광통신에서 광신호의 장거리 전송에 필요한{0}}광도파로는 광섬유(또는 간단히 말해 광섬유라고 불리는 원통형 유전체 도파관)입니다.광섬유). 광섬유는 광 주파수에서 작동하는 유전체 도파관으로, 빛 에너지가 축과 평행한 방향을 따라 전파되도록 안내합니다.
광섬유의 구조와 분류
광섬유의 구조:
OF(Optical Fiber)는 빛을 안내하는 데 사용되는 투명한 유전체 섬유입니다. 실제 광섬유는 여러 개의 투명 유전층으로 구성됩니다. 그림 2-1에서 볼 수 있듯이 광섬유의 일반적인 구조는 굴절률이 높은 코어, 굴절률이 낮은 클래딩, 외부 코팅의 세 가지 층으로 나눌 수 있습니다. 코어와 클래딩의 구조는 광 유도 요구 사항을 충족하여 코어를 따라 광파의 전파를 제어합니다. 코팅은 주로 보호 기능을 수행합니다(빛을 유도하지 않기 때문에 다양한 색상으로 염색 가능).
(그림 2-1 일반적인 광섬유의 구조)
(1) 광섬유 코어 광섬유 코어는 광섬유(직경 5~80μm)의 중앙에 위치합니다. 그 구성은 고순도 이산화규소이며 이산화게르마늄 및 오산화인과 같은 도펀트가 미량 첨가되어 있습니다. 이러한 소량의 도펀트를 첨가하는 목적은 섬유 코어의 굴절률(n)을 적절하게 높이기 위한 것입니다. 통신용 광섬유의 경우 코어 직경은 5~10μm(단일-모드 광섬유) 또는 50~80μm(다중모드 광섬유)입니다.
(2) 클래딩: 클래딩은 섬유 코어 주위에 위치하며(직경 약 125μm), 그 구성도 미량의 도펀트를 함유한 고순도-이산화규소입니다. 도펀트(예: 삼산화붕소)의 역할은 클래딩의 광학 굴절률(n2)을 적절하게 줄여 섬유 코어의 굴절률보다 약간 낮게 만드는 것입니다. 다양한 도광 요구 사항을 충족하기 위해 클래딩을 단일 레이어 또는 다중 레이어로 만들 수 있습니다.
(3) 코팅된 광섬유의 가장 바깥쪽 층은 아크릴레이트, 실리콘 고무, 나일론으로 구성된 코팅으로 광섬유의 기계적 강도와 유연성을 높입니다. 코팅은 크게 1차 코팅과 2차 코팅으로 구분됩니다. 2차 코팅은 1차 코팅 위에 열가소성 소재를 추가한 층이므로 클래딩이라고도 합니다. 코팅된 광섬유의 외경은 일반적으로 약 1.5cm이다.
광섬유 코어의 두께, 코어 재료의 굴절률 분포, 클래딩 재료의 굴절률은 광섬유의 전송 특성에 결정적인 역할을 합니다. 클래딩 재료는 일반적으로 굴절률이 일정한 균질 재료입니다. 클래딩층이 여러 개인 경우 각 클래딩층의 굴절률이 다릅니다. 섬유 코어의 굴절률은 균일할 수도 있고 코어 반경 r을 따라 달라질 수도 있습니다. 따라서 반경에 따른 굴절률 분포 함수 n(r)은 코어 굴절률의 변화를 특성화하는 데 일반적으로 사용됩니다.
광섬유의 분류:
다음은 이미지의 텍스트를 영어로 번역한 것입니다.
"현재 광섬유에는 여러 종류가 있지만 분류 방법은 일반적으로 섬유 굴절률 분포에 따른 분류, 전송 모드에 따른 분류, 작업 파장에 따른 분류, 재킷 및 클래딩 재료에 따른 분류의 4가지 범주로 나뉩니다. 또한 광섬유 구성 요소의 구성에 따라 가장 일반적으로 사용되는 실리카 광섬유 외에 불화물 광섬유와 플라스틱 광섬유도 있습니다.
(1) 섬유 굴절률 분포에 따른 분류: SIF(Step Index Fiber)와 GIF(Graded Index Fiber)로 나눌 수 있습니다.
1. 스텝 인덱스 광섬유: 굴절률 분포가 균일하고 값이 일정하며 굴절률 분포가 계단형 -층 구조를 나타내는 섬유 코어 및 클래딩 영역을 말합니다. 굴절률의 변화는 단계-와 유사합니다. 스텝 인덱스 광섬유의 굴절률 분포는 그림 2-2에 나와 있습니다.
굴절률 분포 표현은 다음과 같습니다.
n(r) = {n₁(r은 a보다 작거나 같음₁)
{n₂ (a₁< r a보다 작거나 같음₂)
스텝 인덱스 광섬유는 광섬유의 초기 구조 형태입니다. 나중에 다중 모드 광섬유에서는 점차적으로 등급형 인덱스 광섬유로 대체되었습니다(등급형 인덱스 광섬유는 다중 모드 광섬유의 모달 색상 분산을 크게 줄일 수 있기 때문입니다). 그러나 광섬유에서 펄스 광을 전송하는 데 이를 사용하는 것이 여전히 비교적 일반적입니다. 현재 상업용 광섬유의 주요 제품인 싱글-모드 광섬유가 멀티모드 광섬유를 점차 대체하게 되면서, 스텝 인덱스 광섬유 구조는 싱글-모드 광섬유-의 유일한 구조 형태가 되었습니다. 계단형-이어야 합니다.
