KR102041275B1 - 광통신 시스템 - Google Patents

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KR102041275B1 KR1020180025065A KR20180025065A KR102041275B1 KR 102041275 B1 KR102041275 B1 KR 102041275B1 KR 1020180025065 A KR1020180025065 A KR 1020180025065A KR 20180025065 A KR20180025065 A KR 20180025065A KR 102041275 B1 KR102041275 B1 KR 102041275B1
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Abstract

광통신 시스템을 개시한다.
본 실시예의 일 측면에 의하면, 전송하고자 하는 전기신호를 수신하여, 상기 전기신호를 그에 대응하는 광 신호로 변조하여 전송하는 광 송신기와 상기 광 송신기가 전송하고자 하는 광 신호를 광 수신기로 전송하는 광섬유 및 상기 광섬유를 거쳐 전달되는 광 신호를 수신하여 전기신호로 복원하는 광 수신기를 포함하는 것을 특징으로 하는 광통신 시스템을 제공한다.

Description

광통신 시스템{Optical Communication System}
본 실시예는 통신과정상에서 해킹을 최소화할 수 있는 광통신 시스템에 관한 것이다.
이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 실시예에 대한 배경 정보를 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것은 아니다.
광통신 기술은 정보화 사회의 기반이 되는 중요한 네트워크 기술로서 통신망에서 요구하는 많은 특징을 갖추고 있다. 예를 들면, 광통신 기술은 초고속성, 통계 다중화의 효율성, 하드웨어 교환에 의한 저 지연, 통신 정보량에 따라서 음성, 문자, 정지영상, 동영상 등 특성이 다른 통신을 동시에 취급하는 멀티미디어 특성을 갖추고 있다. 이러한 특성에 따라, 근래에 광통신 시스템을 이용하여 통신을 수행하는 기술분야가 급증하고 있다.
광통신 시스템이 부각되며, 광통신 시스템을 이용해 정보를 송수신하는 과정 상에서 정보를 편취하고자 하는 해킹의 시도가 발생하고 있다. 광통신 시스템의 발전에 따라 해킹 대상은 국방이나 경제/금융 등 사회정보망 뿐 아니라 개인정보, 위성 TV, 교통정보, 방송프로그램까지 확대되고 있는데 이를 위한 목표 시설로 전화, 휴대전화, 네트워크 장비, 위성전송 장비, 광케이블 등 다양화되고 있다. 특히, 광케이블은 포설 면적이 넓고 다양한 환경(지하, 바다, 산, 건물 등)에 노출되기 때문에 광케이블 전체를 외부에서 완벽하게 보안 장치를 구현하는 것은 비용 면이나 물리적 구현 방법 등에 있어서 한계가 있을 수 밖에 없다.
광케이블을 해킹하는 대표적인 방법으로는 광섬유를 구부림(Fiber Bending)으로써 검출되는 약간의 광신호를 이용하여, 전송중인 통신 데이터를 100% 수신하거나 해킹 광신호를 입사해 통신서비스를 교란하는 것이다. 현재, 광케이블에 널리 상용되고 있는 ITU-T G.652 규격을 만족하는 일반 단일모드 광섬유의 경우는 굽힘허용 반경이 약 30mm로써, 광케이블에 들어있는 광섬유를 반경 30mm 이하으로 구부리면 광섬유를 따라 진행하는 빛의 일부를 얻을 수 있다. 결국은 이와 같은 광섬유의 특성이 광케이블의 해킹을 가능하게 한다. 이러한 광케이블의 해킹을 해결하기 위해 종래에는 광섬유의 외부에 광전송용 광원의 파장 대역에서 광흡수 특성이 높은 코팅 소재를 적용하는 방법 등을 이용하고 있으나 이는 근본적인 해결책이 될 수 없다. 광섬유는 기본적으로 코어와 클래드로 이루어진 광도파로 구조만 있으면 빛 전송이 가능하기 때문에, 광흡수 특성이 우수한 코팅 소재로 광케이블을 제작한다고 하더라도 코팅을 제거하고 기존 재료로 재코팅(Recoating)을 하면 기존 해킹 기술을 그대로 활용할 수가 있어, 종래의 기술은 해킹 예방에 불완전한 문제가 존재하였다.
본 실시예는, 굽힘 손실을 현저히 낮춰 광 전송 과정상에서의 해킹우려를 최소화할 수 있는 광통신 시스템을 제공하는 데 일 목적이 있다.
