光纖維
(光纖維,
optical fiber
,
文化語
:
빛纖維, 레이자年代決定)는 빛 信號를 傳達하는 가느다란
有利
또는
플라스틱
纖維의 一種이다. 光纖維의 原理는 光纖維 內部와 外部를 서로 다른
密度
와
屈折率
을 가지는
琉璃纖維
로 製作하여, 한番 들어간 빛이
全反射
를 하며 進行하도록 만든 것이다. 구리線보다 더 많은 量의 데이터를 더 멀리까지 傳達할 수 있다. 光纖維를 만드는 데 琉璃纖維가 金屬 代身에 쓰이는 理由는 데이터 損失이 더 적고 電磁氣的 干涉도 더 적고 高溫에도 더 잘 견디기 때문이다.
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槪要
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光學纖維(optical fiber) 라고도 불리며 빛을 傳送할 때 光損失을 줄이기 위하여 透明度가 高度로 높은 材料를 使用한다. 따라서, 高純度의
石英
이나 光學的 性質이 優秀한 高分子材料를 使用한다. 光纖維는 1970年에 美國의 코닝사가 低損失 石英纖維를 開發한 것을 契機로 改良을 거듭하여 光通信의 實用化에 크게 寄與하고 있다.
光通信은 光纖維의 한쪽 끝에서 電氣信號를 따라 漸滅하는
發光素子
를 써서 빛을 點滅하면 다른 쪽 끝에서
수광소자
를 써서 이 點滅하는 빛을 받을 수 있는 現象을 利用한 것이다. 수광소자로서
포토다이오드
를 쓰면 點滅하는 빛의 信號를 電氣信號로 바꿀 수 있고, 發光素子로는 1秒 동안에 4億 回나 點滅할 수 있는 發光
다이오드
도 開發되어 있다. 이 發光素子를 쓰면 光纖維 하나로 5,760回線의 電話通話가 可能해진다.
光纖維의 國內技術開發은 한국과학기술연구소(現
韓國科學技術院
) 應用光學硏究室을 主軸으로 1977年부터 始作한 光纖維 國産化 技術開發 硏究가 그 始初였다. 한국과학기술연구소에서는
대한전선株式會社
·금성전선株式會社(現
LS電線
)와 함께 1979年 末 光纖維의 形態를 抽出, 1980年 2月釜山의
韓國電力
地點과 남釜山變電所間의 1.3km에 達하는 國産 光纖維를 마련하였다.
現在 光纖維는 國內 需要는 勿論 輸出까지 하고 있고, 光通信度 이미
대덕科學團地
와 大田電話國 사이,
구로동
科 安養 사이 等에서 實用化되어 있다. 政府에서는 2001年 안에 綜合情報通信網(
ISDN
)을 構築하기로 하고, 1987年에 大都市國間 傳送路에 光케이블을 供給하겠다고 發表하였다. 또, 世界的으로도 大西洋과 太平洋間의 海底橫斷케이블이 光케이블로 마련될 豫定이다.
이렇게 光纖維를 近距離通信網(
LAN
)·綜合情報通信網·事務自動化 等 光通信 分野에 應用하여 高度情報化社會를 이룩하는 것은 勿論, 광센서·映像傳達·照明用器具·廣告·裝飾品 等 人間生活을 더욱 풍요롭게 하는 데 利用하고 있다.
1950年代에 코어(core), 클래드(clad) 救助의 光纖維, 卽 빛을 通過하는 核心 部分인 코어의
屈折率
보다 빛이 밖으로 나가지 못하게 하는 遮斷層인 클래드의
屈折率
을 若干 작게 하여 코어에 入射된 빛이 屈折率이 다른 코어와 클래드의 境界面에서
全反射
를 反復하면서 傳播하는 光纖維가 開發되었다(그림 1 參照).
光纖維의 構成
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光纖維 電送의 構成은 그림 18-16과 같이 屈折率이 높은 領域(여기에서는 물)을 屈折率이 낮은 領域(여기에서는 空氣)으로 막아서 光이 全反射하는 것을 利用한 것이다. 이 原理를 利用하여 플라스틱이나 琉璃를 實用化한 것이 光纖維이다.
最近에 利用되는 光纖維는 主로 畏敬이 0.1~0.2mm로 微細한 한個의 線이다. 이 光纖維는 그림 18-17과 같이 屈折率이 다른 材質인 광전력을 집중시키는 코어(core)와 광전력을 가두는 作用을 하는 크래드(clad)로 構成되고 여기에 光이 入社되면 광은 코아部分(外景 0.05~0.1mm)의 以下의 角度로 電送된다.
이 角度 θ를
臨界角
이라 부르고 다음과 같은 關係式이 成立된다.
NA ~=~ n_o SQRT {{n_1}^2 - {n_2}^2} ~=~ sin theta ~
여기에서 NA(Numerical Aperture)를 開口數라 부르며 單位는 없다.
θ가 클수록 光纖維에 들어오는 광의 角度가 크게되어 光量이 많이 들어오지만
θ가 클수록 光纖維의 特性이 優秀한 것은 아니다.