2.Graded index 광섬유: 굴절률 분포가 반경 r에 따라 달라지는 광섬유를 말합니다. 중심으로부터의 거리가 증가하고 점차 감소함에 따라 반경은 점차 작아집니다. 변형 규칙은 일반적으로 거듭제곱 지수 규칙을 따릅니다. 파이버 코어 및 클래딩 인터페이스에 도달하면 클래딩에 해당하는 값으로 잘립니다. 클래딩 영역에서는 굴절률 분포가 균일합니다. 즉, n²입니다. 경사형 굴절률 광섬유의 굴절률 분포는 그림 2-3에 나와 있습니다."
굴절률 분포는 다음과 같이 표현됩니다.
"방정식에서 g는 굴절률 분포 수입니다. 이는 다양한 굴절률 분포에서 서로 다른 값을 나타냅니다. n₁는 섬유 코어 중심의 굴절률, n²는 클래딩의 굴절률, a₁는 코어 반경, Δ는 상대 굴절률 차이, Δ=(n₁² - n²²)/2n₁²=(n₁ - n²)/n₁.
경사형 인덱스 광섬유의 모드 간 분산이 감소하는 주된 이유는 모드 분산을 줄이고 전송 거리를 연장하며 전송 용량을 증가시키기 때문입니다.
(2) 전송 모드에 따른 분류:다중-모드 광섬유(MMF)와 단일 모드 광섬유(SMF)로 나눌 수 있습니다. 이름에서 알 수 있듯이 다중 모드 광섬유는 여러 모드를 전송할 수 있는 반면, 단일{2}}모드 광섬유는 기본 모드와 전기장 모드만 전송할 수 있습니다. 일반적으로 차세대 전송 솔루션은 다중 모드 광섬유보다 훨씬 더 멀리 전송할 수 있는 단일{4}}모드 광섬유가 지배해야 한다고 믿어집니다. 전송 매체의 손실과 분산이 동일할 때 단일{6}}모드 변조 후의 정보 전달 용량은 다중 모드 변조 후의 정보 전달 용량보다 훨씬 높습니다.
특정 작동 파장 조건에서는 광섬유에 많은 전송 모드가 있으며 이러한 광섬유 모드는 다중 모드 광섬유입니다. 다중 모드 광섬유의 모드 굴절률은 광섬유 코어의 굴절률과 거의 동일하며 모드 수는 V(정규화 주파수)의 제곱에 대략 비례합니다. 따라서 등급 다중 모드 광섬유라고도 합니다. 나중에 점차적으로 등급형 인덱스 광섬유가 되었습니다.
특정 작동 파장 조건에서 광섬유에 전송 모드가 하나만 있는 경우 이를 단일-모드 광섬유라고 합니다. 단일- 모드 광섬유는 기본 모드(축 모드)만 전송할 수 있으며 이 모드에서 전송할 때 모드 간 분산이 없습니다. 다수의 고차-차수 모드를 갖는 다중 모드 광섬유와 비교할 때 이는 고속 광섬유 통신 시스템에 매우 유용합니다.
(3) 작동 파장에 따른 분류: 단파장-광섬유와 장-파장 광섬유로 나눌 수 있다.
1.단-파장 광섬유: 광섬유 통신 개발 초기 단계에서 일반적으로 사용되는 파장은 0.6 ~ 0.9 μm였습니다. 당시 주된 이유는 이 파장 대역에서 작동하는 반도체 레이저 광원과 검출기가 상대적으로 성숙했고, 단파장 광섬유가 주요 제품이었기 때문입니다. 현재는 거의 사용되지 않습니다.
2. 장-파장 광섬유: 연구가 계속됨에 따라 1.31 μm 및 1.55 μm의 파장 대역에 진입하면 이 두 파장 대역은 낮은 손실, 제로 분산 및 최소 굽힘 손실 특성을 나타냅니다. 따라서 연구 작업은 점차 이 두 파장 대역으로 이동했으며 더 나은 성능을 가진 광섬유가 등장했습니다. 실제 사례에서는 1.0~2.0μm의 파장에서 광섬유가 단파장 광섬유에 비해 손실이 낮다는 것이 입증되었습니다.-
(4) 장-파장 광섬유는 낮은 감쇠 및 넓은 대역폭 등의 장점으로 인해 특히 장거리-고용량 광섬유 통신에 적합합니다.
1.기존 광섬유: 광섬유 코어에 게르마늄이 도핑되어 있고 클래딩과 코어 굴절률 분포가 일정 비율로 결합된 광섬유를 말합니다. 이러한 유형의 광섬유는 특성이 좋고 생산이 상대적으로 쉽기 때문에 여러 세대의 개선을 거쳤습니다.
이는 게르마늄을 원료로 한 소재의 팽창계수가 높기 때문이다. 저온에서는 수축하고 갈라질 수 있습니다. 응력 복굴절이 발생하여 광섬유에 비대칭성이 추가됩니다.
2.분산-이동 광섬유: 게르마늄을 도핑한 후 열처리하여 영-분산점을 파장의 3~3배가 아닌 하나의 파장으로 이동시키는 광섬유를 말한다.
이러한 유형의 광섬유의 제조 공정은 상대적으로 복잡합니다. 그중에서도 광섬유를 최적화하려면 코어 직경이 도핑 정도와 일치해야 합니다. 따라서 아직 널리 사용되지는 않았습니다."