본 실시예의 일 측면에 의하면, 전송하고자 하는 전기신호를 수신하여, 상기 전기신호를 그에 대응하는 광 신호로 변조하여 전송하는 광 송신기와 상기 광 송신기가 전송하고자 하는 광 신호를 광 수신기로 전송하는 광섬유 및 상기 광섬유를 거쳐 전달되는 광 신호를 수신하여 전기신호로 복원하는 광 수신기를 포함하는 것을 특징으로 하는 광통신 시스템을 제공한다.
본 실시예의 일 측면에 의하면, 상기 광섬유는 기 설정된 기준치보다 낮은 굽힘 손실을 갖는 것을 특징으로 한다.
본 실시예의 일 측면에 의하면, 상기 광섬유는 코어, 상기 코어를 감싸는 제1 클래드, 상기 제1 클래드를 감싸는 제2 클래드 및 상기 제2 클래드를 감싸는 제3 클래드를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 실시예의 일 측면에 의하면, 상기 코어는 상기 코어의 중심으로부터 상기 제1 클래드 방향으로 거리가 멀어질수록 선형적으로 감소하는 굴절률 분포를 갖는 것을 특징으로 한다.
본 실시예의 일 측면에 의하면, 상기 광섬유는 상기 코어의 끝점과 상기 제1 클래드의 시작점에서, 상기 제1 클래드의 끝점과 상기 제2 클래드의 시작점에서 및 상기 제2 클래드의 끝점과 상기 제3 클래드의 시작점에서 불연속적인 굴절률 분포를 갖는 것을 특징으로 한다.
본 실시예의 일 측면에 의하면, 상기 제1 클래드는 상기 제1 클래드의 시작점으로부터 상기 제1 클래드의 끝점까지 선형적으로 감소하는 굴절률 분포를 갖는 것을 특징으로 한다.
본 실시예의 일 측면에 의하면, 상기 제2 클래드는 상기 제1 클래드의 굴절률보다 낮은 굴절률을 가지며, 거리와 무관하게 일정한 굴절률 분포를 갖는 것을 특징으로 한다.
본 실시예의 일 측면에 의하면, 상기 제3 클래드는 상기 제2 클래드의 굴절률보다 높은 굴절률을 가지며, 거리와 무관하게 일정한 굴절률 분포를 갖는 것을 특징으로 한다.
본 실시예의 일 측면에 의하면, 낮은 굽힘 손실(Bending Loss)을 갖는 광섬유에 있어서, 중심으로부터 거리가 멀어질수록 선형적으로 감소하는 굴절률 분포를 갖는 코어와 상기 코어를 감싸며, 상기 코어의 인접부로부터 거리가 멀어질수록 감소하는 굴절률 분포를 갖는 제1 클래드와 상기 제1 클래드를 감싸며, 상기 제1 클래드의 인접부로부터의 거리와 무관하게 일정한 굴절률 분포를 갖는 제2 클래드 및 상기 제2 클래드를 감싸며, 상기 제2 클래드의 인접부로부터의 거리와 무관하게 일정한 굴절률 분포를 갖는 제3 클래드를 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유를 제공한다.
본 실시예의 일 측면에 의하면, 상기 코어의 끝점과 상기 제1 클래드의 시작점에서, 상기 제1 클래드의 끝점과 상기 제2 클래드의 시작점에서 및 상기 제2 클래드의 끝점과 상기 제3 클래드의 시작점에서 불연속적인 굴절률 분포를 갖는 것을 특징으로 한다.
본 실시예의 일 측면에 의하면, 상기 제1 클래드는 상기 제2 클래드보다 높은 굴절률을 가지며, 상기 제3 클래드도 상기 제2 클래드보다 높은 굴절률을 갖는 것을 특징으로 한다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 실시예의 일 측면에 따르면, 굽힘 손실을 현저히 낮춤으로써, 별도의 장비를 갖추지 않고도 광 전송 과정 상에서의 해킹우려를 최소화할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광 통신 시스템을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 광섬유의 굴절률 분포를 단면도와 함께 매칭시킨 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 광섬유에 굽힘 발생시에 예상되는 유효굴절률 변화를 도시한 도면이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에서, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서 "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해서 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다.
