광섬유 통신

광섬유를 통한 빛의 전달 개념은 19세기 중반에 이미 실험을 통해 확인되었다. 1840년대에 장 다니엘 콜라동과 자크 바빈네는 물줄기를 통해 빛이 굴절되어 전달되는 현상을 보여주었고, 1870년에는 존 틴들이 물 분수 실험을 통해 전반사 원리를 시연하였다[2]. 그러나 이러한 현상은 당시 통신 수단으로 활용되기에는 기술적 한계가 컸다.

20세기 중반에 들어서면서 본격적인 연구가 시작되었다. 1950년대에 나린더 싱 카파니와 해럴드 호프킨스는 유리섬유 다발을 이용해 이미지를 전송하는 연구를 진행하며 광섬유의 가능성을 탐구했다. 그러나 초기의 유리섬유는 순도가 낮아 빛의 손실, 즉 감쇠가 매우 커서 장거리 통신에는 부적합했다.

실용적인 광섬유 통신의 결정적 전환점은 1966년에 찾아왔다. 찰스 카오와 조지 호크햄은 유리 내부의 불순물이 빛 손실의 주원인임을 지적하며, 순도가 높은 유리를 제조하면 통신용 매체로 사용 가능할 것이라고 이론적으로 제안했다. 이 논문은 광섬유 통신 분야의 기초를 놓은 중요한 업적으로 평가받으며, 카오는 이후 이 공로로 노벨 물리학상을 수상했다.

이 이론적 토대를 바탕으로 1970년대 초반에 기술적 돌파구가 마련되었다. 코닝사의 연구팀인 로버트 모리어, 도널드 켁, 피터 슐츠는 1970년에 화학기상증착법(MCVD)을 이용해 손실이 20 dB/km 미만인 세계 최초의 저손실 광섬유를 개발하는 데 성공했다. 이는 기존의 동축 케이블보다 월등히 낮은 손실률이었다. 같은 시기, 벨 연구소와 다른 기관에서는 실내 온도에서 연속적으로 동작하는 반도체 레이저도 개발하여, 효율적인 광원을 확보하게 되었다.

1970년대 후반, 코닝이 제조 공정을 개선하여 손실을 20 dB/km 이하로 낮춘 실용적인 광섬유를 개발하면서 본격적인 상용화의 길이 열렸다. 이 시기 레이저 다이오드와 발광 다이오드 같은 반도체 광원 기술도 함께 발전하여, 1980년대 초반에는 장거리 전화 통신망의 중계 구간에 광섬유 케이블이 도입되기 시작했다. 최초의 주요 상용 프로젝트는 1983년 영국과 벨기에를 잇는 해저 케이블인 UK-Belgium 5였다.

1980년대 중반부터 1990년대까지 상용화는 급속히 확산되었다. 에르븀 첨가 광섬유 증폭기가 1987년 실험실에서 개발되고 1990년대 초 상용화되면서, 신호를 전기 신호로 변환하지 않고도 직접 광신호를 증폭할 수 있게 되어 장거리 시스템의 비용과 복잡성이 크게 줄어들었다. 이는 대서양과 태평양을 가로지르는 대용량 해저 통신 케이블의 건설을 촉진하는 결정적 계기가 되었다. 또한, 파장 분할 다중화 기술이 도입되어 단일 광섬유로 여러 채널의 데이터를 동시에 전송할 수 있게 되면서 네트워크 용량은 기하급수적으로 증가했다.

1990년대 후반부터는 장거리 백본 네트워크를 넘어 사용자 구간까지 확장되기 시작했다. FTTH 사업이 본격화되면서 광섬유는 점차 동축 케이블이나 꼬임선 케이블을 대체하여 가정과 사무실까지 직접 연결되는 인프라가 되었다. 2000년대 이후에는 데이터 센터 내부의 고속 인터커넥트와 모바일 기지국 간의 프론트홀 연결에도 광섬유가 필수적으로 사용되며 그 적용 범위가 전 세계적으로 확고히 자리 잡았다.

