려움이 있었다. 캐나다 통신 사업자인 SaskTel은 당시 세계에서 가장 긴 상용 광섬유 네트워크 건설을 완료했으며, 이 네트워크는 3268km를 커버하고 52개의 지역 사회를 연결했다.[23] 1987년까지 이러한 시스템은 최대 1.7 Gbit/s의 비트율로 최대 50km의 중계기 간격으로 작동했다.

광섬유를 사용한 최초의 대서양 횡단 전화 케이블은 에마뉘엘 데수르비르가 최적화한 레이저 증폭 기술을 기반으로 한 TAT-8이었으며, 1988년에 가동되었다.

3세대 광섬유 시스템은 1.55 μm에서 작동했으며 약 0.2 dB/km의 손실을 가졌다. 이러한 발전은 인듐 갈륨 비소의 발견과 Pearsall에 의한 인듐 갈륨 비소 포토다이오드의 개발에 힘입은 것이다. 엔지니어들은 1.55 μm에서 최소 분산을 갖도록 설계된 분산 이동 광섬유를 사용하거나 레이저 스펙트럼을 단일 종모드로 제한하여 해당 파장에서 기존 InGaAsP 반도체 레이저를 사용하여 이전의 펄스 확산 문제를 해결했다. 이러한 발전은 결국 3세대 시스템이 2.5 Gbit/s로 최대 100km 이상의 중계기 간격으로 상업적으로 작동할 수 있도록 했다.

4세대 광섬유 통신 시스템은 광 증폭을 사용하여 중계기의 필요성을 줄이고 파장 분할 다중화(WDM)를 사용하여 데이터 용량을 증가시켰다. WDM의 도입은 광 네트워킹의 시작이었으며, WDM은 광섬유 대역폭 확장을 위한 최고의 기술이 되었다.[24] 1996년 6월 Ciena Corp.이 고밀도 WDM 시스템으로 시장에 처음 진출했다.[25] 광 증폭기와 WDM의 도입으로 1992년부터 2001년에 10 Tb/s의 비트율에 도달할 때까지 시스템 용량이 6개월마다 두 배로 증가했다. 2006년에는 광 증폭기를 사용하여 단일 160km 라인에서 14 Tb/s의 비트율에 도달했다.[26] 2021년 현재 일본 과학자들은 표준 케이블 직경의 4코어 광섬유 케이블을 사용하여 3000km 이상에서 초당 319테라비트를 전송했다.[27]

5세대 광섬유 통신 개발의 초점은 WDM 시스템이 작동할 수 있는 파장 범위를 확장하는 것이다.

1990년대 후반부터 2000년까지 업계 홍보업체와 연구 회사는 인터넷의 사용 증가 및 비디오 주문형과 같은 다양한 대역폭 집약적 소비자 서비스의 상용화로 인해 통신 대역폭에 대한 수요가 급증할 것이라고 예측했다. 그러나 닷컴 버블 붕괴부터 2006년까지 업계의 주요 추세는 비용 절감을 위해 기업의 통합과 제조의 해외 이전이었다. 버라이즌과 AT&T와 같은 회사는 광섬유 통신을 활용하여 소비자 가정에 다양한 고처리량 데이터 및 광대역 서비스를 제공했다.

1980년대 초부터 광섬유 통신 기술이 사용되기 시작했으며, 초기에는 LAN 등의 컴퓨터 상호 간 통신에 한정되었다. 1980년대 중반이 되면서 일본전신전화공사(현재의 NTT 그룹)에서 광전용선·ISDN1500이 일반 기업을 대상으로 시작되었고, 광모뎀이 아날로그 회선용 모뎀을 대체하는 경우가 많아졌다. 얼마 후 한 개의 광섬유로 여러 통신을 수행하는 다중화 장치가 도입되면서 기업의 멀티미디어화가 진전되었다. 1988년 서울 올림픽 직전에 모든 도도부현의 현청 소재지에 광케이블 설치가 완료되어 통신사들이 이를 이용하게 되었다. 2000년대에 들어 광파장 다중 통신에 의한 간선 부분의 고속화가 이루어지면서 기업용 회선의 고속화도 진전되었다.

