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광섬유 통신

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광섬유 패칭 캐비넷

광섬유 통신은 광섬유를 통해 적외선 또는 가시광선 펄스를 전송하여 한 장소에서 다른 장소로 정보를 전송하는 방법이다.[1][2] 빛은 정보를 전달하기 위해 변조된 반송파의 한 형태이다.[3] 고대역폭, 장거리 또는 전자기 간섭에 대한 내성이 필요한 경우 전기 케이블보다 광섬유가 선호된다.[4] 이러한 유형의 통신은 근거리 통신망이나 장거리를 통해 음성, 비디오 및 원격 측정을 전송할 수 있다.[5]

광섬유는 많은 통신 회사에서 전화 신호, 인터넷 통신 및 케이블 TV 신호를 전송하는 데 사용된다. Bell Labs의 연구원들은 광섬유 통신을 사용하여 초당 100페타비트 × 킬로미터가 넘는 기록적인 대역폭-거리 곱에 도달했다.[6]

배경

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1970년대에 처음 개발된 광섬유는 전기 통신 산업에 혁명을 일으켰고 정보화 시대의 도래에 중요한 역할을 했다.[7] 전기 전송에 비해 장점이 있기 때문에, 광섬유는 선진국의 백본망에서 구리선 통신을 대부분 대체했다.[8]

광섬유를 이용한 통신 과정은 다음과 같은 기본 단계를 포함한다.

  1. 일반적으로 전기 신호로부터 송신기를 사용하여 광학 신호를 생성[9]
  2. 신호가 너무 왜곡되거나 약해지지 않도록 보장하면서 광섬유를 따라 신호 전달
  3. 광학 신호 수신
  4. 이를 전기 신호로 변환

응용 분야

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광섬유는 전기 통신 회사에서 전화 신호, 인터넷 통신 및 케이블 텔레비전 신호를 전송하는 데 사용된다. 또한 의료, 국방, 정부, 산업 및 상업 등 다른 산업에서도 사용된다. 전기 통신 목적으로 사용되는 것 외에도 광 가이드, 이미징 도구, 레이저, 지진파용 수중청음기, 소나, 압력 및 온도를 측정하는 센서로 사용된다.

낮은 감쇠와 간섭으로 인해 광섬유는 장거리, 고대역폭 응용 분야에서 구리선에 비해 장점이 있다. 그러나 도시 내 인프라 개발은 비교적 어렵고 시간이 많이 소요되며, 광섬유 시스템은 설치 및 운영에 복잡하고 비용이 많이 들 수 있다. 이러한 어려움 때문에 초기 광섬유 통신 시스템은 주로 장거리 응용 분야에 설치되었으며, 여기서는 증가된 비용을 상쇄하면서 전체 전송 용량을 활용할 수 있다. 광섬유 통신 가격은 2000년 이후 상당히 떨어졌다.[10]

현재 가정에 광섬유를 설치하는 비용은 구리 기반 네트워크를 설치하는 것보다 비용 효율적이다. 미국에서는 가입자당 850달러로 가격이 하락했으며, 네덜란드와 같이 굴착 비용이 저렴하고 주택 밀도가 높은 국가에서는 더 낮다.

광 증폭 시스템이 상업적으로 사용 가능해진 1990년 이후, 전기 통신 산업은 도시 간 및 대양 횡단 광섬유 통신망을 광범위하게 구축했다. 2002년에는 2.56 Tb/s 용량의 해저 통신 케이블 250,000 km에 달하는 대륙 간 네트워크가 완성되었고, 구체적인 네트워크 용량은 기밀 정보이지만 전기 통신 투자 보고서는 2004년 이후 네트워크 용량이 극적으로 증가했음을 시사한다.[11] 2020년 현재 전 세계에 50억 킬로미터 이상의 광섬유 케이블이 설치되었다.[12]

역사

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1880년, 알렉산더 그레이엄 벨과 그의 조수 찰스 섬너 테인터는 벨이 워싱턴 D.C.에 새로 설립한 볼타 연구소에서 광섬유 통신의 초기 전신인 광선전화를 만들었다. 벨은 이를 자신의 가장 중요한 발명품으로 여겼다. 이 장치는 빛의 빔으로 소리를 전송할 수 있게 했다. 1880년 6월 3일, 벨은 약 213미터 떨어진 두 건물 사이에서 세계 최초의 무선 전화 전송을 수행했다.[13][14] 대기 전송 매체를 사용했기 때문에, 광선전화는 레이저 및 광섬유 기술의 발전으로 안전한 빛 전송이 가능해질 때까지 실용적이지 못했다. 광선전화의 첫 실용적인 사용은 수십 년 후 군사 통신 시스템에서 이루어졌다.[15]

1954년, 해럴드 홉킨스와 나린더 싱 카파니는 말린 유리섬유가 빛을 전송할 수 있음을 보여주었다.[16] 도호쿠 대학의 일본 과학자 니시자와 준이치는 1963년에 통신용 광섬유 사용을 제안했다.[17] 니시자와는 PIN 다이오드와 정전 유도 트랜지스터를 발명했으며, 이 둘 모두 광섬유 통신 발전에 기여했다.[18][19]

1966년, 스탠다드 텔레커뮤니케이션 연구소의 찰스 K. 가오와 조지 호컴은 기존 유리에서 1,000 dB/km의 손실(동축 케이블의 5–10 dB/km와 비교)이 제거될 수 있는 오염 물질 때문임을 보여주었다.

통신 목적에 충분히 낮은 감쇠(약 20 dB/km)를 가진 광섬유는 1970년 코닝 글라스 웍스에서 개발되었다. 동시에 비소화 갈륨 반도체 레이저가 개발되어 소형화되었고, 따라서 장거리 광섬유 케이블을 통한 빛 전송에 적합했다.

