광섬유
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光纖維 / optical fiber
직진을 하는 빛을 섬유 내부에서 굴절하게 하여 원하는 곳으로 이동하게 할 수 있는 섬유.
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원리는 광섬유 내부와 외부를 다른 밀도를 가지는 유리섬유로 제작하여, 한 번 들어간 빛이 외부와 내부 사이에서 반사하며 반대편 끝까지 진행하게 만든 것이다.
현재 주로 통신과 관련하여 전기 신호를 빛으로 변환하여 도착지까지 광속의 2/3속도로 데이터를 송신하는데 사용하고 있으며[1], 전기신호를 중간변환 없이 그대로 보내는 구리선과 비교하면 '변화' 과정이 필요하지만, 대신 중간에 외부의 간섭에 의한 데이터 손실이 0에 가깝다는 장점때문에 기존 구리선을 대체해 사용되고 있다.
하지만 그만한 데이터 흐름을 제어하는 데는 컴퓨팅 자원이 많이 필요했으므로 그만한 설비를 갖출 수 있는 백본들 사이에서만 사용되었다. 하지만 기술이 발전해 광 NIC[2]의 전력 소모나 개당 단가가 많이 낮아져 지금은 10Gbps, 40Gbps(40GBase-R), 100Gbps 등 데이터센터 내의 내부망 구축 등은 물론, 가정용 모뎀에도 많이 사용되고 있다. "광랜"이라고 부르는 것이 그것이며, 설치할 때 휘지 말라고 특히 강조하는 케이블이 광케이블이다.
주로 사용하는 광섬유는 대략 0.1 밀리미터 정도로 가늘고(SMF를 기준으로 코어 지름은 8.3 ㎛이며 클래딩 지름은 125㎛이다), 유리나 플라스틱으로 만든다. 초창기에는 내시경[3]과 환자의 환부(치아 등)를 들여다 보는 용도로 사용되다가 요즘은 광섬유를 통신, 액세서리[4]등에 사용하는 등 다양한 용도로 활용한다.
광섬유는 낱개로 사용하거나 다발로 사용하며, 수 센티미터에서 160km 이상까지 빛을 전송한다. 이 중에는 지름이 0.004mm의 아주 가는 것도 있다. 광섬유는 중심에 유리나 플라스틱으로 된 투명한 심이 있고 이 심을 코어보다 굴절률이 낮은 재질로 된 클래딩으로 감싸고 있다. 클래딩 위에는 버퍼라고 하는 피복으로 광섬유를 일차적으로 보호하며 자켓을 씌워 이차적인 보호를 한다. 이를 통해 직경 125㎛의 광섬유는 버퍼까지 250㎛, 자켓까지 400㎛ 수준으로 두꺼워진다.
레이저, 전구 등의 광원에서 나온 빛이 광섬유의 한쪽 끝으로 들어가면 빛이 심을 통과해서 전송되는 동안 클래딩이 섬유 내부의 표면을 때리는 빛을 다시 안쪽으로 반사시켜(전반사) 빛이 심 속에서 계속 나아가게 한다. 광섬유의 다른쪽 끝에서는 광검출기로 빛을 감지한다. 대부분의 용도에서는 광검출기를 사용한다.
현재 최대전송용량 최고 기록은 22코어 멀티코어 광섬유를 사용한 2.15Pbps이다. 31km 거리 케이블에서 초당 전송속도는 2.15Pbps. 인간 두뇌의 총 용량이 약 2.5페타바이트로 예상되는데 참고자료 이 광섬유를 사용하면 한 인간의 모든 기억을 약 10초 안에 전송할 수 있다. 또는 여기에 따르면 2014년 구글 데이터센터는 약 15엑사바이트 가량의 데이터를 저장하고 있는데 저 광섬유 통신 프로토콜을 사용하면 구글을 약 20시간만에(8b/10b 인코딩을 사용했다고 가정, 청크 오버헤드 무시) 복사할 수 있다!
광섬유의 종류는 모드, 재질, 코팅, 분산보상 등 여러 특징에 따라 분류되지만 여기서는 제일 대표적인 모드에 대한 것을 기준으로 서술한다.
1. 개요
光纖維 / optical fiber
직진을 하는 빛을 섬유 내부에서 굴절하게 하여 원하는 곳으로 이동하게 할 수 있는 섬유.
[image]
원리는 광섬유 내부와 외부를 다른 밀도를 가지는 유리섬유로 제작하여, 한 번 들어간 빛이 외부와 내부 사이에서 반사하며 반대편 끝까지 진행하게 만든 것이다.
현재 주로 통신과 관련하여 전기 신호를 빛으로 변환하여 도착지까지 광속의 2/3속도로 데이터를 송신하는데 사용하고 있으며[1], 전기신호를 중간변환 없이 그대로 보내는 구리선과 비교하면 '변화' 과정이 필요하지만, 대신 중간에 외부의 간섭에 의한 데이터 손실이 0에 가깝다는 장점때문에 기존 구리선을 대체해 사용되고 있다.