3. 2. 발전 과정

1880년 알렉산더 그레이엄 벨과 그의 조수 찰스 서머 틴터는 빛의 빔을 이용하여 소리를 전송할 수 있는 포토폰을 개발했다. 이는 광섬유 통신의 초기 전구체로 간주된다.[13][14] 1880년 6월 3일, 벨은 약 213미터 떨어진 두 건물 사이에서 세계 최초의 무선 전화 전송을 실시했다.[15]

1954년 해롤드 호프킨스와 나린더 싱 카파니는 압연된 유리 섬유가 빛을 전송할 수 있음을 보여주었다.[16] 1963년 일본 과학자 니시자와 준이치는 통신을 위한 광섬유의 사용을 제안했다.[17]

1966년 찰스 K. 카오와 조지 호크햄은 기존 유리의 손실이 큰 것은 오염 물질 때문이며, 이를 제거하면 광섬유 통신이 가능함을 제시했다.

1970년 코닝 글래스 웍스는 통신에 적합한 낮은 감쇠를 가진 광섬유 개발에 성공했다.

1970년대 후반, 최초의 상용 광섬유 통신 시스템이 개발되었다. 1977년 4월 22일, 제너럴 텔레폰 앤드 일렉트로닉스는 캘리포니아주 롱비치에서 처리량으로 최초로 실시간 전화 통신을 광섬유를 통해 전송했다. 1973년 10월, 코닝 글래스는 도시 환경에서 광섬유를 테스트하기 위해 CSELT와 피렐리와 개발 계약을 체결, 1977년 9월, COS-2라는 이름으로 토리노에서 의 속도로 실험적으로 배치되었다.[22]

1980년대에는 2세대 광섬유 통신이 상용화되었고, 단일 모드 광섬유가 개발되어 시스템 성능이 크게 향상되었다. 1987년까지 시스템은 최대 1.7G의 비트율로 작동했다.

1988년, 최초의 대서양 횡단 광섬유 케이블인 TAT-8이 가동되었다.

1990년대 이후, 광 증폭 및 파장 분할 다중화(WDM) 기술이 발전하면서 광통신 시스템의 용량이 급격히 증가했다. 1996년 Ciena Corp.이 고밀도 WDM 시스템으로 시장에 처음 진출했다.[25] 1992년부터 2001년에 의 비트율에 도달할 때까지 시스템 용량이 6개월마다 두 배로 증가했다.

2000년대에는 닷컴 버블 붕괴에도 불구하고, 광섬유 통신 기술은 지속적으로 발전하여 가정에까지 FTTH가 보급되기 시작했다.

2020년대 현재, 전 세계적으로 50억 킬로미터가 넘는 광섬유 케이블이 배치되어 있다.

3. 3. 한국에서의 역사


  • 1980년대 초부터 광섬유 통신 기술이 사용되기 시작했다. 초기에는 LAN 등 컴퓨터 상호 간 통신에 한정되었다.
  • 1980년대 중반, 한국전기통신공사(현 KT)에서 광 전용회선 및 ISDN1500 서비스를 시작하면서 기업을 중심으로 광통신이 확산되었다.
  • 1988년 서울 올림픽 직전에 모든 도도부현의 현청 소재지에 광케이블 설치가 완료되었다.
  • 2000년대에 들어 광파장 다중 통신(WDM) 기술이 발전하면서 기업용 회선의 고속화가 이루어졌고, 케이블 텔레비전의 간선 부분에도 광섬유가 사용되기 시작했다.
  • 2000년대 후반부터 FTTH 등 가정에서의 광통신 보급이 확대되었다.

4. 기술

1970년대에 처음 개발된 광섬유는 통신 산업에 혁명을 일으켰으며 정보화 시대의 도래에 중요한 역할을 했다.[7] 광섬유는 선진국의 백본 네트워크에서 구리선 통신을 대체했다.[8]

광섬유를 이용한 통신 과정은 다음과 같은 기본 단계를 포함한다.

# 송신기를 사용하여 광 신호를 생성한다.[9]

# 광섬유를 통해 신호를 전달한다.

# 광 신호를 수신한다.

# 수신된 광 신호를 전기 신호로 변환한다.

현대 광섬유 통신 시스템은 일반적으로 전기 신호를 광 신호로 변환하는 광 송신기, 신호를 전달하는 광섬유 케이블, 광 증폭기, 그리고 신호를 다시 전기 신호로 변환하는 광 수신기를 포함한다. 전송되는 정보는 주로 디지털 정보이다.