1973년, 레이저 발명가인 고든 굴드가 공동 설립한 옵텔레콤(Optelecom)사는 ARPA로부터 최초의 광통신 시스템 중 하나에 대한 계약을 받았다. 미국 육군 미사일 사령부를 위해 헌츠빌, 앨라배마에서 개발된 이 시스템은 비디오 처리가 가능한 단거리 미사일이 비행하면서 미사일에서 풀리는 5킬로미터 길이의 광섬유를 통해 레이저로 지상과 통신할 수 있도록 고안되었다.[20] 옵텔레콤은 이후 첫 상업용 광통신 시스템을 셰브론에 공급했다.[21]

1975년부터 연구 기간을 거쳐, 0.8 μm 부근의 파장에서 작동하고 GaAs 반도체 레이저를 사용하는 최초의 상업용 광섬유 통신 시스템이 개발되었다. 이 1세대 시스템은 최대 10 km의 중계기 간격으로 45 Mbit/s의 비트 전송률로 작동했다. 곧이어 1977년 4월 22일, 제너럴 텔레폰 앤 일렉트로닉스는 캘리포니아 롱비치에서 광섬유를 통해 6 Mbit/s의 처리량으로 최초의 실제 전화 통신을 전송했다.[22]

1973년 10월, 코닝 글라스는 도시 환경에서 광섬유를 테스트하기 위해 CSELT 및 피렐리와 개발 계약을 체결했다. 1977년 9월, 이 테스트 시리즈의 두 번째 케이블인 COS-2는 토리노에서 처음으로 대도시에서 두 라인(9 km)에 실험적으로 배치되었으며, 속도는 140 Mbit/s였다.[23]

2세대 광섬유 통신은 1980년대 초 상업적 용도로 개발되었으며, 1.3 μm 파장에서 작동하고 InGaAsP 반도체 레이저를 사용했다. 이 초기 시스템은 처음에는 다중 모드 광섬유 분산에 의해 제한되었고, 1981년에는 단일 모드 광섬유가 시스템 성능을 크게 향상시키는 것으로 밝혀졌지만, 단일 모드 광섬유와 함께 작동할 수 있는 실용적인 커넥터를 개발하는 것은 어려운 일이었다. 캐나다 서비스 제공업체인 SaskTel은 당시 세계에서 가장 긴 상업용 광섬유 네트워크 건설을 완료했으며, 이는 3,268 km (2,031 mi)를 커버하고 52개 커뮤니티를 연결했다.[24] 1987년까지 이 시스템들은 최대 1.7 Gbit/s의 비트 전송률과 최대 50 km (31 mi)의 중계기 간격으로 작동했다.

광섬유를 사용한 최초의 대서양 횡단 전화 케이블은 엠마누엘 데수르비르 최적화 레이저 증폭 기술을 기반으로 한 TAT-8이었다. 이 케이블은 1988년에 가동되었다.

3세대 광섬유 시스템은 1.55 μm에서 작동했으며 손실은 약 0.2 dB/km였다. 이 개발은 인듐 갈륨 비소의 발견과 Pearsall에 의한 인듐 갈륨 비소 포토다이오드의 개발에 의해 촉진되었다. 엔지니어들은 그 파장에서 기존 InGaAsP 반도체 레이저를 사용하는 펄스 분산 문제에 대한 초기 어려움을 1.55 μm에서 최소 분산을 갖도록 설계된 분산 천이 광섬유를 사용하거나 레이저 스펙트럼을 단일 종모드로 제한함으로써 극복했다. 이러한 발전은 결국 3세대 시스템이 2.5 Gbit/s의 속도로 100 km를 초과하는 중계기 간격으로 상업적으로 작동할 수 있도록 했다.

4세대 광섬유 통신 시스템은 광 증폭을 사용하여 중계기 필요성을 줄이고 파장 분할 다중 (WDM)을 사용하여 데이터 용량을 증가시켰다. WDM의 도입은 광섬유 대역폭 확장의 핵심 기술이 되면서 광 통신망의 시작을 알렸다.[25] 밀집 WDM 시스템을 처음 시장에 내놓은 것은 1996년 6월 Ciena Corp.였다.[26] 광 증폭기와 WDM의 도입으로 시스템 용량은 1992년부터 2001년까지 6개월마다 두 배로 증가하여 10 Tb/s의 비트 전송률에 도달했다. 2006년에는 광 증폭기를 사용하여 단일 160 km (99 mi) 라인에서 14 Tb/s의 비트 전송률이 달성되었다.[27] 2021년 기준, 일본 과학자들은 표준 케이블 직경의 4코어 광섬유 케이블을 사용하여 3,000킬로미터에 걸쳐 초당 319테라비트를 전송했다.[28]

5세대 광섬유 통신 개발의 초점은 WDM 시스템이 작동할 수 있는 파장 범위를 확장하는 데 있다. C 대역으로 알려진 기존 파장 창은 1525–1565 nm의 파장 범위를 커버하며, 건식 광섬유는 1300–1650 nm까지 그 범위를 확장할 수 있는 저손실 창을 약속한다. 다른 개발에는 광학 솔리톤, 즉 특정 모양의 펄스를 사용하여 광섬유의 비선형 효과로 분산 효과를 상쇄함으로써 모양을 유지하는 펄스 개념이 포함된다.

1990년대 후반부터 2000년대까지 KMI, RHK와 같은 산업 홍보 및 연구 회사들은 인터넷 사용 증가와 주문형 비디오와 같은 다양한 대역폭 집약적인 소비자 서비스의 상업화로 인해 통신 대역폭에 대한 수요가 대폭 증가할 것이라고 예측했다. 인터넷 프로토콜 데이터 트래픽은 무어의 법칙에 따라 집적 회로 복잡성이 증가하는 것보다 빠른 속도로 기하급수적으로 증가하고 있었다. 그러나 닷컴 버블 붕괴 이후 2006년까지 산업의 주요 추세는 기업의 사업 통합과 비용 절감을 위한 제조 업무위탁이었다. 버라이즌 및 AT&T와 같은 회사들은 광섬유 통신을 활용하여 다양한 고속 데이터 및 광대역 서비스를 소비자 가정에 제공했다.