최신 광섬유 통신 기술의 주요 동향은 데이터 용량을 극대화하고, 네트워크 효율성을 높이며, 새로운 응용 분야를 개척하는 데 집중되어 있다. 핵심 발전 방향으로는 초고밀도 파장 분할 다중화(UDWDM) 기술을 통한 단일 광섬유의 전송 용량 증대가 꾸준히 진행되고 있다. 이를 위해 더 많은 파장 채널을 더 좁은 간격으로 집어넣는 연구가 활발하다. 또한, 공간 분할 다중화(SDM) 기술은 단일 광섬유 내에 여러 개의 독립적인 전송 경로(예: 다중 코어, 다중 모드)를 만들어 병렬 전송 용량을 획기적으로 늘리는 차세대 솔루션으로 주목받고 있다.

네트워크 운영 및 관리 측면에서는 소프트웨어 정의 네트워킹(SDN)과 네트워크 기능 가상화(NFV) 개념이 광전송 분야에도 깊이 적용되고 있다. 이는 네트워크 자원을 유연하게 제어하고 가상화하여, 트래픽 변화에 실시간으로 대응하고 운영 비용을 절감하는 데 기여한다. 특히 코히어런트 광통신 기술의 발전은 고속 디지털 신호 처리(DSP)를 바탕으로, 광신호의 위상과 진폭 정보까지 정밀하게 활용하여 장거리 전송 시 발생하는 분산 현상을 효과적으로 보상하고, 스펙트럼 효율성을 극대화한다.

응용 분야의 확장도 두드러진다. 데이터센터 내부의 초고속 연결을 위한 실리콘 포토닉스 기반의 집적 광학 부품 개발이 가속화되고 있으며, 이는 소형화, 저전력, 대량 생산 가능성을 높인다. 또한, FTTH 네트워크는 수동형 광가입자망(PON) 기술의 표준이 10G PON에서 25G, 50G PON으로 진화하며 가정과 기업에 더 높은 대역폭을 제공한다. 한편, 양자 키 분배(QKD)와 같은 양자 통신 기술은 기존 광섬유 인프라를 활용한 차세대 보안 통신의 실용화를 위해 연구되고 있다.

광섬유 통신의 핵심 물리적 원리는 전반사 현상을 이용하여 빛을 효율적으로 전달하는 것이다. 광섬유는 중심부의 코어와 이를 둘러싼 클래딩으로 구성되어 있으며, 코어의 굴절률이 클래딩의 굴절률보다 높게 설계된다. 이 굴절률 차이는 빛이 코어와 클래딩의 경계면에서 완전히 반사되도록 만들어, 빛이 광섬유 내부를 따라 장거리를 이동할 수 있게 한다.

빛이 코어를 통해 전달되는 경로는 광섬유의 종류에 따라 달라진다. 다중모드 광섬유에서는 빛이 다양한 각도로 입사되어 여러 경로(모드)를 통해 전파된다. 반면, 단일모드 광섬유는 코어 직경이 매우 작아 빛이 거의 단일 경로로만 전파되도록 설계된다. 전반사가 일어나기 위한 조건은 입사각이 임계각보다 커야 한다는 것이다. 이 임계각은 코어와 클래딩의 굴절률 차이에 의해 결정된다[3].

광전달 과정에서 발생하는 주요 손실 요인은 다음과 같다.

이러한 손실을 최소화하기 위해 고순도 실리카 유리를 사용하고, 광섬유를 제조 및 설치할 때 물리적 스트레스를 줄이는 것이 중요하다. 전반사를 통한 광전달 원리는 매우 낮은 감쇠율로 데이터를 먼 거리까지 전송할 수 있는 광섬유 통신의 기초를 제공한다.

광원은 전기 신호를 광 신호로 변환하는 장치로, 광섬유 내부로 빛을 투사하는 역할을 한다. 주요 광원으로는 발광 다이오드(LED)와 레이저 다이오드(LD)가 사용된다. LED는 가격이 저렴하고 수명이 길지만, 발산각이 넓고 변조 속도가 느려 주로 저속·단거리 통신에 사용된다. 반면, 레이저 다이오드는 발산각이 좁고 단색성이 뛰어나며 고속 변조가 가능하여 장거리 및 고용량 시스템의 핵심 광원이다.