광통신 시스템 송신기는 디지털-아날로그 변환기(DAC), 구동 증폭기, 마하-젠더 변조기를 포함한다. 높은 변조 방식(4-QAM 초과) 또는 높은 보오율을 사용하면 시스템 성능이 저하될 수 있다. 이러한 효과는 DAC 대역폭 제한 및 송신기 I/Q 타이밍 스큐로 인한 선형 왜곡과 구동 증폭기 및 마하-젠더 변조기의 이득 포화로 인한 비선형 효과로 분류할 수 있다. 디지털 프리디스토션은 이러한 성능 저하 효과를 상쇄하고, 상용 부품을 사용하여 최대의 보오율과 64-QAM 및 128-QAM과 같은 변조 방식을 가능하게 한다. 송신기 디지털 신호 처리기는 샘플을 DAC로 보내기 전에 역 송신기 모델을 사용하여 입력 신호에 디지털 프리디스토션을 수행한다.

이전의 디지털 프리디스토션 방법은 선형 효과만 다루었지만, 최근 연구에서는 비선형 왜곡도 고려한다.

4. 1. 송신기

광 송신기는 전기 신호를 광 신호로 변환하는 장치이다. 주로 발광 다이오드(LED)와 레이저 다이오드 같은 반도체 장치가 사용된다. LED는 비결맞는 빛을 생성하는 반면, 레이저 다이오드는 유도 방출을 통해 결맞는 빛을 생성한다. 광통신용 반도체 광 송신기는 소형, 고효율, 안정적으로 설계되어야 하며, 최적의 파장 범위에서 작동하고 고주파수로 직접 변조될 수 있어야 한다.

LED는 자발 방출을 통해 빛을 방출하며, 이를 전기 발광이라고 한다. LED 광 전송은 비효율적이며, 입력 전력의 약 1%만이 광섬유에 결합된 발사 전력으로 변환된다.[28] LED는 주로 10~100 Mbit/s의 비트율과 수 킬로미터의 전송 거리를 가진 근거리 통신망 애플리케이션에 적합하지만, 현재는 속도, 전력, 스펙트럼 특성이 향상되고 비용이 유사한 수직 공진형 표면 방출 레이저(VCSEL) 장치에 의해 대부분 대체되었다.

반도체 레이저는 유도 방출을 통해 빛을 방출하므로 높은 출력 전력(~100 mW)과 결맞는 빛의 특성을 가진다. 좁은 스펙트럼 폭은 색수차의 영향을 줄여 높은 비트율을 가능하게 한다. 또한 반도체 레이저는 짧은 재결합 시간으로 인해 고주파수로 직접 변조될 수 있다.

매우 높은 데이터 속도 또는 매우 긴 거리 링크의 경우, 광 변조기를 사용하여 빛을 변조할 수 있다. 외부 변조는 직접 변조된 레이저에서 선폭을 넓히는 레이저 차이프를 제거하여 광섬유의 색수차를 증가시킴으로써 달성 가능한 링크 거리를 증가시킨다. 매우 높은 대역폭 효율을 위해 결맞는 변조를 사용하여 빛의 위상도 변경하여 QPSK, QAM, OFDM을 사용할 수 있다. "이중 편광 직교 위상 편이 변조는 동일한 속도의 기존 광 전송보다 효과적으로 네 배 많은 정보를 전송하는 변조 형식입니다."[29]

4. 2. 수신기

광 수신기의 주요 구성 요소는 광검출기이며, 광전 효과를 이용하여 빛을 전기로 변환한다.[30] 통신용 주요 광검출기는 인듐 갈륨 비소로 만들어진다. 광검출기는 일반적으로 반도체 기반 광다이오드이다. 광다이오드의 여러 유형에는 p-n 광다이오드, p-i-n 광다이오드 및 애벌랜치 광다이오드가 있다. 금속-반도체-금속(MSM) 광검출기도 회로 집적에 적합하기 때문에 재생기 및 파장 분할 다중화기에서 사용된다.