일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광 통신 시스템을 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 광 통신 시스템(100)은 광 송신기(110), 광섬유(120) 및 광 수신기(160)를 포함한다. 나아가, 광 통신 시스템(100)은 광 다중화 기기(130, 150) 및 광 증폭기(140)를 더 포함할 수 있다.
광 송신기(110)는 전송하고자 하는 전기신호를 수신하여, 전기신호를 그에 대응하는 광 신호로 변조하여 전송한다. 광 송신기(110)는 광원(113) 및 광 변조기(116)를 포함할 수 있다. 광 변조기(116)는 외부로부터 수신한 전기신호를 그에 대응하는 광 신호로 변조한다. 광원(113)은 변조된 광 신호를 광섬유(120)를 이용해 광 수신기(160)로 전송한다.
광섬유(120)는 광 송신기(110)로부터 전송된 광 신호를 광 수신기(160)로 전송한다. 이때, 광 섬유는 기 설정된 기준치, 예를 들어, 0.01dB 이하의 낮은 굽힘손실을 가짐으로써, 광 전송 과정 상에서 해킹에 따른 정보의 편취나 유실을 최소화할 수 있다. 광섬유(120)의 구조에 관한 설명은 도 2 및 3을 참조하여 설명하기로 한다.
광 수신기(160)는 광섬유(120)를 거쳐 전달되는 광 신호를 수신하여 전기신호로 복원한다. 광 수신기(160)는 광 검출기(163) 및 광 복조기(166)를 포함할 수 있다. 광 검출기(163)는 광 섬유를 거쳐 전달되는 광신호의 존재를 검출한다. 광 검출기(163)에 의해 광 신호가 검출되는 경우, 광 복조기(166)는 검출된 광 신호를 본래 전기신호로 복조한다.
나아가, 광 통신 시스템은 광 다중화기기(130, 150)를 더 포함할 수 있다. 광 다중화기기(130, 150)는 WDM(Wavelength Division Multiplexing), OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)등 다양한 다중화 방식을 적용하여 광신호를 전송하거나 수신한다.
광 증폭기(140)는 광 다중화기기(130, 150)를 거치거나, 광원(113)에서 전송된 광 신호를 증폭한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 광섬유의 굴절률 분포를 단면도와 함께 매칭시킨 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 낮은 굽힘손실을 갖는 광섬유(120)는 코어(210), 제1 클래드(220), 제2 클래드(223) 및 제3 클래드(226)를 포함한다.
코어(210)는 중앙에 제1 반경(r1)을 갖게 형성된 부분이며, 제1 클래드(220)는 코어(210)외측에서 코어를 감싸게 형성된 부분이며, 제2 클래드(223)는 제1 클래드(220) 외측에서 제1 클래드(220)를 감싸게 형성된 부분이고, 제3 클래드(226)는 제2 클래드(223) 외측에서 제2 클래드(223)를 감싸게 형성된 부분이다.
코어(210) 및 제1 클래드 내지 제3클래드(220, 223, 226)는 산화물계 유리조성물을 기본소재로 하여 후술되는 굴절률 분포 특성에 맞게 첨가요소가 첨가되어 형성될 수 있다.
코어(210)는 아래의 서술되는 제1 그룹에 속한 산화물계 유리조성물 중 어느 하나의 조성물 또는 제1 그룹에 속한 조성물에 불화이온(F-)을 첨가한 것으로 조성될 수 있다.
제1그룹에 속한 산화물계 유리조성물은 게르마노실리케이트(SiO2-GeO2), 알루미노게르마노실리케이트(SiO2-GeO2-Al2O3), 포스포로실리케이트(SiO2-P2O5), 포스포로게르마노실리케이트(SiO2-GeO2-P2O5), 알루미노실리케이트(SiO2-Al2O3) 포스포로알루미노실리케이트(SiO2-Al2O3-P2O5), 티타노실리케이트(SiO2-TiO2), 포스포로티타노실리케이트(SiO2-TiO2-P2O5) 및 알루미노티타노실리케이트(SiO2-TiO2-Al2O3)를 포함한다.
한편, 제1 클래드(220)는 제2그룹에 속한 산화물계 유리조성물 중 어느 하나의 조성물 또는 제2그룹에 속한 조성물에 불화이온(F-)을 첨가한 것으로 조성될 수 있다.