2022년 러시아의 우크라이나 침공은 드론 통신에 광섬유 사용이 증가하는 것을 보았다. 전자전 재밍에 대한 복원력 덕분에 양측 모두에서 사용되고 있다.[29]

기술

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현대 광섬유 통신 시스템은 일반적으로 전기 신호를 광 신호로 변환하는 광학 송신기, 신호를 전송하는 광케이블, 광 증폭기, 그리고 신호를 다시 전기 신호로 변환하는 광학 수신기를 포함한다. 전송되는 정보는 일반적으로 컴퓨터나 전화 시스템에서 생성되는 디지털 정보이다.

송신기

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덮개를 제거한 GBIC 모듈. 이 모듈은 광학 및 전기 무선 송수신기로, 송신기와 수신기가 단일 하우징에 결합된 장치이다. 전기 커넥터는 오른쪽 상단에 있고, 광학 커넥터는 왼쪽 하단에 있다.

가장 일반적으로 사용되는 광학 송신기는 발광 다이오드 (LED) 및 반도체 레이저와 같은 반도체 소자이다. LED와 반도체 레이저의 차이점은 LED는 비결맞음 빛을 생성하는 반면, 반도체 레이저는 결맞음 빛을 생성한다는 것이다. 광통신에 사용하기 위해서는 반도체 광학 송신기가 최적의 파장 범위에서 작동하며 고주파수에서 직접 변조될 수 있도록 작고 효율적이며 신뢰할 수 있게 설계되어야 한다.

가장 간단한 형태로, LED는 자연 방출을 통해 빛을 방출하며, 이는 전기발광 현상이라고 한다. 방출되는 빛은 스펙트럼 폭이 30-60 nm로 비교적 넓고 비결맞음이다.[a] LED의 넓은 스펙트럼 폭은 더 높은 광섬유 분산에 노출되어 비트 전송률-거리 곱(유용성을 측정하는 일반적인 척도)을 상당히 제한한다. LED는 주로 10-100 Mbit/s의 비트 전송률과 수 킬로미터의 전송 거리를 가진 근거리 통신망 응용 분야에 적합하다.

LED 광 전송은 비효율적이어서 입력 전력의 약 1%, 즉 약 100 마이크로와트만이 결국 광섬유로 결합되는 전력으로 변환된다.[30]

여러 양자 우물을 사용하여 넓은 스펙트럼에 걸쳐 다른 파장에서 빛을 방출하는 LED가 개발되었으며, 현재 근거리 파장 분할 다중 (WDM) 응용 분야에서 사용되고 있다.

LED는 수직 캐비티 표면 광방출 레이저 (VCSEL) 장치로 대부분 대체되었으며, 이는 비슷한 비용으로 향상된 속도, 전력 및 스펙트럼 특성을 제공한다. 그러나 상대적으로 단순한 설계 덕분에 LED는 매우 저렴한 응용 분야에 매우 유용하다. 광섬유에서 일반적으로 사용되는 반도체 레이저 송신기 종류로는 VCSEL, 패브리-페로 간섭계 및 분포 귀환 레이저가 있다.

반도체 레이저는 자발 방출이 아닌 자극 방출을 통해 빛을 방출하며, 이는 높은 출력 전력(~100 mW)뿐만 아니라 결맞음 빛의 특성과 관련된 다른 이점들을 가져온다. 레이저의 출력은 상대적으로 지향성이 높아 단일 모드 광섬유로 높은 결합 효율(~50%)을 가능하게 한다. 일반적인 VCSEL 장치도 다중 모드 광섬유와 잘 결합된다. 좁은 스펙트럼 폭은 또한 색 분산의 영향을 줄여 높은 비트 전송률을 허용한다. 또한, 반도체 레이저는 짧은 재결합 시간 때문에 고주파수에서 직접 변조될 수 있다.

레이저 다이오드는 종종 직접 변조된다. 즉, 빛 출력은 장치에 직접 인가되는 전류에 의해 제어된다. 매우 높은 데이터 전송률 또는 매우 긴 거리 링크의 경우, 레이저 소스는 연속파로 작동될 수 있으며, 빛은 광학 변조기 (예: 전기 흡수 변조기 또는 마흐-젠더 간섭계)와 같은 외부 장치에 의해 변조된다. 외부 변조는 직접 변조된 레이저에서 선폭을 넓히는 레이저 처프를 제거하여 달성 가능한 링크 거리를 증가시키고, 광섬유의 색 분산을 증가시킨다. 매우 높은 대역폭 효율을 위해, 진폭 외에 빛의 위상을 변화시키는 결맞음 변조를 사용하여 QPSK, QAM 및 OFDM을 사용할 수 있다. "이중 편광 직교 위상 편이 변조는 동일한 속도의 기존 광 전송보다 4배 많은 정보를 효과적으로 전송하는 변조 형식이다."[31]

수신기

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광학 수신기의 주요 구성 요소는 광전 효과를 사용하여 빛을 전기로 변환하는 광검출기이다. 전기 통신용 주요 광검출기는 인듐 갈륨 비소로 만들어진다. 광검출기는 일반적으로 반도체 기반의 광다이오드이다. 여러 종류의 광다이오드에는 p-n 광다이오드, p-i-n 광다이오드 및 애벌런치 광다이오드가 포함된다. 금속-반도체-금속 (MSM) 광검출기는 신호 재생기 및 파장 분할 다중화기에서 회로 통합에 적합하기 때문에 사용되기도 한다.