빛은 광섬유를 통과하는 동안 감쇠되고 왜곡될 수 있으므로, 광검출기는 일반적으로 전류-전압 변환 증폭기와 제한 증폭기와 결합되어 들어오는 광 신호에서 복구된 전기 영역의 디지털 신호를 생성한다. 위상 고정 루프가 수행하는 데이터에서의 클럭 복구와 같은 추가적인 신호 처리도 데이터가 전달되기 전에 적용될 수 있다.

코히어런트 수신기는 한 쌍의 하이브리드 커플러와 편광당 4개의 광검출기와 함께 국부 발진기 레이저를 사용하며, 고속 ADC와 디지털 신호 처리를 거쳐 QPSK, QAM 또는 OFDM으로 변조된 데이터를 복구한다.

4. 3. 광섬유 케이블

섬유 광케이블 리일 트레일러와 광케이블을 수용할 수 있는 도관


지하 서비스 구덩이에 있는 다중 모드 광섬유


광섬유 케이블은 코어, 클래딩, 버퍼(보호용 외피)로 구성되며, 클래딩은 전반사 방식으로 빛을 코어를 따라 안내한다. 코어와 클래딩(굴절률이 더 낮음)은 일반적으로 고품질 실리카 유리로 만들어지지만, 플라스틱으로 만들어질 수도 있다. 두 광섬유를 연결할 때는 융착 접합 또는 기계적 접합을 사용하며, 섬유 코어를 정렬하는 데 필요한 미세한 정밀도 때문에 특별한 기술과 상호 연결 기술이 필요하다.[33]

광통신에 사용되는 두 가지 주요 유형의 광섬유는 다중 모드 광섬유와 단일 모드 광섬유이다. 다중 모드 광섬유는 더 큰 코어(≥50μm)를 가지고 있어 덜 정밀하고 저렴한 송수신기 및 커넥터를 사용할 수 있다. 그러나 다중 모드 섬유는 다중 모드 왜곡을 발생시켜 링크의 대역폭과 길이를 제한하는 경우가 많다. 또한, 더 높은 도펀트 함량 때문에 일반적으로 비싸고 감쇠가 더 크다. 단일 모드 섬유의 코어는 더 작으며(<10μm) 더 비싼 구성 요소와 상호 연결 방법이 필요하지만, 훨씬 더 길고 고성능의 링크를 허용한다. 단일 모드 및 다중 모드 섬유는 모두 다양한 등급으로 제공된다.

상업적으로 실용적인 제품으로 만들기 위해 섬유는 일반적으로 자외선 경화 아크릴레이트 중합체를 사용하여 보호 코팅을 하고 케이블로 조립한다. 그런 다음 지면에 놓고 건물 벽을 통과시키거나 구리 케이블과 유사한 방식으로 공중에 배치할 수 있다. 이러한 섬유는 배치된 후 일반적인 트위스트 페어 와이어보다 유지 관리가 적게 필요하다.[34]

장거리 해저 데이터 전송에는 특수 케이블(예: 대서양 횡단 통신 케이블)이 사용된다. 상업 기업(에메랄드 아틀란티스, 히베르니아 아틀란틱)이 운영하는 새로운(2011-2013년) 케이블에는 일반적으로 4개의 섬유 가닥이 있으며, 신호는 대서양(뉴욕-런던)을 60~70ms에 통과한다. 2011년 당시 이러한 케이블 하나의 비용은 약 3억달러였다.[35]

또 다른 일반적인 방법은 광접지선을 사용하여 장거리 송전 케이블 내에 많은 광섬유 가닥을 번들로 묶는 것이다. 이는 송전 라인의 권리를 효과적으로 활용하고, 전력 회사가 자체 장치와 라인을 모니터링하는 데 필요한 섬유를 소유하고 제어할 수 있도록 하며, 훼손에 대한 면역이 효과적이고, 스마트 그리드 기술의 배치를 단순화한다.

4. 4. 증폭

광섬유 통신 시스템의 전송 거리는 광섬유 감쇠와 광섬유 왜곡에 의해 제한되어 왔습니다. 이러한 문제는 광전자 중계기를 사용하여 해결되었습니다. 광전자 중계기는 신호를 전기 신호로 변환한 다음, 송신기를 사용하여 수신된 것보다 더 높은 강도로 신호를 다시 보냅니다. 그러나 현대의 파장 분할 다중 신호는 수백 개의 채널을 포함하여 매우 복잡하고, 중계기를 약 20km마다 설치해야 하므로 비용이 매우 높습니다.