하지만 그만한 데이터 흐름을 제어하는 데는 컴퓨팅 자원이 많이 필요했으므로 그만한 설비를 갖출 수 있는 백본들 사이에서만 사용되었다. 하지만 기술이 발전해 광 NIC[2]의 전력 소모나 개당 단가가 많이 낮아져 지금은 10Gbps, 40Gbps(40GBase-R), 100Gbps 등 데이터센터 내의 내부망 구축 등은 물론, 가정용 모뎀에도 많이 사용되고 있다. "광랜"이라고 부르는 것이 그것이며, 설치할 때 휘지 말라고 특히 강조하는 케이블이 광케이블이다.
주로 사용하는 광섬유는 대략 0.1 밀리미터 정도로 가늘고(SMF를 기준으로 코어 지름은 8.3 ㎛이며 클래딩 지름은 125㎛이다), 유리나 플라스틱으로 만든다. 초창기에는 내시경[3]과 환자의 환부(치아 등)를 들여다 보는 용도로 사용되다가 요즘은 광섬유를 통신, 액세서리[4]등에 사용하는 등 다양한 용도로 활용한다.
광섬유는 낱개로 사용하거나 다발로 사용하며, 수 센티미터에서 160km 이상까지 빛을 전송한다. 이 중에는 지름이 0.004mm의 아주 가는 것도 있다. 광섬유는 중심에 유리나 플라스틱으로 된 투명한 심이 있고 이 심을 코어보다 굴절률이 낮은 재질로 된 클래딩으로 감싸고 있다. 클래딩 위에는 버퍼라고 하는 피복으로 광섬유를 일차적으로 보호하며 자켓을 씌워 이차적인 보호를 한다. 이를 통해 직경 125㎛의 광섬유는 버퍼까지 250㎛, 자켓까지 400㎛ 수준으로 두꺼워진다.
레이저, 전구 등의 광원에서 나온 빛이 광섬유의 한쪽 끝으로 들어가면 빛이 심을 통과해서 전송되는 동안 클래딩이 섬유 내부의 표면을 때리는 빛을 다시 안쪽으로 반사시켜(전반사) 빛이 심 속에서 계속 나아가게 한다. 광섬유의 다른쪽 끝에서는 광검출기로 빛을 감지한다. 대부분의 용도에서는 광검출기를 사용한다.
현재 최대전송용량 최고 기록은 22코어 멀티코어 광섬유를 사용한 2.15Pbps이다. 31km 거리 케이블에서 초당 전송속도는 2.15Pbps. 인간 두뇌의 총 용량이 약 2.5페타바이트로 예상되는데 참고자료 이 광섬유를 사용하면 한 인간의 모든 기억을 약 10초 안에 전송할 수 있다. 또는 여기에 따르면 2014년 구글 데이터센터는 약 15엑사바이트 가량의 데이터를 저장하고 있는데 저 광섬유 통신 프로토콜을 사용하면 구글을 약 20시간만에(8b/10b 인코딩을 사용했다고 가정, 청크 오버헤드 무시) 복사할 수 있다!
2. 광섬유의 종류
광섬유의 종류는 모드, 재질, 코팅, 분산보상 등 여러 특징에 따라 분류되지만 여기서는 제일 대표적인 모드에 대한 것을 기준으로 서술한다.
- 멀티모드 광섬유 (Multi Mode Fiber) : 코어의 직경이 50~62.5㎛
- 계단형 굴절율 광섬유 (Step Index Fiber) : 코어 지름이 커서 접속이 편하고 전송대역이 좁은편이다. 전송속도는 약 10Mbps이며 전송각도를 변화시켜 여러 종류의 정보를 동시에 통신할 수 있다.
- 언덕형 굴절율 광섬유 (Graded Index Fiber) : 전송대역이 넓고 전송속도는 약 100Mbps 이다. 장거리 전송에 적합한 방식이며 코어 지름이 커서 접속이 편리하다. 제조 공정이 까다로운 탓에 단가가 비싸다.
- 단일모드 광섬유 (Single Mode Fiber) : 코어의 직경이 5~10㎛
- 표준 SMF (SSMF)
- 분산천이형 광섬유 (DSF)
- 비영분산 광섬유 (NZ-DSF)
3. 광섬유가 주로 사용되는 곳
[1] 흔히 빛의 속도로 데이터를 전송한다고 알려져있지만 광섬유내의 저항과 빛의 굴절로 대부분의 광섬유에서는 빛의 2/3속도로 전송된다.[2] 네트워크 카드[3] endoscope[4] 심지어는 광'섬유'로 직조하여 천을 만들고, 그것으로 옷을 만들기도 한다![5] RCA 케이블 연결도 지원한다.