광학 파이버
광학 파이버란 무엇인가요?
광학 파이버는 전선이 전기를 전달하는 것처럼 먼 거리에 걸쳐 빛을 전송하는 머리카락처럼 가느다란 유리 또는 플라스틱으로 만들어진 가닥입니다. 그리고 전자 통신, 데이터 통신, 레이저 빔 전달, 감지, 의료 응용 분야 등에 광범위하게 사용됩니다.
광학 파이버는 현대 생활에 큰 영향을 끼쳤습니다. 사실, 지금 이 웹 페이지에 표시된 단어들도 웹 서버에서 사용자의 기기로 전송되는 과정 중 적어도 일부 구간에서는 광학 파이버를 통해 전송된 것이 거의 확실합니다.
전자 통신 외에도 광학 파이버는 수술 시스템 및 고출력 산업용 레이저 시스템의 레이저 빔 전달을 포함해 다른 많은 방식으로 사용됩니다. 또한 건물, 교량 및 발전소용 내비게이션 시스템 및 감지 시스템의 구성 요소입니다. 그리고 기타 여러 특수 용도도 있습니다.
작동 원리
광학 파이버 케이블은 수도관과 거의 같은 방식으로 작동합니다. 빛은 한쪽 끝으로 들어가서 다른 쪽 끝으로 나옵니다. 그리고 수도관과 마찬가지로 광학 파이버가 이동하는 경로는 실제로 수 킬로미터까지 길 수 있으며 굽은 부분과 커브를 통과할 수 있습니다. 이러한 속성은 광학 파이버를 시스템에 구현할 수 있는 방식 측면에서 엄청난 유연성(과장 없이!)을 제공합니다. 손실이 거의 없이 장거리에 걸쳐서도 빛을 전송할 수 있는 기능과 더불어 이는 광학 파이버의 광범위한 활용과 상업적 성공을 보여주는 것입니다.
광학 파이버의 기본 작동 메커니즘은 실제로 매우 간단합니다. 가장 기본적인 광학 파이버는 낮은 굴절률을 가진 '클래딩(Cladding)'이라고 하는 두 번째 재료로 둘러싸인 원형 단면 코어로 구성됩니다.
적절한 각도에서 광학 파이버의 한쪽 끝으로 유입된 빛은 코어를 통과하고 다른 쪽 끝에서 빛이 나올 때까지 코어 내부에 유지됩니다. 이러한 현상은 내부 전반사로 인해 일어납니다. 즉, 재료에서 이동하는 빛이 굴절률이 낮은 두 번째 매질에 대한 인터페이스를 접촉할 때 발생합니다. 빛이 충분히 낮은 각도에서 인터페이스에 닿으면 완전히 반사되어 절대로 빛이 빠져나오지 못합니다. 물속에서 수면을 올려다본 적이 있는 사람은 누구나 동일한 현상을 경험했을 것입니다. 바로 위를 볼 수는 있지만, 똑바른 자세를 취한 상태에서 멀리 떨어진 각도로 수면을 보려고 하면 밖을 볼 수 없습니다.
개념적으로는 간단하지만, 실제의 파이버는 설계 및 제조 측면에서 사실 매우 정교합니다. 이는 특정 응용 분야에 대한 다양한 성능 및 비용 목표를 충족하는 데 필요합니다.
파이버 유형
광학 파이버는 다양한 성능 또는 구성 특성뿐만 아니라 서비스하는 시장에 따라 분류할 수 있습니다. 가장 간단한 그룹화는 응용 분야별로 나누는 것입니다. 그리고 응용 분야는 일반적으로 전자 통신/데이터 통신과 그 밖의 모든 항목으로 분류됩니다. 후자의 그룹을 종종 "특수 파이버"라고 합니다.
설계 및 기능성 측면에서 파이버에는 몇 가지 다른 기본 유형이 있으며 이러한 유형 내에서 무수한 설계 변형이 있습니다. 이에 대해서는 아래에 설명되어 있습니다. 파이버는 대개 이러한 그룹들 중 몇 군데에 속할 수 있습니다. 예를 들어 싱글 모드 파이버는 편광 유지일 수 있으며 또한 초고속일 수도 있습니다.