θ는 電送 特性과 密接한 關係가 있고 普通 通信用 光纖維의 NA는 0.2~0.25 程度, 角度는 ±12°∼±15° 로 적은 것이다. 이에 비해 商業用이나 Fiber Scope 等에 使用되고 있는 光纖維는 使用 用途에 따라 ±30°∼ ±50°로 큰 個區角이 利用되기도 한다.
光纖維에 光이 入社되면 광은 코어와 크래드 境界面에서 全反射하여 進行되는 것을 의미하지만, 光纖維 속에는 角度가 큰 狂人 高次 모드(mode)와 角度가 적은 狂人 低次 모드가 存在한다. 低次 모드 成分이 높을수록 廣帶域 電送에 適合하다. 또 一般的으로 低次 모드일수록 長距離 電送이 可能하고, 高次 모드는 減衰되는 것이므로 光纖維에서는 出死角을 入射角보다 적게 한다.
種類
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- 光纖維種類에 依한 分類
- 多重모드光케이블: MM 또는 HMM 光纖維를 心線으로 하는 光케이블
- 單一모드光케이블: SM, DSF, CSF 또는 NZDSF 光纖維를 心線으로 하는 光케이블
- 單一모드纖維는 長距離 電送에 使用하는데, 아주 작은 審을 使用하며, 빛이 纖維의 軸을 따라서만 들어온다. 光源으로는 特需 레이저만 使用하고 레이저, 다른 光纖維, 感知器 等과 精密하게 接續해야 한다.
- 多重모드纖維는 單一모드纖維보다 心이 크고 여러 角度로 빛을 받는다. 또한 單一모드纖維보다 여러 種類의 鑛員과 값싼 接續裝置를 使用할 수 있다는 長點이 있지만 長距離 電送에는 使用할 수 없다.
- 外皮 材質에 依한 分類
- 赧然光케이블: 通信區 等 火災發生이 憂慮되는 地域에 設置하는 光케이블
- 非難年光케이블: 火災發生의 念慮가 없는 地域에 設置하는 光케이블
- 使用場所에 依한 分類
- 官路龍 光케이블: PE 等의 管(Pipe)을 미리 設置後 그 속에 揷入하는 光케이블
- 加工用 光케이블: 全州를 利用하여 空間에 設置하는 光케이블
- 直買龍 光케이블: PE 等의 館(Pipe)을 使用하지 않고 지중에 設置하는 光케이블
- 수저龍 光케이블: 江 또는 河川等을 通過하는 地域에 設置하는 光케이블
- 玉內容 光케이블: 빌딩이나 事務室內에 設置하는 光케이블
- 光케이블審 構造에 依한 分類
- 루즈튜브形 光케이블: 必要로하는 光纖維들을 프라스틱튜브內에 먼저 揷入後 이 튜브들을 中心인장선 위에 配列한 케이블로, 現在 大韓民國에서 가장 많이 使用하고 있는 光케이블이다.
- 리본슬롯型 光케이블: 適當한 個數의 光纖維를 리본形態로 接着後 홈(슬롯)속에 揷入한 救助의 光케이블
- 區分 略號 呼稱 運用波長
- 單一모드光纖維 SM 單一모드 光纖維 1310nm/1550nm
- DSF 分山川이 單一모드 光纖維 1550nm
- CSF 遮斷波長천이 單一모드 光纖維 1550nm
- NZDSF 難題로분산천이 單一모드 光纖維 1550nm
- 多重모드光纖維 MM 언덕型 多重모드 光纖維 850nm/1300nm
- HMM 大口徑 多重모드 光纖維 850nm/1300nm
用度
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光纖維의 用途는 다양하다. 光纖維가 가장 많이 利用되는 光通信 시스템에서는 特需 레이저를 光源으로 使用하는데, 特需 레이저는 엄청나게 빠른 速度로 켜짐과 꺼짐을 反復하면서 符號化된 메시지를 보낸다. 메시지가 光纖維를 타고 電送되어 受信裝置에 傳達되면 受信裝置에서 符號를 解讀해서 元來의 信號로 바꾼다. 光通信시스템은 구리케이블시스템보다 情報 電送 容量이 아주 크고, 電氣的으로 干涉을 받지 않아 電送 途中에 情報 損失이 거의 없다. 또한 長距離 通信에 光纖維케이블을 使用하면 같은 길이의 구리케이블보다 信號를 덜 增幅해도 잘 電送된다. 많은 通信 會社들이 大規模 光纖維케이블網을 設置하고, 太平洋과 大西洋 사이에도 海底 光纖維케이블을 假說해서 通信에 使用하고 있지만, 先頭 業體인
KT
를 비롯한, 後發 業體인
SK브로드밴드
와
LG유플러스
의 기가 인터넷 서비스도 光纖維 케이블 方式을 使用한다.