제2그룹에 속한 산화물계 유리조성물은 포스포로실리케이트(SiO2-P2O5), 알루미노실리케이트(SiO2-Al2O3), 보로실리케이트(SiO2-B2O3), 보로포스포로실리케이트(SiO2-P2O5-B2O3) 및 보로알루미노실리케이트(SiO2-Al2O3-B2O3)를 포함한다.
제2 클래드(223)는 실리카(SiO2)에 불화이온(F-)을 첨가한 것으로 조성되거나, 앞서 설명된 제2그룹에 속한 산화물계 유리조성물에 불화이온(F-)을 첨가한 것으로 조성될 수 있다. 제3 클래드(226)는 실리카(SiO2)를 적용하거나, 실리카(SiO2)에 오산화인(P2O5) 또는 불화이온(F-)을 첨가한 것으로 조성될 수 있다.
일 예로서, 코어(210)는 실리카(SiO2)에 첨가요소로서 이산화게르마늄(GeO2) 또는 이산화게르마늄(GeO2)과 불화이온(F-)을 첨가한 것으로 조성될 수 있다. 제1 내지 제3클래드(220, 223, 226)는 실리카(SiO2)에 첨가요소로서 오산화인(P2O5) 또는 불화이온(F-)을 첨가한 것으로 조성될 수 있다.
여기서, 코어(210)와 제1 내지 제3클래드(220, 223, 226)에 첨가되는 요소의 첨가량은 후술되는 굴절률 변환 패턴에 대응되도록 결정된다.
한편, 코어(210)의 굴절률은 코어(210)의 중심(r=0)으로부터 거리(r)가 증가할수록 선형적으로 감소하게 형성된다. 여기서, r은 코어(210)의 중심을 기준으로 방사방향으로의 거리를 나타낸다. 종래의 광섬유는 코어(210)의 굴절률이 코어의 중심으로부터 거리가 변하더라도 균일한 굴절률을 갖도록 형성되었다. 이에 따라, 광섬유에 굽힘이 발생하는 경우, 코어 내 빛이 굽힘이 발생한 외곽방향으로 치우치며 굴절률의 변화로 인해 코어 외곽으로 빠져 나가는 현상이 발생하였다. 이에 따라, 종래의 광섬유를 이용한 광 통신 시스템은 굽힘(구부림)을 이용한 해킹 방법에 취약한 단점이 존재하였다. 그러나 본 발명의 일 실시예에 따른 광섬유(120), 특히, 코어(210)는 코어(210)의 중심(r=0)으로부터 거리(r)가 증가할수록 선형적으로 감소하는 굴절률을 갖는다. 광섬유(120)에 특정 방향으로 굽힘이 발생하더라도, 항상 코어의 중심의 굴절률이 높게 형성되기 때문에, 코어 내 빛이 코어에 감금(Confine)되면서 코어 외부로 빠져나가는 것을 방지할 수 있다. 이에 따라, 광섬유(120)를 이용한 광 통신 시스템은 굽힘을 이용한 해킹 방법에 강인한 장점을 갖는다.
또한, 제1 클래드(220)의 굴절률은 코어(210)의 굴절률보다는 낮으며 코어(210)의 중심(r=0)으로부터 거리가 증가할수록 선형적으로 감소하게 형성된다. 이와는 다르게 제1 클래드(220)의 굴절률은 거리변화와 관계없이 일정한 굴절률을 갖게 형성될 수도 있다.
제1 클래드(220)의 굴절률은 정보를 전달하는 광이 코어로 진행하기 위해 전반사 조건을 만족하도록 코어(210)의 굴절률보다 낮게 형성된다. 또한, 제1 클래드(220)의 중요한 기능 중에 하나가 코어(210)로 진행하는 광의 중요 특성(광통신 파장 대역에서의 단일 모드 형성과 모드 필드 직경(Mode Field Diameter, MFD), 도파로 구조에 의한 분산 특성 등)을 제어하는 것이다. 광통신 관련 국제 표준화 규격(ITU-T)에 따르면, 일례로 장거리 통신용 광섬유/광케이블은 광통신 파장 대역에서 단일모드를 형성하기 위한 최소 파장(일명, 차단 파장이라고 불림)이 1260nm 이하여야 하며, 1310nm 파장이 갖는 MFD 값으로 Nominal 값이 8.6∼9.5㎛이고, 허용 오차는 ±0.6㎛여야 하며, 영분산 파장은 1300nm 내지 1324nm에서 형성되어야 하고, 영분산 기울기는 0.092ps/(nm2×km) 이하여야 한다. 이와 같이, 광섬유를 통신용으로 사용하기 위해서 꼭 만족해야 하는 광특성이 있는데, 제1 클래드(220)의 굴절률은 이와 같은 특성을 제어하는 기능을 갖는다.
