제1장 광섬유 소개 제 1장에서는 광섬유 기술, 역사, 최근 개발 동향 및 응용 분야에 대하여 알아보며 저손실, 높은 대역폭 등 광섬유의 장점을 논의한다. 또한 응용 분야 측면에서 통신 분야는 물론 의료, 산업 분야에서의 응용도 논의한다.

광통신이란? 통신 링크(communication link) 통신시스템의 구성요소 송신기, 수신기, 링크(채널) 통신시스템의 분류 링크를 구성하는 전송매체의 특성에 따라 분류 및 시대적 발전 도체를 이용한 전송 전보, 전화와 같은 현대적 의미의 통신시스템에서 구리와 같은 도체를 이용  100Mbps의 데이터를 전송할 수 있는 최대거리는 100m 정도 동축 케이블 UTP 케이블

도파관은 부피가 크고 딱딱한 금속으로 되어 있어 비용이 증가하고, 설치 및 유지 관리가 어려움  광통신의 필요성 증대 통신시스템의 분류 자유공간을 이용한 전송(무선통신) 1차 세계대전을 계기로 비약적으로 발전 자유공간으로 전송되는 전자파의 주파수가 높을수록 더 많은 정보를 전송가능 라디오파에서 마이크로파로 더 높은 주파수 사용 검토 도파관을 이용한 전송 공기중에서 마이크로파의 감쇠가 심한 문제 해결 도파관(waveguide)을 이용하여 마이크로파에 정보를 실어 전송하는 것이 도체나 자유공간을 이용하는 경우보다 더 많은 정보를 보낼 수 있음. 도파관은 부피가 크고 딱딱한 금속으로 되어 있어 비용이 증가하고, 설치 및 유지 관리가 어려움  광통신의 필요성 증대

광통신의 필요성

정보 전송 용량 주어진 채널 또는 시스템을 통해 정보를 전송 가능한 최대 속도 (비트/초) 정보 전송 용량, C(비트/초)는 섀넌 방정식으로 표현 전송 채널의 대역폭이 넓을수록 정보 전송 용량이 증가 광통신의 대역폭이 가장 넓음 신호 대 잡음의 전력비 전송 채널의 대역폭  광통신이 기간통신망의 핵심기술로 자리잡음 이동통신망 (모세혈관, 골목길) 기간통신망 (대동맥, 고속도로) 무선통신 광통신

통신량의 급격한 증가 인터넷이 대중화하기 시작한 1990년대 중반부터 통신량이 급격히 증가 광통신 기술의 발전이 통신량의 증가를 뒷받침 연도별 통신량의 변화

표 1-1 미국 내의 광섬유 시장 자료(단위 : 10억$) 연도 시장   표 1-1 미국 내의 광섬유 시장 자료(단위 : 10억$) 연도 시장 1987 1990 1991 1992 0.7 1.3 1.8 2.9

광통신의 스펙트럼 대역 반송파 주파수와 변조 모든 유무선 통신은 반송파(carrier)에 정보 신호를 실어 전송 반송파의 주파수가 높을수록 더 많은 정보 전송이 가능 통신시스템에서 사용 중인 반송파 주파수 통신시스템 반송파 주파수 전화선 모뎀 1600~1800Hz 셀룰러 무선통신 850MHz, 1.8GHz AM 라디오 530~1600kHz 실내 무선 네트워크 2.4GHz CB 라디오 27MHz 민수용 위성 하향 링크 3.7~4.2GHz FM 라디오 88~108MHz 민수용 위성 상향 링크 5.9~6.4GHz VHF TV 178~216MHz 광통신 185~195THz