이러한 문제의 대안으로, 광 신호를 직접 증폭하는 광 증폭기를 사용할 수 있습니다. 광 증폭기는 신호를 전기 영역으로 변환할 필요가 없습니다. 일반적인 광 증폭기 중 하나는 어비움 도핑 광섬유 증폭기(EDFA)입니다. EDFA는 희토류 광물인 어비움으로 광섬유의 일정 길이를 도핑하고, 통신 신호보다 짧은 파장(일반적으로 980 nm)의 빛으로 레이저 펌핑하여 제작됩니다. EDFA는 1550 nm의 ITU C 대역에서 이득을 제공합니다.

광 증폭기는 전기 중계기에 비해 여러 가지 중요한 장점이 있습니다. 첫째, 광 증폭기는 한 번에 매우 넓은 대역을 증폭할 수 있으므로 각 증폭기에서 신호를 역다중화할 필요가 없습니다. 둘째, 광 증폭기는 데이터 속도 및 변조 형식과 독립적으로 작동하므로, 모든 중계기를 교체하지 않고도 시스템의 데이터 속도를 업그레이드할 수 있습니다. 셋째, 광 증폭기는 동일한 기능을 가진 중계기보다 훨씬 간단하여 안정성이 높습니다. 광 증폭기는 새로운 설치에서 중계기를 대체했지만, 증폭 이상의 신호 조정이 필요한 경우에는 전자 중계기가 여전히 널리 사용됩니다.

4. 5. 파장 분할 다중화 (WDM)

파장 분할 다중화(WDM, Wavelength-Division Multiplexing)는 서로 다른 파장의 여러 개의 광 빔을 광섬유를 통해 전송하여 단일 광섬유를 통해 여러 개의 정보 채널을 전송하는 기술이다. 각 광 빔은 별도의 정보 채널로 변조된다. 이를 통해 광섬유의 사용 가능한 용량을 증가시킬 수 있다. WDM을 위해서는 송신 장비에 파장분할다중화기가, 수신 장비에는 역다중화기(본질적으로는 분광기)가 필요하다. WDM에서 다중화 및 역다중화에는 일반적으로 배열파장격자가 사용된다.[36] 현재 상용화된 WDM 기술을 사용하면 광섬유의 대역폭을 최대 160개의 채널로 나눌 수 있으며,[37] 1.6Tbit/s 범위의 결합 비트율을 지원한다.

5. 응용 분야

광섬유는 통신 회사에서 전화 신호, 인터넷 통신, 케이블 텔레비전 신호를 전송하는 데 사용된다. 또한 의료, 국방, 정부, 산업 및 상업 등 다양한 분야에서도 활용된다. 통신 외에도 광 도파관, 이미징 도구, 레이저, 지진파용 수중 청음기, 소나, 압력 및 온도 측정 센서 등으로 사용된다.[10]

낮은 감쇠와 간섭 덕분에 광섬유는 장거리, 고대역폭 통신에서 구리선보다 유리하다. 그러나 도시 내 인프라 구축은 비교적 어렵고 시간이 오래 걸리며, 광섬유 시스템은 설치 및 운영이 복잡하고 비용이 많이 들 수 있다. 이러한 이유로 초기 광섬유 통신 시스템은 주로 장거리 통신에 사용되어 전체 전송 용량을 활용하고 증가된 비용을 상쇄했다. 2000년 이후 광섬유 통신 가격은 크게 하락했다.[10]

현재 가정에 광섬유를 설치하는 비용은 구리 기반 네트워크를 설치하는 비용보다 더 경제적이 되었다. 미국에서는 가입자당 850USD이며, 네덜란드와 같이 굴착 비용이 낮고 주택 밀도가 높은 국가에서는 그보다 더 저렴하다.

광 증폭 시스템이 상용화된 1990년 이후 통신 산업은 광범위한 도시 간 및 대양 횡단 광섬유 통신망을 구축했다. 2002년에는 용량이 2.56 Tb/s인 250,000km의 해저 통신 케이블로 구성된 대륙 간 네트워크가 완성되었다. 통신 투자 보고서에 따르면 2004년 이후 네트워크 용량이 급격히 증가했다.[11] 2020년 현재 전 세계적으로 50억 킬로미터가 넘는 광섬유 케이블이 설치되었다.[12]

광섬유 통신은 사용 목적과 환경에 따라 다음과 같이 다양한 형태로 활용된다.