제2 클래드(223)의 굴절률은 제1 클래드(220)의 굴절률보다 낮고 코어(210)의 중심으로부터의 거리변화와 관계없이 일정한 굴절률을 갖게 형성된다. 제2 클래드(223)는 낮은 굽힘손실 특성을 강화하는 기능을 갖는 영역으로써, 광섬유의 휨(Bending)으로 유발되는 클래딩 영역의 유효 굴절률의 상승 효과(코어 중심에서 떨어진 거리에 따라서 비례해서 굴절률이 증가함)를 상쇄하기 위해, 제1 클래드(220)보다 낮은 굴절률을 갖는다. 또한, 제2 클래드(223)의 굴절률은 코어(210)의 중심으로부터의 거리 변화에 관계없이 일정한 굴절률을 갖는 것이 바람직하다. 제2 클래드(223)는 일정한 굴절률을 형성하더라도 코어(210)로부터 일정부분 떨어져 있기 때문에, 코어 중심으로부터의 거리 변화에 따른 굴절률 변화로 인해 코어로 진행하는 광에 미치는 영향이 크지 않다. 광섬유 제조 관점에서 상대적으로 용이하게 제작될 수 있도록, 제2 클래드(223)의 굴절률은 일정한 굴절률을 가질 수 있다.
제3 클래드(226)의 굴절률은 코어(210)의 굴절률보다는 낮지만 제2 클래드(223)의 굴절률보다는 높게 형성되며, 코어(210)의 중심으로부터의 거리변화와 관계없이 일정한 기준 굴절률을 갖도록 형성된다.
제3 클래드(226)는 광섬유 굴절률 분포의 기준이 되는 영역이다. 일반적인 광섬유의 광전송 원리인 전반사 현상을 구현하기 위해, 제3 클래드((226)의 굴절률은 코어(210)의 굴절률보다 낮아야 하며, 제2 클래드(223)의 굴절률은, 전술한 바와 같이, 낮은 굽힘 손실 특성을 만족하기 위해 클래드의 기준이 되는 제3 클래드(226)의 굴절률 보다 낮아야 한다.
즉, 코어(210)와 제1 클래드(220)의 경계지점인 r1에서의 코어(210)의 굴절률, 제1 클래드(220)와 제2 클래드(223)의 경계지점인 r2에서의 제1 클래드(220)의 굴절률 및 제2 클래드(223)와 제3 클래드(226)의 경계지점인 r3에서의 제2 클래드(223)의 굴절률은 각각 불연속값을 갖는다. 이와 같은, 굴절률의 불연속성은 광섬유에서 요구되는 다양한 광학적 특성들(차단 파장, MFD, 분산 특성, 광 손실 특성 등)을 제한된 영역(0~r1, r1~r2, r2~r3) 내에서 효과적으로 구현할 수 있도록 한다.
이러한 구조에서 제1 클래드(220)는 코어(210)의 외경을 기준으로 광 통신용 광섬유로서 반드시 필요한 광학적 특성을 만족시키면서, 광손실을 억제할 수 있는 적절한 두께를 갖는다. 이를 위해, 코어(210)의 중심으로부터 제1 클래드(220)의 시작지점까지의 거리(r1), 코어(210)의 중심으로부터 제2 클래드(223)의 시작지점까지의 거리(r2), 코어(210)의 중심으로부터 제3 클래드(226)의 시작지점까지의 거리(r3) 및 코어(210)의 중심으로부터 최외곽까지의 거리(r4)는 아래의 수학식 1 및 수학식 2의 조건을 만족하도록 설정된다.
Figure 112018021273671-pat00001
Figure 112018021273671-pat00002
Figure 112018021273671-pat00003
r2가 r1의 1.75배보다 작으면 MFD(Mode field diameter)의 값이 작아지는 문제(허용범위 기준)가 있고, r2가 r1의 2.8배보다 커지면 굽힘손실 억제 효과가 떨어진다.