광통신의 스펙트럼 현대 광통신에서 사용하고 있는 파장의 범위 : 800nm~1675nm

표 1-1 미국 내의 광섬유 시장 자료(단위 : 10억$)   광통신의 주요 구성요소

표 1-1 미국 내의 광섬유 시장 자료(단위 : 10억$)   그림 1-2 광통신 시스템

광통신 링크

광통신의 특징

광섬유의 역사 광통신 이전: 암흑시대 1975년 동축케이블에 의한 최고 비트율은 불과 274Mb/s 신호 질을 높이기 위해 디지털로 전환할 필요성 대두 정보 전송 용량을 증가시키기 위해 마이크로파를 사용하게 되었으나, 비용이 증가하고 설치와 유지 관리가 힘듬 새로운 통신시스템의 필요성 증대 광통신 시대를 위한 여정 1621년 : 스넬은 광섬유의 이론적 가능성 제시 1870년 : 틴들은 전반사(total reflection)에 의해 빛이 포물선으로 진행할 수 있음을 보임 1953년 : 캐퍼니는 클래딩을 갖춘 광전송 매체 개발 1966년 : 카오와 호캠은 다른 전송 매체보다 우수한 광섬유의 가능성 제안 1970년 : 코닝사에서 손실이 약 20dB/km인 광섬유 제작 성공 반도체 레이저, 광 다이오드 등이 광섬유와 비슷한 시기에 실용화됨으로써 암흑시대를 벗어나기 시작

제1세대 광통신 1970년대 후반에서 1980년대 광통신 광원 : GaAs LED (=0.8~0.9m) 광섬유 : 다중모드 광섬유 비트율 : 50Mb/s ~ 100Mb/s 중계기(재생기) 간격 : 약 10km 특징 당시 동축케이블 통신시스템의 중계기 간격(~1km) 보다 넓어 설치비용 절감 잡음 등으로 왜곡된 신호를 전자장치로 깨끗이 재생하는 장치 비용이 많이 듬

그림 1-1 빛의 도파  

제2세대 광통신 광원 : 다중모드 레이저 다이오드 (= 1.3m) 광섬유 : 단일모드 광섬유 비트율 : > 1Gb/s 중계기(재생기) 간격 : 약 50km 특징 단일모드 광섬유 사용으로 모드 분산 제거 광원의 파장이 광섬유의 손실이 낮은 1.3m 파장대로 이동 재생기

제3세대 광통신 광원 : 단일 종모드 레이저 다이오드 (= 1.55m) 광섬유 : 단일모드 광섬유(분산천이 광섬유) 비트율 : 2.5Gb/s ~10Gb/s 중계기(재생기) 간격 :  50km 특징 광섬유의 손실이 최저가 되는 1.55m 에서 동작 단일 종모드 레이저 다이오드 사용으로 단일모드 광섬유에서 발생하는 군속도 분산 최소화 재생기

제4세대 광통신 현재의 주도적 광통신 기술 6개월마다 전송용량이 거의 2배씩 증가! BL곱 41,000[(Tb/s)km] 이상(2003년) 특징 파장분할 다중화(WDM, Wavelength Division Multiplexing) 전송 재생기 대신 광증폭기 사용

WDM 시스템 개념도 제5세대 광통신 : ??? Electrical Optical

연도별 BL곱 비트율-거리곱(BL곱) 통신시스템의 성능지수로 사용 광통신은 지난 30여 년간 BL곱이 거의 매년 2배씩 증가 각 세대별 새로운 기술에 의해 혁신적 발전을 거듭함

광통신 네트워크 광통신 네트워크 광통신을 포함한 현대의 통신 시스템은 계층구조로 설계됨 국제표준화 기구에서 정한 계층구조의 예 물리 계층의 통신 물리적인 신호를 통신 채널을 통해 직접 전송하는 것을 의미 상위 계층이 소프트웨어에 해당한다면 물리 계층은 하드웨어에 해당 통신공학자 물리 계층에서 가능한 한 왜곡이 발생하지 않도록 정보를 전송하도록 설계

광통신 네트워크와 응용 광통신 네트워크 규모에 따른 분류 기간망 매트로망 가입자망 해저 광통신 네트워크

해저 광통신 시스템의 생산과 설치 예- 동영상