용도광섬유 종류광원전송 속도 및 거리가격
음악, 비디오 전송용플라스틱 SI형 광케이블LED400Mbps, 10m저렴
LAN 전송용플라스틱 GI형 광케이블반도체 레이저10Gbps, 100m저렴
LAN 전송용유리 GI형 광케이블반도체 레이저10Gbps, 500m비교적 고가
잡음이 많은 공장 등에서의 전송용유리 GI형 광케이블반도체 레이저 (광 모뎀 사용)10Mbps, 1~2km-
장거리 회선유리 SM형 광케이블반도체 레이저고속, 고신뢰성고가


6. 광통신망 구성

표준 통신 등급 단일 모드, 단일 고체 코어 광섬유 케이블을 사용한 연구 결과는 다음과 같다.

연도기관총 속도대역폭스펙트럼 효율 (비트/초/Hz)WDM 채널채널당 속도거리
2009(주)알카텔-루슨트15.5 Tbit/s155100 Gbit/s7000 km
2010NTT69.1 Tbit/s432171 Gbit/s240 km
2011NEC101.7 Tbit/s370273 Gbit/s165 km
2011KIT26 Tbit/s33677 Gbit/s50 km
2016BT & 화웨이5.6 Tbit/s28200 Gbit/s~140 km?
2016노키아 벨 연구소, 도이체 텔레콤 & 뮌헨 공과대학교[38]1 Tbit/s5–6.754250 Gbit/s419–951 km
2016노키아-알카텔-루슨트65 Tbit/s6600 km
2017BT & 화웨이11.2 Tbit/s6.2528400 Gbit/s250 km
2020RMIT, 모나쉬 & 스윈번 대학교39.0–40.1 Tbit/s~4 THz10.4 (10.1–10.4)160244 Gbit/s76.6 km
2020UCL178.08 Tbit/s16.83 THz10.8660 (S, C, L 대역)270 Gbit/s40 km
2023NICT[39]301 Tbit/s27.8 THz10.81097 (E, S, C, L 대역)250–300 Gbit/s50–150 km
2024NICT[40]402 Tbit/s37.6 THz10.71505 (O, E, S, C, L, U 대역)170–320 Gbit/s50 km


6. 1. 업무용 망 구성 변천

1980년대 후반부터 PDH를 이용한 디지털 전용선이 사용되기 시작했다. 1990년대부터는 SDH를 이용한 고속 전용선과 패킷 통신이 사용되기 시작했다. 1990년대 후반부터는 프레임 릴레이와 ATM 교환망, 그리고 IP 네트워크 간을 ATM으로 연결하는 IP over ATM이 사용되었다. 2000년부터는 MPLS를 지원하는 라우터를 사용하여 IP 프로토콜로 가상 사설망을 구성하는 방식이 시작되었다. 2001년부터는 LAN 간을 레이어 2 스위치 또는 레이어 3 스위치로 연결하는 가상 LAN을 사용한 광역 이더넷 서비스가 시작되었다.[42]

6. 2. 사용자 망 (간선망) 구성

통신 분야에서는 주로 사용자를 위해 상시, 정액, 고속의 광대역 인터넷 접속을 실현한다. (FTTH 참고)

6. 3. 사용자 댁내 망 구성

광케이블의 실내 배선(마지막 10미터) 도입 방식에 따라 여러 종류로 나뉜다. FTTx

6. 4. 하이브리드 망 구성


  • DLC(Digital Loop Carrier): 말단에 전화선을 사용하는 협대역 접속 방식이다. 광 수용이라고 불린다.
  • HFC(Hybrid Fiber Coaxial): 말단에 동축 케이블을 사용하는 방식이다. CATV에서 사용된다.
  • PLC(Power Line Communications): 말단에 전등선을 사용하는 방식이다.