光纖維는 照明用으로도 使用된다. 半導體나 LCD製造業體에서 公正間
VISION
檢査用으로 光纖維를 加工하여 使用하며, 博物館에서도 遺物을 비추는 照明으로 光纖維를 使用한다. 最近에는 景觀照明으로도 活用되고 있다. 光纖維를 照明用으로 使用時
光源
이 必須的으로 使用되어야 한다. 鑛員은 할로겐램프나 메탈할라이드 램프, 最近에는 LED 가 主로 使用된다. 光纖維는 또한 醫療用으로도 많이 使用된다. 가늘고 柔軟하게 잘 加工된 光纖維는
血管
이나 肺와 같이 속에 빈 空間이 있는 人體 臟器에 揷入되어 手術하지 않고도 患者의 몸속을 볼 수 있는 關節頃 等에 使用된다. 또한 溫度나 壓力 測定器와 手術用 레이저에도 光纖維를 使用한다.
原理
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光纖維는 코어와 클래딩으로 構成되어 있으며, 둥근 코어를 클래딩으로 均一하게 감싼 形態로 만들어진다. 코어는 屈折率이 큰 物質로 이뤄지며, 클래딩은 屈折率이 작은 物質로 이뤄진다.
코어와 클래딩을 만드는 形式은 두 가지가 있다.
- 첫 番째는 코어와 클래딩을 明白히 區分할 수 있게 하는 方式으로, 明白히 區分할 수 있는 光纖維는 코어와 클래딩의 反師父에서 일어나는
全反射
를 使用한다.
- 두 番째는 코어와 클래딩을 區分할 수 없는 方式으로, 큰 屈折率을 갖는 物質로 均一한 코어를 만든 뒤에 異物質을 침투시켜 表面에 가까운 部位의 屈折率을 작게 만드는 方式으로 製作되어 中心에서 表面에 이르기까지 屈折率이 連續的으로 變하기에,
全反射
가 일어나지 않고 中心部에서 벗어나는 빛은 徐徐히 中心으로 휘어지도록
屈折
되어, 巨視的으로
全反射
가 일어난 것처럼 보이도록 만든다.
光纖維 內部에서 움직이는 빛은
솔리톤
의 性質을 띠기 때문에 一般的인 光學的 빛의 性質과는 매우 다름이 分明하다.
製造過程
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光纖維를 만드는 方法은 主로 먼저 母材(母材:preform)라고 하는 지름 1cm 內外의 棒을 光纖維의 構造와 同一하게 만든 다음, 이것을 高熱로 녹여 늘여서 光纖維를 完成하는 方法을 쓴다.
⑴ 母材의 製作:適切한 附着臺(黑鉛·史記의 棒이나 高純度 石英管)를 軸方向으로 회전시키면서 그 內部(MCVD法)나 外部(OVD法:outside vapor phase deposition)에 불꽃 加水分解 反應에 依해 게르마늄·硼素·印 等이 合成된 산화규소層을 數十 回에 걸쳐 附着시킨 다음, 1700°C 以上의 높은 溫度의 불꽃으로 徐徐히 加熱하여 收縮시키면 모재가 完成된다. 이때 게르마늄 等 元素의 包含量을 調節하면 母材의 屈折率 分布를 任意로 調節할 수 있게 된다. 光纖維의 損失 等 光學的 特性이 거의 이 過程에서 決定되므로 매우 注意깊게 進行된다. 이 밖에 石英막대 끝에 直接 母材를 성장시키는 VAD(vapor phase axial deposition)法도 있다.
⑵ 沿線(延線)過程:母材를 2,000°C 以上의 高溫으로 局部的으로 加熱하여 가늘게 뽑으면 光纖維가 된다. 熱源(熱源)으로서는 主로 電氣抵抗爐·高周波誘導爐·二酸化炭素레이저 等이 使用된다. 이 過程은 不純物에 依해 光纖維 表面이 汚染되어 强度가 低下되지 않도록 精潔한 雰圍氣가 必要하며, 機械的 强度의 保存과 取扱의 便宜를 위하여 뽑는 卽時 1車被覆을 한다. 그 材料로 化學的으로 安定되고 水分의 浸透를 막을 수 있는 실리콘樹脂·에폭시아크릴레이트·래커·우레탄·EVA 等이 使用된다. 光纖維의 바깥지름은 이 過程에서 約 1μm의 誤差 以內로 均一하게 調整된다.
長短點
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長點
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- 구리線보다 電送速度가 빠르고, 大容量으로 電送할 수 있으며, 기가 인터넷 서비스에 100% 對應할 수 있다.
- 光纖維는 좁은 空間에서 많은 線을 設置할 수 있다.
- 구리線보다 값이 더 싸다. (많은 사람들이 光纖維가 구리線 보다 더 비싸다고 알고 있으나, 光纖維가 구리線보다 더 싸다.)
[4]
- 구리線보다 壽命이 더 길다.
- 信號의 干涉을 받지 않고, 빛으로 傳達되기 때문에 구리線보다 雜音이 적다.
- 混線 및 道廳의 危險이 적다.
短點
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- 光纖維를 通信에 使用하려면 信號를 빛으로 變換하는 變調 裝置를 使用해야 한다.
- 光纖維를 通한 광信號를 電子 信號로 變化하여 使用해야 한다.
- 製造 物性이 限定的이며, 公正 多樣性이 相對的으로 적고 製造가 까다롭다.
各州
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外部 링크
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