빛은 광섬유를 통과하는 동안 감쇠되고 왜곡될 수 있으므로, 광검출기는 일반적으로 트랜스임피던스 증폭기 및 제한 앰프와 연결되어 들어오는 광 신호에서 복구된 전기 도메인의 디지털 신호를 생성한다. 위상동기회로에 의해 수행되는 데이터에서 클록 복원과 같은 추가 신호 처리는 데이터가 전달되기 전에 적용될 수도 있다.

결맞음 수신기는 로컬 발진기 레이저를 한 쌍의 하이브리드 커플러와 편광당 4개의 광검출기와 결합하여 고속 ADC 및 디지털 신호 처리를 통해 QPSK, QAM 또는 OFDM으로 변조된 데이터를 복구한다.

디지털 프리디스토션

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광통신 시스템 송신기는 디지털-아날로그 변환회로 (DAC), 드라이버 앰프, 그리고 마흐-젠더 변조기로 구성된다. 높은 변조 형식 (>4-QAM) 또는 높은 보드율 (>32 GBd)의 배치는 선형 및 비선형 송신기 효과로 인해 시스템 성능을 저하시킨다. 이러한 효과는 DAC 대역폭 제한 및 송신기 I/Q 타이밍 스큐로 인한 선형 왜곡과 드라이버 앰프 및 마흐-젠더 변조기의 이득 포화로 인한 비선형 효과로 분류될 수 있다. 디지털 프리디스토션은 저하 효과를 상쇄하고 56 GBd까지의 보드율과 64-QAM 및 128-QAM과 같은 변조 형식을 상용 구성 요소로 가능하게 한다. 송신기 디지털 신호 처리 장치는 샘플을 DAC로 보내기 전에 역송신기 모델을 사용하여 입력 신호에 디지털 프리디스토션을 수행한다.

이전의 디지털 프리디스토션 방법은 선형 효과만 다루었다. 최근 논문들은 비선형 왜곡도 고려한다. Berenguer et al은 마흐-젠더 변조기를 독립적인 위너 시스템으로 모델링하고 DAC와 드라이버 앰프는 절단된 시간 불변 볼테라 급수로 모델링한다.[32] Khanna et al은 송신기 구성 요소를 공동으로 모델링하기 위해 메모리 다항식을 사용한다.[33] 두 접근 방식 모두 볼테라 급수 또는 메모리 다항식 계수는 간접 학습 아키텍처를 사용하여 찾는다. Duthel et al은 마흐-젠더 변조기의 각 브랜치에 대해 다른 극성과 위상에서 여러 신호를 기록한다. 이 신호들은 광학 필드를 계산하는 데 사용된다. 동상 및 직교 필드를 교차상관하여 타이밍 스큐를 식별한다. 주파수 응답 및 비선형 효과는 간접 학습 아키텍처에 의해 결정된다.[34]

광섬유 케이블 유형

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광섬유를 운반할 수 있는 도관이 있는 케이블 릴 트레일러
지하 서비스 피트의 다중 모드 광섬유

광케이블은 코어, 클래딩, 그리고 버퍼(보호용 외부 코팅)로 구성되며, 클래딩은 전반사 방법을 사용하여 코어를 따라 빛을 유도한다. 코어와 클래딩(굴절률이 더 낮은)은 일반적으로 고품질의 실리카 유리로 만들어지지만, 둘 다 플라스틱으로 만들어질 수도 있다. 두 광섬유를 연결하는 것은 융착 접속 또는 기계적 접속을 통해 이루어지며, 광섬유 코어를 정밀하게 정렬해야 하는 미시적인 정밀도 때문에 특별한 기술과 상호 연결 기술이 필요하다.[35]

광통신에 사용되는 두 가지 주요 광섬유 유형은 다중 모드 광섬유와 단일 모드 광섬유이다. 다중 모드 광섬유는 코어가 더 크고 (≥ 50 마이크로미터), 덜 정밀하고 저렴한 송수신기를 연결할 수 있으며 더 저렴한 커넥터를 사용할 수 있다. 그러나 다중 모드 광섬유는 다중 모드 왜곡을 유발하여 링크의 대역폭과 길이를 종종 제한한다. 또한, 도펀트 함량이 높기 때문에 다중 모드 광섬유는 일반적으로 비싸고 감쇠가 더 높다. 단일 모드 광섬유의 코어는 더 작고 (< 10 마이크로미터) 더 비싼 부품과 상호 연결 방법이 필요하지만, 훨씬 더 길고 고성능 링크를 허용한다. 단일 모드 및 다중 모드 광섬유 모두 다양한 등급으로 제공된다.

광섬유 등급 비교[36]
광섬유 유형도입성능
MMF FDDI 62.5/125 µm19870160 MHz·km @ 850 nm
MMF OM1 62.5/125 µm19890200 MHz·km @ 850 nm
MMF OM2 50/125 µm19980500 MHz·km @ 850 nm
MMF OM3 50/125 µm20031500 MHz·km @ 850 nm
MMF OM4 50/125 µm20083500 MHz·km @ 850 nm
MMF OM5 50/125 µm20163500 MHz·km @ 850 nm + 1850 MHz·km @ 950 nm
SMF OS1 9/125 µm19981.0 dB/km @ 1300/1550 nm
SMF OS2 9/125 µm20000.4 dB/km @ 1300/1550 nm

광섬유를 상업적으로 실현 가능한 제품으로 포장하기 위해, 일반적으로 자외선 경화 아크릴레이트 중합체를 사용하여 보호 코팅하고 케이블로 조립한다. 그 후, 구리 케이블과 유사한 방식으로 땅에 매설하고 건물 벽을 통과하며 공중으로 배치할 수 있다. 이 광섬유는 일단 배치되면 일반적인 꼬임쌍선보다 유지 보수가 덜 필요하다.[37]