7. 전기 전송과의 비교

특정 시스템에 광섬유와 전기(또는 구리) 전송 중 어떤 것을 선택할지는 여러 가지 상충되는 요소를 고려하여 결정된다. 광섬유는 일반적으로 더 높은 대역폭이 필요하거나, 열악한 환경에서 작동하거나, 전기 케이블이 감당할 수 있는 거리보다 더 먼 거리에 걸쳐 작동하는 시스템에 선택된다.[46]

광섬유의 주요 장점은 다음과 같다:


  • 손실이 매우 낮아 중계기 사이의 거리를 길게 할 수 있다.
  • 접지 전류가 없고, 긴 병렬 전도체에서 흔히 발생하는 다른 패러사이트 신호 및 전력 문제가 없다. (전송에 전기가 아닌 빛에 의존하고 광섬유의 유전체 특성 때문)
  • 본질적으로 높은 데이터 전송 용량을 가진다. 단일 고대역폭 광섬유 케이블을 대체하려면 수천 개의 전기 링크가 필요하다.
  • 아무리 긴 거리에 걸쳐 나란히 설치되더라도, 일부 유형의 전기 송전선과는 달리 광섬유 케이블은 효과적으로 크로스토크가 발생하지 않는다.
  • 전력선 및 철도 선로와 같이 전자기 간섭(EMI)이 높은 지역에도 설치할 수 있다.
  • 비금속성 전유전체 케이블은 낙뢰 발생률이 높은 지역에도 이상적이다.


이에 비해, 몇 킬로미터를 넘는 단일 회선 음성 등급 구리 시스템은 만족스러운 성능을 위해 인라인 신호 중계기가 필요하지만, 광학 시스템은 100 km (62 mi)를 넘어도 활성 또는 수동 처리 없이 작동하는 것이 드물지 않다.[46]

광섬유는 전기 도체보다 접합하기 어렵고 비용이 많이 든다. 그리고 더 높은 출력에서는 광섬유가 광섬유 퓨즈에 취약하여 광섬유 코어의 치명적인 파괴와 전송 구성 요소의 손상을 초래한다.[47]

단거리 및 상대적으로 낮은 대역폭 응용 프로그램에서는 비용이 저렴하기 때문에 전기 전송이 종종 선호된다. 광통신은 단거리 박스 간, 백플레인 또는 칩 간 응용 프로그램에서는 일반적이지 않다.[46]

어떤 상황에서는 다른 중요한 기능으로 인해 단거리 또는 저대역폭 응용 프로그램에도 광섬유가 사용될 수 있다:[46]

  • 전자기 간섭, 핵 전자기 펄스에 대한 내성
  • 높은 전기 저항으로 고전압 장비 근처 또는 지구 전위가 다른 영역 사이에서 안전하게 사용할 수 있다.
  • 가벼운 무게 - 예를 들어 항공기에서 중요
  • 아크 가능성 없음 - 인화성 또는 폭발성 가스 환경에서 중요[48]
  • 전자기적으로 방사되지 않고 신호를 방해하지 않고도 도청하기 어렵다. 보안이 중요한 환경에서 중요
  • 훨씬 작은 케이블 크기 - 경로가 제한된 곳에서 중요
  • 비금속성 전송 매체로 인한 내식성


기존의 통신에 사용되어 온 전선(구리선)이나 전파를 이용한 통신과 비교하여 다음과 같은 특징이 있다.[46]

참조

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[2] 서적 History of the World in 1,000 Objects DK (publisher) and the Smithsonian 2014-10-01
[3] 서적 Future Trends in Fiber Optics Communication http://www.iaeng.org[...] WCE, London UK 2014-07-02
[4] 웹사이트 How Fiber Optics Work https://computer.how[...] 2001-03-06
[5] 웹사이트 What are the Basic Elements of a Fibre Optic Communication System? https://www.fibreopt[...] 2020-05-27
[6] 뉴스 Press release: Alcatel-Lucent Bell Labs announces new optical transmission record and breaks 100 Petabit per second kilometer barrier http://www.alcatel-l[...] Alcatel-Lucent 2009-09-28
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[8] 간행물 As telecom demands grow, optical fibers will need to level up https://cen.acs.org/[...] 2020-03-16
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[42] 보도자료 World Record Optical Fiber Transmission Capacity Doubles to 22.9 Petabits per Second https://www.nict.go.[...] NICT 2023-11-05
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