파이버 유형 |
특성 및 용도 |
싱글 모드 |
싱글 모드 파이버는 가장 낮은(그리고 물리적으로 가장 작은) 가로 모드만 전파할 수 있는 매우 작은 코어 직경을 가지고 있습니다. 이는 여러 가지 방식으로 성능에 영향을 미칩니다. 전자 통신 응용 분야의 경우 파이버 감쇠와 분산을 줄여줍니다. 이런 이유로 장거리 전자 통신에 가장 널리 사용되는 유형이 싱글 모드 파이버입니다. 싱글 모드 파이버의 출력은 가능한 가장 작은 스폿 크기에 초점을 맞출 수 있습니다. 따라서 많은 공학용 레이저 및 산업용 레이저 응용 분야, 특히 파이버 레이저의 구성에 유용합니다. |
멀티 모드 |
멀티 모드 파이버는 고차 가로 모드가 파이버를 통과할 수 있도록 충분히 큰 코어 직경을 가지고 있습니다. 따라서 일반적으로 광학 출력을 더 많이 전송할 수 있을 뿐만 아니라 더 높은 분산이 발생합니다. 제조 비용은 대체로 싱글 모드 파이버보다 적게 듭니다. 그리고 이러한 특성으로 인해 단거리 데이터 통신 응용 분야에 보편적으로 사용되고 있습니다. 또한 재료 가공, 수술 및 분광 응용 분야에서 고출력 레이저를 이용한 빔 전달에 널리 사용됩니다. |
편광 유지 |
일반적으로 광학 파이버 내의 복굴절은 케이블 아래로 이동할 때 입력 편광을 스크램블합니다. 편광 유지 파이버는 이러한 현상이 발생하지 않아야 하는 응용 분야를 대상으로 합니다. 여기에는 일부 고급 네트워킹 애플리케이션, 레이저 증폭기, IFOG 및 대부분의 감지 시스템이 포함됩니다. 편광 유지 파이버는 복굴절을 제거하도록 설계되지 않지만 매우 특정적인 방식으로 복굴절 제거를 극대화하도록 만들어진 싱글 모드 파이버입니다. 결과적으로 출력이 전파될 때 하나의 편광 상태에서 다른 편광 상태로 연결되지 않으므로 편광의 입력 상태를 유지하게 됩니다. |
감지 파이버 |
감지 파이버는 사실 설계보다 응용 분야에 기반한 범주이며 순수 실리카 코어 구조가 대체로 많이 사용됩니다. 또한 높은 수준의 열, 화학 및 수소 저항을 전달하는 재료 및 설계를 감지 파이버에 활용하는 것도 일반적입니다. 온도, 압력, 흐름, 음향 및 변형과 관련된 대부분의 파이버 센서는 파이버 길이에 따른 브릴루인 산란이나 레일리 산란 또는 특정 위치에 내장된 광섬유 브래그 격자(FBG)에서 파생된 신호를 기반으로 합니다. |
레이저 및 증폭기 |
파이버 레이저 및 기타 여러 유형의 광 증폭기의 기초를 형성하는 "능동 파이버"입니다. 이러한 능동 파이버는 파이버 길이를 따라 레이저 동작(광 증폭)을 생성하기 위한 도펀트(dopant)를 포함하고 있습니다. 일반적으로 펌프 광은 클래딩에 결합되며 이 에너지는 파이버 끝으로 유입된 시드 광원을 증폭하는 데 사용됩니다. 능동 파이버와 특별히 일치하는 수동 빔 전달 파이버와 함께 생산되는 것이 일반적입니다. 수동 파이버는 능동 파이버에서 나오는 빛의 광학적 특성을 유지하고 가능한 최대의 전송 및 출력 처리 기능을 제공합니다(종종 수 kW 수준까지 가능). |
초고속 |
여기에는 짧은 펄스폭 및 높은 피크 출력과 함께 사용하도록 특별히 설계된 능동 파이버와 수동 파이버가 모두 포함됩니다. 응용 분야로는 초고속 파이버 레이저, 처프 펄스 증폭, 미세선폭 증폭기 및 주파수 배가가 해당됩니다. 특정 용도에 따라 초고속 파이버에 대한 다양한 설계 형식이 있습니다. 그러나 모두 일반적으로 엄격한 편광 및 분산 제어, 높은 빔 품질, 낮은 광암색화를 필요로 합니다. |
파이버는 어떻게 만들어지나요?
길이가 수 킬로미터에 달할 수도 있는 단일 광학 파이버 케이블은 길이가 1~2미터에 불과한 유리관으로 시작됩니다. 화학 공정을 사용하여 관의 내경에 있는 재료를 변형시키고 굴절률을 높입니다. 그런 다음 관은 단단한 실린더에 압착되며 이 막대의 중앙에서 나온 조각을 잘라내어 '프리폼(Preform)'을 제작합니다.
이 프리폼은 드로잉 타워(Drawing Tower)에 배치됩니다. 그리고 부드러워질 때까지 가열한 다음 끝을 잡아당겨 가느다란 가닥을 만들어냅니다. 이러한 가닥은 도르래에 계속 감겨지고, 그 결과 케이블이 생산됩니다. 이 공정 중에 파이버의 외부가 폴리머 코팅으로 처리됩니다. 이러한 작업을 통해 완성된 파이버는 더 견고해지고 더 쉽게 취급할 수 있는 상태가 됩니다.
일부 광학 파이버는 순환 대칭이 아닙니다. 이에 대한 예로 "판다형” 편광 유지 파이버를 들 수 있습니다. 이러한 유형의 파이버를 위한 프리폼을 제작하려면 더 복잡한 일련의 단계가 사용됩니다.
Coherent는 레이저 및 증폭기 파이버, 고출력 레이저 빔 전달 파이버, 의료 응용 분야에 최적화된 파이버, 감지 응용 분야를 위한 파이버, 그 외 여러 파이버를 포함한 광범위하고 다양한 특수 파이버를 제공하고 있습니다. 또한 특정 고객 요구 사항을 충족하는 파이버를 맞춤 제작하고 이러한 파이버를 커넥터, 광학 장치 등을 포함한 파이버 어셈블리에 통합할 수 있습니다.