장거리 해저 데이터 전송에는 특수 케이블이 사용된다. 예를 들어, 대서양 횡단 통신 케이블이 있다. 새로운 (2011~2013년) 상업 기업이 운영하는 케이블(에메랄드 아틀란티스, 히베르니아 아틀랜틱)은 일반적으로 4개의 광섬유 가닥을 가지며, 신호는 대서양(뉴욕-런던)을 60~70밀리초 내에 횡단한다. 2011년 기준으로 각 케이블의 비용은 약 3억 달러였다.[38]

또 다른 일반적인 방법은 예를 들어 광학 접지선을 사용하여 장거리 동력선 케이블 내에 많은 광섬유 가닥을 묶는 것이다. 이는 전력 전송권을 효과적으로 활용하고, 전력 회사가 자체 장치 및 회선을 모니터링하는 데 필요한 광섬유를 소유 및 제어할 수 있도록 보장하며, 변조에 효과적으로 면역이 되고, 스마트 그리드 기술 배치를 단순화한다.

증폭

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광섬유 통신 시스템의 전송 거리는 전통적으로 광섬유 감쇠 및 광섬유 왜곡에 의해 제한되었다. 광전 중계기를 사용함으로써 이러한 문제가 제거되었다. 이 중계기는 신호를 전기 신호로 변환한 다음 송신기를 사용하여 수신된 것보다 더 높은 강도로 신호를 다시 전송하여 이전 구간에서 발생한 손실을 상쇄한다. 현대의 파장 분할 다중화 신호는 복잡성이 높고, 약 20 km (12 mi)마다 설치해야 한다는 사실을 포함하여 이러한 중계기의 비용이 매우 높다.

대안적인 접근 방식은 신호를 전기 영역으로 변환할 필요 없이 광 신호를 직접 증폭하는 광 증폭기를 사용하는 것이다. 일반적인 광 증폭기 유형 중 하나는 어븀 첨가 광섬유 증폭기 (EDFA)이다. 이들은 도핑된 길이의 광섬유에 희토류 금속 어븀을 첨가하고 통신 신호보다 짧은 파장(일반적으로 980 nm)의 빛으로 레이저 펌핑하여 만든다. EDFA는 1550 nm에서 ITU C 대역에서 이득을 제공한다.

광 증폭기는 전기 중계기에 비해 여러 가지 중요한 장점이 있다. 첫째, 광 증폭기는 한 번에 수백 개의 다중화된 채널을 포함할 수 있는 매우 넓은 대역을 증폭할 수 있으므로 각 증폭기에서 신호를 역다중화할 필요가 없다. 둘째, 광 증폭기는 데이터 속도 및 변조 형식과 독립적으로 작동하므로 여러 데이터 속도 및 변조 형식이 공존할 수 있고 모든 중계기를 교체할 필요 없이 시스템의 데이터 속도를 업그레이드할 수 있다. 셋째, 광 증폭기는 동일한 기능을 가진 중계기보다 훨씬 간단하며 따라서 훨씬 더 신뢰할 수 있다. 광 증폭기는 새로운 설치에서 중계기를 대부분 대체했지만, 증폭 이상의 신호 조절이 필요한 경우에는 전자 중계기가 여전히 널리 사용된다.

파장 분할 다중

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파장 분할 다중화(WDM)는 서로 다른 파장의 여러 광선을 광섬유를 통해 전송하여 단일 광섬유를 통해 여러 정보 채널을 전송하는 기술이다. 이를 통해 광섬유의 가용 용량을 배가할 수 있다. 이를 위해서는 송신 장비에 파장 분할 다중화기가 필요하고 수신 장비에 역다중화기(본질적으로 분광기)가 필요하다. 배열 도파관 격자는 WDM에서 다중화 및 역다중화에 일반적으로 사용된다.[39] 현재 상업적으로 사용 가능한 WDM 기술을 사용하면 광섬유의 대역폭을 최대 160개 채널로 나눌 수 있으며,[40] 총 비트 전송률은 1.6 Tbit/s 범위에 이른다.

매개변수

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대역폭–거리 곱

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분산의 효과는 광섬유의 길이에 따라 증가하기 때문에, 광섬유 전송 시스템은 종종 대역폭–거리 곱으로 특성화되며, 일반적으로 MHz·km 단위로 표현된다. 이 값은 대역폭과 거리의 곱인데, 신호의 대역폭과 전송될 수 있는 거리 사이에 상충 관계가 있기 때문이다. 예를 들어, 대역폭–거리 곱이 500 MHz·km인 일반적인 다중 모드 광섬유는 1 km 거리에서 500 MHz 신호를 전송하거나 0.5 km 거리에서 1000 MHz 신호를 전송할 수 있다.

기록적인 속도

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파장 분할 다중을 사용하면 각 광섬유는 다른 파장의 빛을 사용하여 많은 독립적인 채널을 전송할 수 있다. 광섬유당 순 데이터 전송률(오버헤드 바이트 제외)은 정방향 오류 정정 (FEC) 오버헤드를 제외한 채널당 데이터 전송률에 채널 수(일반적으로 상업용 밀집 WDM 시스템에서는 2008년 기준 기준으로 최대 80개)를 곱한 값이다.

표준 광섬유 케이블

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다음은 표준 통신 등급 단일 모드, 단일 고체 코어 광섬유 케이블을 사용한 연구를 요약한 것이다.