또한, r3가 r2의 1.15배보다 작으면 제2 클래드(223) 영역에 의한 굽힘손실 억제 효과가 떨어지고, r3가 r1의 4배보다 커지면 광섬유 제작이 어렵고 제작비용 대비 효과가 크지 않다.
여기서, 코어(210)로부터 제1 클래드(220)의 시작시점까지의 거리(r1)는 3.9㎛ 내지 4.1㎛로 설정될 수 있으며, 코어(210)로부터 최와곽까지의 거리(r4)는 50㎛ 이상으로 설정될 수 있다. 이와 같이 설정되는 경우, 기존 일반 통신용 단일모드 광섬유(코어 반경: ~4㎛, 클래딩 반경: 62.5㎛)와 연결될 때, 접속 손실을 최소화하면서 원활한 연결이 가능해지는 장점이 있다.
한편, 광섬유(120)의 거리에 따른 굴절률(n(r))은 아래의 수학식 4의 조건으로 형성된다.
Figure 112018021273671-pat00004
여기서, C1 ≥ 1이고, Reff = C3×R 에 해당한다. R은 광섬유 굴곡 반경이고, C3는 광섬유 물질의 탄성계수와 관련된 상수이다. C1이 1보다 작으면 굽힘손실 억제효과가 떨어지는 문제가 있다. 또한, 광섬유의 굴곡 반경(R)은 5mm이상 15mm이하로 설정된다.
코어 중심(r=0)에서의 굴절률(n(0))은 n1에 해당하며, 코어 중심으로부터 거리가 멀어질 경우, 수학식 4에 따라 굴절률을 갖는다.
또한, 코어 중심의 굴절률(n(0))과 제3 클래드(226)의 끝점(제3 클래드에 있어서, 코어의 중심으로부터 먼 끝단)에서의 굴절률(n(r4))과의 차이값(Δn1=n(0)-n(r4))은 0.005 이상 0.0065 이하가 되도록 형성된다. 코어 중심의 굴절률과 제3 클래드(226)의 끝점에서의 굴절률과의 차이값이 0.005 미만이면 굽힘손실 억제효과가 떨어지며, 0.0065보다 커지면 MFD 값이 작아지는 문제가 있다.
또한, 제1 클래드(220)의 시작점(제1 클래드에 있어서, 코어의 중심과 근접한 끝단)에서의 굴절률(n(r1))과 제3 클래드(226)의 끝점에서의 굴절률(n(r4))과의 차이값(Δn3 = n(r1) - n(r4))은 -0.002 이상 0.001 이하가 되도록 형성된다. Δn3이 -0.002 미만이면 MFD 값이 작아지는 문제가 있고, 0.001보다 커지면 차단 파장이 허용 범위 보다 커지는 문제가 있다.
또한, 제1 클래드(220)의 끝점(제1 클래드에 있어서, 코어의 중심으로부터 먼 끝단)에서의 굴절률(n(r2))과 제3 클래드(226)의 끝점에서의 굴절률(n(r4))과의 차이값(Δn4 = n(r2) - n(r4))은 -0.002 이상 Δn3 이하가 되도록 형성된다.
또한, 제2 클래드(223)의 끝점(제2 클래드에 있어서, 코어의 중심으로부터 먼 끝단)에서의 굴절률(n(r3))과 제3 클래드(226)의 끝점에서의 굴절률(n(r4))과의 차이값(Δn5 = n(r3) - n(r4))은 -0.01 이상 -0.0025 이하가 되도록 형성된다. Δn5가 -0.01 미만이면 광섬유 제작이 어렵고, -0.0025보다 커지면 굽힘손실 억제 효과가 떨어진다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 광섬유에 굽힘 발생시에 예상되는 유효 굴절률 변화를 도시한 도면이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 광섬유(120)는 굽힘에 의한 굴곡 변형이 발생시 굴절률이 굽힘방향(R)을 따라 코어(210) 중심 영역(r=0)의 굴절률이 코어 외곽 영역(0<r<r1)의 굴절률 보다 항상 크게 형성됨으로써 광손실이 억제되게 조정된다.
전술한 것과 같은 굴절률 분포를 광섬유(120)가 갖기 때문에, 벤딩 스트레스가 광섬유(120)에 발생하더라도 굽힘 광 손실을 최소화할 수 있으며, 광섬유(120)가 최적의 디스퍼전(Dispersion)을 가질 수 있다.