연도 기관 총 속도 대역폭 스펙트럼 효율, (bit/s)/Hz WDM 채널 채널당 속도 거리
2009 알카텔-루슨트[41] 15.5 Tbit/s 155 100 Gbit/s 7000 km
2010 NTT[42] 69.1 Tbit/s 432 171 Gbit/s 240 km
2011 NEC[43] 101.7 Tbit/s 370 273 Gbit/s 165 km
2011 KIT[44][45] 26 Tbit/s 336[A] 77 Gbit/s 50 km
2016 BT & 화웨이[46] 5.6 Tbit/s 28 200 Gbit/s ~140 km?
2016 노키아 벨 연구소, 도이체 텔레콤 & 뮌헨 공과대학교[47][48] 1 Tbit/s 5–6.75 4 250 Gbit/s 419–951 km
2016 노키아-알카텔-루슨트[49] 65 Tbit/s 6600 km
2017 BT & 화웨이[50] 11.2 Tbit/s 6.25 28 400 Gbit/s 250 km
2020 RMIT, 모나쉬 & 스윈번 대학교[51][52] 39.0–40.1 Tbit/s ~4 THz 10.4 (10.1–10.4) 160[A] 244 Gbit/s 76.6 km
2020 UCL[53] 178.08 Tbit/s 16.83 THz 10.8 660 (S, C, L 대역) 270 Gbit/s 40 km
2023 NICT[54] 301 Tbit/s 27.8 THz 10.8 1097 (E, S, C, L 대역) 250–300 Gbit/s 50–150 km
2024 NICT[55] 402 Tbit/s 37.6 THz 10.7 1505 (O, E, S, C, L, U 대역) 170–320 Gbit/s 50 km
  1. 1 2 모든 채널을 구동하는 데 단일 소스를 사용했습니다.

특수 케이블

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다음 표는 특수 다중 코어 또는 다중 모드 광섬유를 사용한 결과를 요약한 것이다.

연도 기관 총 속도 코어당 속도 대역폭 스펙트럼 효율, (bit/s)/Hz 전파 모드 수 코어 수 WDM 채널 (코어당) 채널당 속도 거리
2011 NICT[43] 109.2 Tbit/s 15.6 Tbit/s 7
2012 NEC, 코닝[56] 1.05 Pbit/s 87.5 Tbit/s 12 52.4 km
2013 사우샘프턴 대학교[57] 73.7 Tbit/s 73.7 Tbit/s 1 (중공) 3 × 96 (모드 DM)[58] 256 Gbit/s 310 m
2014 덴마크 공과대학교[59] 43 Tbit/s 6.14 Tbit/s 7 1045 km
2014 아인트호벤 공과대학교 (TU/e) 및 센트럴 플로리다 대학교 (CREOL)[60] 255 Tbit/s 36.4 Tbit/s 7 50 ~728 Gbit/s 1 km
2015 NICT, 스미토모 전기 및 RAM 포토닉스[61] 2.15 Pbit/s 97.7 Tbit/s 22 402 (C, L 대역) 243 Gbit/s 31 km
2017 NTT[62] 1 Pbit/s 31.25 Tbit/s 단일 모드 32 46 680 Gbit/s 205.6 km
2017 KDDI 연구 및 스미토모 전기[63] 10.16 Pbit/s 535 Tbit/s 6-모드 19 739 (C, L 대역) 120 Gbit/s 11.3 km
2018 NICT[64] 159 Tbit/s 159 Tbit/s 삼중 모드 1 348 414 Gbit/s 1045 km
2020 NICT[65] 10.66 Pbit/s 280.5 Tbit/s 9.2 THz 30.5 삼중 모드 38 368 (C, L 대역) 762 Gbit/s 13 km
2021 NICT[66] 319 Tbit/s 79.8 Tbit/s 단일 모드 4 552 (S, C, L 대역) 144.5 Gbit/s 3001 km (69.8 km)
2022 NICT[67][68][69] 1.02 Pbit/s 255 Tbit/s 4 801 (S, C, L 대역) 51.7 km
2022[A] 덴마크 공과대학교[70][71] 1.84 Pbit/s 49.7 Tbit/s 37 223 223 Gbit/s 7.9 km
2022 NICT[72][73][74] 1.53 Pbit/s 1.53 Pbit/s 4.6 THz 332 55 (110-MIMO 멀티플렉서) 1 184 (C-대역) 1.03 Tbit/s 25.9 km
2023 NICT[75] 22.9 Pbit/s 603 Tbit/s 18.8 THz 32 삼중 모드 38 750 (S, C, L 대역) 803.5 Gbit/s 13 km
  1. ↑ 포토닉 칩을 이용한 새로운 처리량 기록.

새로운 기술

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DTU, 후지쿠라, NTT의 연구는 광학 장치의 전력 소비를 주류 기술에 비해 약 5%로 줄이는 데 성공했다는 점에서 주목할 만하다. 이는 매우 전력 효율적인 새로운 세대의 광학 부품으로 이어질 수 있다.

연도 기관 실효 속도 전파 모드 수 코어 수 WDM 채널 (코어당) 채널당 속도 거리
2018 하오 후, 외 (DTU, 후지쿠라 & NTT)[76] 768 Tbit/s (661 Tbit/s) 단일 모드 30 80 320 Gbit/s

호주 멜버른의 RMIT 대학교에서 수행된 연구는 빛의 파동을 나선형으로 비틀어 데이터를 전송하는 나노포토닉 장치를 개발하여 현재 달성 가능한 광섬유 속도를 100배 증가시켰다.[77] 이 기술은 궤도 각운동량(OAM)이라고 알려져 있다. 나노포토닉 장치는 매우 얇은 시트를 사용하여 밀리미터의 작은 부분에 비틀린 빛을 측정한다. 나노 전자 장치는 USB 커넥터보다 작은 커넥터 내에 내장되어 있으며 광섬유 케이블 끝에 장착될 수 있다.[78]

분산

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현대 유리 광섬유의 경우, 최대 전송 거리는 직접적인 물질 흡광이 아니라 분산, 즉 광 펄스가 광섬유를 따라 이동하면서 퍼지는 현상에 의해 제한된다. 분산은 광섬유의 대역폭을 제한하는데, 이는 퍼지는 광 펄스가 광섬유에서 펄스가 서로 이어지는 속도를 제한하여 수신기에서 여전히 구별할 수 있도록 하기 때문이다. 광섬유의 분산은 다양한 요인에 의해 발생한다.

서로 다른 횡모드의 다른 축 속도로 인해 발생하는 모드 간 분산은 다중 모드 광섬유의 성능을 제한한다. 단일 모드 광섬유는 단일 횡모드만 지원하므로 모드 간 분산은 제거된다.

단일 모드 광섬유의 성능은 주로 색 분산에 의해 제한되는데, 이는 유리의 지수가 빛의 파장에 따라 약간 달라지기 때문이며, 변조로 인해 광 송신기에서 나오는 빛은 필연적으로 (좁은) 파장 범위를 차지한다. 또 다른 제한 원인인 편광 모드 분산은 단일 모드 광섬유가 단일 횡모드를 유지할 수 있지만 두 가지 다른 편광으로 이 모드를 전달할 수 있고, 광섬유의 미세한 불완전성이나 왜곡이 두 편광의 전파 속도를 변경할 수 있기 때문에 발생한다. 이 현상을 복굴절이라고 하며, 편광 유지 광섬유로 상쇄할 수 있다.

일부 분산, 특히 색 분산은 분산 보상기로 제거할 수 있다. 이는 전송 광섬유에 의해 유도된 분산과 반대되는 분산을 갖는 특수하게 준비된 광섬유 길이를 사용하여 작동하며, 이는 펄스를 날카롭게 하여 전자 장치에 의해 올바르게 디코딩될 수 있도록 한다.

감쇠

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광섬유 감쇠는 흡광, 레일리 산란, 미 산란 및 광섬유 커넥터의 손실 조합으로 인해 발생한다. 순수 실리카의 물질 흡수율은 약 0.03 dB/km에 불과하다. 초기 광섬유의 불순물은 약 1000 dB/km의 감쇠를 유발했다. 현대 광섬유는 약 0.3 dB/km의 감쇠를 가진다. 다른 형태의 감쇠는 광섬유에 가해지는 물리적 스트레스, 밀도의 미세한 변동, 그리고 불완전한 접속 기술로 인해 발생한다.[79]

전송 창

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감쇠 및 분산에 기여하는 각 효과는 광학 파장에 따라 달라진다. 이러한 효과가 가장 약한 파장 대역(또는 창)이 있으며, 이들은 전송에 가장 유리하다. 이러한 창은 표준화되었다.[80]

광섬유 통신을 위한 표준 대역
대역 설명 파장 범위
O 대역 원래 1260–1360 nm
E 대역 확장 1360–1460 nm
S 대역 단파장 1460–1530 nm
C 대역 기존 (어븀 창) 1530–1565 nm
L 대역 장파장 1565–1625 nm
U 대역 초장파장 1625–1675 nm

이 표는 현재 기술이 원래 분리되어 있던 E 및 S 창을 연결하는 데 성공했음을 보여준다.

역사적으로, O 대역보다 짧은 파장 대역인 첫 번째 창이 800–900 nm에 있었지만, 이 영역은 손실이 높기 때문에 주로 단거리 통신에 사용되었다. 현재 1300 nm 주변의 낮은 창(O 및 E)은 훨씬 낮은 손실을 가진다. 이 영역은 분산이 0이다. 1500 nm 주변의 중간 창(S 및 C)이 가장 널리 사용된다. 이 영역은 가장 낮은 감쇠 손실을 가지며 가장 긴 도달 거리를 달성한다. 일부 분산이 존재하므로, 이를 해결하기 위해 분산 보상 장치가 사용된다.

재생

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통신 링크가 기존 광섬유 기술이 가능한 것보다 더 넓은 거리를 연결해야 할 때, 신호는 링크의 중간 지점에서 광통신 중계기에 의해 재생되어야 한다. 중계기는 통신 시스템에 상당한 비용을 추가하므로 시스템 설계자는 그 사용을 최소화하려고 노력한다.

광섬유 및 광통신 기술의 최근 발전으로 신호 저하가 수백 킬로미터 이상의 거리에서만 광 신호 재생이 필요한 지점까지 감소했다. 이로 인해 광통신망, 특히 중계기의 비용과 신뢰성이 전체 케이블 시스템의 성능을 결정하는 핵심 요소 중 하나인 해저 구간에서 광통신망 비용이 크게 절감되었다. 이러한 성능 향상에 기여하는 주요 발전은 비선형성에 대한 분산 효과의 균형을 맞추려는 분산 관리와 광섬유의 비선형 효과를 사용하여 장거리에서 분산 없는 전파를 가능하게 하는 솔리톤이다.

라스트 마일

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광섬유 시스템은 고대역폭 응용 분야에서 탁월하지만, 라스트 마일 문제는 가입자망 광케이블의 보급이 느려 해결되지 않고 있다. 그러나 광섬유 가입자망 (FTTH) 배치가 가속화되었다. 예를 들어 일본에서는 EPON이 광대역 인터넷 소스로서 DSL을 대부분 대체했다. 가장 큰 FTTH 배치는 일본, 한국, 중국에 있다. 싱가포르는 2012년 완공 예정인 전 광섬유 차세대 전국 광대역 네트워크(Next Gen NBN) 구현을 시작했으며, OpenNet에서 설치하고 있다. 2010년 9월 서비스를 시작한 이래 싱가포르의 네트워크 커버리지는 전국 85%에 도달했다.

미국에서는 버라이즌 커뮤니케이션즈가 기존 서비스 지역 내의 고평균 가입자당 수익 시장을 대상으로 FiOS라는 FTTH 서비스를 제공한다. 다른 주요 현직 지역 전화 회사인 AT&T는 가정으로 꼬임쌍선을 사용하는 U-verse라는 파이버 투 더 노드 (FTTN) 서비스를 사용한다. 이들의 MSO 경쟁사들은 광동축 혼합망을 사용하여 동축 케이블을 이용한 FTTN을 사용한다. 모든 주요 액세스 네트워크는 서비스 제공자의 네트워크에서 고객까지 대부분의 거리에 광섬유를 사용한다.