한편, 광섬유(120)는 낮은 굽힘 광 손실을 가지면서도, 종래의 단일모드 광섬유의 광 특성(예를 들어, 차단 파장, 분산 특성 등)과 동등하거나 유사한 특성을 가지고 있어, 종래의 광섬유와의 높은 호환성을 갖는다.
본 발명의 일 실시예에 따른 광섬유(120)는 아래와 같은 실시예로 구현될 수 있다.
<실시예 1>
앞서 설명된 조건에 맞게 제작하되, 코어(210)의 반경 또는 제1 클래드(220)의 시작점인 r1 = 4㎛, 제1 클래드(220)의 반경 또는 제2 클래드(223)의 시작점인 r2 = 9㎛, 제2 클래드(223)의 반경 또는 제3 클래드(226)의 시작점인 r3 = 16㎛, 제3 클래드(226)의 반경 또는 최외각까지의 반경 r4 = 62.5㎛, Δn1 = 0.0062, Δn2 = 0.005, Δn3 = -0.0007, Δn4 = -0.0012, Δn5 = -0.006인 실리카계 광섬유의 광학 특성은, 해당 광섬유를 5mm반경의 보빈에 1회 감싼 경우, 1.55㎛ 파장에서의 굽힘손실은 0.001dB 이하로(굽힘 손실계수 2.83×10-7dB/m), 차단파장은 1144nm로, MFD(@1310nm)는 8.28㎛로, 영분산 파장은 1304nm로, 영분산 기울기는 0.086ps/(nm2×km)로 나타났다.
<실시예 2>
앞서 설명된 조건에 맞게 제작하되, 코어(210)의 반경 또는 제1 클래드(220)의 시작점인 r1 = 4㎛, 제1 클래드(220)의 반경 또는 제2 클래드(223)의 시작점인 r2 = 8㎛, 제2 클래드(223)의 반경 또는 제3 클래드(226)의 시작점인 r3 = 10㎛, 제3 클래드(226)의 반경 또는 최외각까지의 반경 r4 = 62.5㎛, Δn1 = 0.0055, Δn2 = 0.0045, Δn3 = 0.001, Δn4 = -0.001, Δn5 = -0.003인 실리카계 광섬유의 광학 특성은, 해당 광섬유를 5mm반경의 보빈에 1회 감싼 경우, 1.55㎛ 파장에서의 굽힘손실은 0.011dB로(굽힘 손실계수 0.348 dB/m), 차단파장은 1168nm로, MFD(@1310nm)는 8.20㎛로, 영분산 파장은 1306nm로, 영분산 기울기는 0.089ps/(nm2×km)로 나타났다.
<비교예 1>
실시예 1 또는 실시예 2에 대한 비교예로서, 종래의 단일모드 광섬유(코어(210)의 반경 r1 = 4㎛, 제1 클래드(220)의 반경 r2 = 62.5㎛, 코어 및 클래드 간 굴절률 차이 Δn1 = 0.005)의 광학 특성은, 10mm반경의 보빈에 1회 감싼 경우 1.55㎛ 파장에서의 굽힘손실은 1.60dB으로(굽힘 손실계수 25.46 dB/m), 차단파장은 1230nm으로, MFD(@1310nm)는 8.70㎛로, 영분산 파장은 1320nm으로, 분산값은 15.58 ps/nm/km(@1550nm), 영분산 기울기는 0.083ps/(nm2×km)로 나타났다.
굽힘손실 관점에서 보면, 비교예 1의 종래의 단일모드 광섬유는 굽힘 반경 10mm에 대한 굽힘 손실계수가 25.46 dB/m인 반면, 실시예 1과 2 모두 굽힘 반경이 5mm로 더 작아짐에도 불구하고 굽힘 손실계수가 각각 2.83×10-7 dB/m, 0.348 dB/m로 월등하게 낮은 값을 가짐을 확인할 수 있다. 또한, ITU-T 국제 규격에 필요한 광학 특성(차단 파장은 1260nm 이하이며, MFD(@1310nm)는 Nominal 값이 8.6∼9.5㎛이고, 허용 오차는 ±0.6㎛이고, 영분산 파장은 1300nm 내지 1324nm에서 형성되어야 하고, 영분산 기울기는 0.092ps/(nm2×km) 이하임)을 실시예 1과 2 모두 만족함을 확인할 수 있다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 광섬유(120)는 장거리 통신용 광섬유의 기본적인 광학적 특성을 만족하면서도, 월등히 우수한 굽힘손실을 갖는다.
이상의 설명은 본 실시예의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 실시예들은 본 실시예의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 실시예의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 실시예의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 실시예의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 광통신 시스템
110: 광 송신기
113: 광원
116: 광 변조기
120: 광섬유
130, 150: 광 다중화기기
140: 광 증폭기
160: 광 수신기
163: 광 검출기
166: 광 복조기

Claims (11)

  1. 낮은 굽힘 손실(Bending Loss)을 갖는 광섬유에 있어서,
    중심으로부터 거리가 멀어질수록 선형적으로 감소하는 굴절률 분포를 갖는 코어;
    상기 코어를 감싸며, 상기 코어의 인접부로부터 거리가 멀어질수록 감소하는 굴절률 분포를 갖는 제1 클래드;
    상기 제1 클래드를 감싸며, 상기 제1 클래드의 인접부로부터의 거리와 무관하게 일정한 굴절률 분포를 갖는 제2 클래드; 및
    상기 제2 클래드를 감싸며, 상기 제2 클래드의 인접부로부터의 거리와 무관하게 일정한 굴절률 분포를 갖는 제3 클래드를 포함하고,
    상기 코어 중심의 굴절률과 상기 코어의 중심으로부터 가장 먼 제3 클래드의 끝단에서의 굴절률의 차이값이 0.005보다 크고 0.0065보다 작도록 형성되고,
    상기 코어의 중심과 가장 근접한 제1 클래드의 끝단에서의 굴절률과 상기 코어의 중심으로부터 가장 먼 제3 클래드의 끝단에서의 굴절률의 차이값(이하에서, '제1 굴절률 차이값'이라 칭함)이 -0.002보다 크고 0.001보다 작도록 형성되며,
    상기 코어의 중심과 가장 먼 제1 클래드의 끝단에서의 굴절률과 상기 코어의 중심으로부터 가장 먼 제3 클래드의 끝단에서의 굴절률의 차이값이 -0.002보다 크고 상기 제1 굴절률 차이값보다 작도록 형성되며,
    상기 코어의 중심과 가장 먼 제2 클래드의 끝단에서의 굴절률과 상기 코어의 중심으로부터 가장 먼 제3 클래드의 끝단에서의 굴절률의 차이값이 -0.01보다 크고 -0.0025보다 작도록 형성되며,
    하기 수식 1 내지 3을 만족하는 것을 특징으로 하는 광섬유,
    [수식 1]
    Figure 112019097808219-pat00005

    [수식 2]
    Figure 112019097808219-pat00006

    [수식 3]
    Figure 112019097808219-pat00007

    여기서, r1은 상기 코어의 중심으로부터 상기 제1 클래드의 시작지점까지의 거리이고, r2는 상기 코어의 중심으로부터 상기 제2 클래드의 시작지점까지의 거리이고, r3는 상기 코어의 중심으로부터 상기 제3 클래드의 시작지점까지의 거리이며, r4는 상기 코어의 중심으로부터 상기 광섬유의 최외곽까지의 거리임.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 코어의 끝점과 상기 제1 클래드의 시작점에서, 상기 제1 클래드의 끝점과 상기 제2 클래드의 시작점에서 및 상기 제2 클래드의 끝점과 상기 제3 클래드의 시작점에서 불연속적인 굴절률 분포를 갖는 것을 특징으로 하는 광섬유.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 클래드는 상기 제2 클래드보다 높은 굴절률을 가지며,
    상기 제3 클래드도 상기 제2 클래드보다 높은 굴절률을 갖는 것을 특징으로 하는 광섬유.
  4. 전송하고자 하는 전기신호를 수신하여, 상기 전기신호를 그에 대응하는 광 신호로 변조하여 전송하는 광 송신기;
    상기 광 송신기가 전송하고자 하는 광 신호를 광 수신기로 전송하는 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항의 광섬유; 및
    상기 광섬유를 거쳐 전달되는 광 신호를 수신하여 전기신호로 복원하는 광 수신기
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 광통신 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 광섬유는,
    기 설정된 기준치보다 낮은 굽힘 손실을 갖는 것을 특징으로 하는 광통신 시스템.

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