전 세계적으로 지배적인 액세스 네트워크 기술은 이더넷 수동 광통신망 (EPON)이다. 유럽과 미국의 통신 회사들 사이에서는 ATM 기반의 광대역 PON (BPON)과 기가비트 PON (GPON)이 전체 서비스 액세스 네트워크 (FSAN) 및 국제전기통신연합-전기통신표준화부문 (ITU-T) 표준화 기관의 통제하에 뿌리를 두었다.

전기 전송과의 비교

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지하 케이블에 접근하고 접합하는 데 사용되는 이동식 광섬유 접합 연구실
열린 지하 광섬유 접합 인클로저

특정 시스템에 대해 광섬유와 전기(또는 구리) 전송 중 하나를 선택하는 것은 여러 가지 상충 관계를 기반으로 한다. 광섬유는 일반적으로 더 높은 대역폭을 요구하거나, 혹독한 환경에서 작동하거나, 전기 케이블링이 수용할 수 있는 것보다 더 긴 거리를 연결하는 시스템에 선택된다.

광섬유의 주요 이점은 예외적으로 낮은 손실(중계기 간 장거리 허용), 접지 전류 및 기타 장거리 병렬 전기 도체에서 흔히 발생하는 기생 신호 및 전력 문제 부재(전송에 전기 대신 빛에 의존하고 광섬유의 유전체 특성 때문), 그리고 본질적으로 높은 데이터 전송 용량이다. 단일 고대역폭 광섬유 케이블을 대체하려면 수천 개의 전기 링크가 필요할 것이다. 광섬유의 또 다른 이점은 장거리로 서로 나란히 놓여 있어도 광섬유 케이블은 일부 유형의 전기 전송선로와 달리 사실상 누화가 발생하지 않는다는 것이다. 광섬유는 동력선 및 철도 선로와 같이 전자파장애 (EMI)가 높은 지역에 설치할 수 있다. 비금속 전유전체 케이블은 낙뢰 발생률이 높은 지역에도 이상적이다.

비교하자면, 2킬로미터보다 긴 단일 회선, 음성 등급 구리 시스템은 만족스러운 성능을 위해 인라인 신호 중계기가 필요하지만, 광학 시스템은 100 킬로미터 (62 mi) 이상을 능동 또는 수동 처리 없이 가는 것이 드물지 않다.

광섬유는 전기 도체보다 접합하기가 더 어렵고 비용이 많이 든다. 그리고 고전력에서는 광섬유가 광섬유 퓨즈에 취약하여 광섬유 코어가 파괴되고 전송 구성 요소가 손상될 수 있다.[81]

단거리 및 비교적 낮은 대역폭 응용 분야에서는 비용이 저렴하기 때문에 전기 전송이 종종 선호된다. 광통신은 짧은 박스 간, 백플레인, 또는 칩 간 응용 분야에서는 흔하지 않다.

특정 상황에서는 광섬유가 단거리 또는 저대역폭 응용 분야에서도 다른 중요한 기능 때문에 사용될 수 있다.

  • 전자기 간섭, including 핵 전자기 펄스에 대한 내성.
  • 높은 전기저항, 고전압 장비 근처 또는 다른 대지 전위를 가진 지역 간에 안전하게 사용할 수 있게 한다.
  • 더 가벼운 무게 – 예를 들어 항공기에서 중요.
  • 아크 발생 가능성 없음 – 가연성 또는 폭발성 가스 환경에서 중요.[82]
  • 전자기 방사 없음, 신호를 방해하지 않고 도청하기 어려움 – 높은 보안 환경에서 중요.
  • 훨씬 작은 케이블 크기 – 기존 건물을 네트워크화하는 경우와 같이 경로가 제한적인 곳에서 중요하며, 더 작은 채널을 뚫고 기존 케이블 덕트 및 트레이에서 공간을 절약할 수 있다.
  • 비금속 전송 매체로 인한 부식 저항

광섬유 케이블은 구리 및 동축 케이블을 설치하는 데 사용되는 것과 동일한 장비를 사용하여 건물에 설치할 수 있으며, 광케이블의 작은 크기와 허용되는 당김 장력 및 굽힘 반경 제한으로 인해 일부 수정이 필요하다.

지배 표준

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다양한 제조업체가 광섬유 통신 시스템에서 호환 가능하게 작동하는 구성 요소를 개발할 수 있도록 여러 표준이 개발되었다. 국제전기통신연합은 광섬유 자체의 특성 및 성능과 관련된 여러 표준을 발행하며, 여기에는 다음이 포함된다.

  • ITU-T G.651, "50/125 μm 다중 모드 등급 지수 광섬유 케이블의 특성"
  • ITU-T G.652, "단일 모드 광섬유 케이블의 특성"

다른 표준은 시스템에서 함께 사용될 광섬유, 송신기 및 수신기의 성능 기준을 지정한다. 이러한 표준 중 일부는 다음과 같다.

토스링크는 플라스틱 광섬유를 사용하여 디지털 소스를 디지털 수신기에 연결하는 가장 일반적인 디지털 오디오 케이블 형식이다.

각주

[편집]
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내용주
  1. ↑ 통신용 LED는 주로 인듐 갈륨 비소 인화물 (InGaAsP) 또는 비소화 갈륨 (GaAs)으로 만들어진다. InGaAsP LED는 GaAs LED보다 긴 파장(1.3 마이크로미터 vs. 0.81-0.87 마이크로미터)에서 작동하므로, 에너지 면에서는 동일하지만 파장 면에서는 약 1.7배 더 넓은 출력 스펙트럼을 갖는다.

같이 보기

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외부 링크

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