광검출기는 광섬유를 통해 전달된 광 신호를 다시 전기 신호로 복원하는 장치이다. 가장 일반적으로 사용되는 소자는 PIN 포토다이오드와 애벌랜치 포토다이오드(APD)이다. PIN 포토다이오드는 구조가 간단하고 선형성이 좋으며, 비교적 낮은 바이어스 전압으로 동작한다. 애벌랜치 포토다이오드는 내부에서 애벌랜치 효과를 이용해 광전류를 증폭하므로, PIN 다이오드보다 훨씬 높은 감도를 가지지만, 고전압이 필요하고 잡음 특성 관리가 더 복잡하다.

광원과 검출기의 성능은 광섬유 통신 시스템의 전송 거리와 용량을 직접적으로 결정한다. 최근에는 반도체 공정 기술의 발전으로 소형화, 저전력화, 고속화가 지속적으로 이루어지고 있으며, 특히 집적 광학 회로 기술과 결합되어 시스템의 효율과 집적도를 높이는 방향으로 발전하고 있다.

정보를 빛의 신호로 바꾸어 전송하기 위해 사용되는 방법을 변조라고 한다. 광통신 시스템에서는 전기적인 데이터 신호를 광신호의 특성에 실어내는 과정이 필요하다. 가장 기본적인 방식은 광원의 출력 강도를 데이터에 따라 켜고 끄는 강도 변조이다. 이는 구현이 간단하고 비용 효율적이어서 많은 시스템에 널리 사용된다.

보다 고속 및 장거리 전송을 위해서는 위상 변조나 주파수 변조 같은 고급 방식이 사용된다. 예를 들어, 위상 편이 변조는 광파의 위상을 변화시켜 정보를 전송하며, 단위 시간당 더 많은 데이터를 실을 수 있어 대역폭 효율이 높다. 이러한 방식은 일반적으로 코히런트 검출 기술과 결합되어 사용된다.

최근 고용량 시스템의 핵심 기술은 여러 개의 변조 신호를 동시에 다루는 다중 레벨 변조이다. 이 방식은 하나의 심볼에 2비트 이상의 정보를 담아 전송 효율을 극대화한다. 대표적인 방식으로는 직교 진폭 변조이 있으며, 이는 진폭과 위상 두 가지 요소를 모두 변화시켜 정보를 부호화한다.

변조 방식의 선택은 전송 거리, 필요한 데이터 속도, 시스템 비용, 그리고 수신기 복잡도 등의 요인에 따라 결정된다. 고속 광통신의 발전은 본질적으로 더 효율적이고 견고한 변조 기술의 발전과 함께 이루어졌다.

단일모드 광섬유는 코어의 직경이 매우 가늘어(일반적으로 8~10 마이크로미터) 빛이 단일 경로, 즉 하나의 모드로만 전파되도록 설계된 광섬유이다. 이로 인해 모드 분산이 발생하지 않아, 매우 높은 대역폭과 장거리 전송이 가능하다는 특징을 가진다. 단일모드 광섬유는 주로 장거리 통신, FTTH, 그리고 고속 백본 네트워크와 같은 고성능 응용 분야에서 사용된다.

단일모드 광섬유의 성능은 사용되는 광원의 파장과 밀접한 관련이 있다. 일반적으로 1310nm와 1550nm 대역의 파장이 사용되며, 특히 1550nm 대역은 광섬유 자체의 손실이 가장 낮은 영역으로, 광증폭기와 함께 사용되어 수천 킬로미터에 달하는 대륙간 해저 케이블 통신을 가능하게 한다. 코어의 작은 크기 때문에 다중모드 광섬유에 비해 광원으로는 레이저 다이오드와 같은 협스펙트럼 광원이 필요하며, 연결 시 정밀한 정렬이 요구된다.

단일모드 광섬유의 주요 특성을 요약하면 다음과 같다.

단일모드 광섬유는 초기 투자 비용이 상대적으로 높고, 접속 및 배선에 정밀한 기술이 필요하지만, 압도적인 전송 성능 덕분에 현대 광통신 인프라의 핵심 요소로 자리 잡았다. WDM 기술과 결합하면 단일 광섬유 한 가닥으로 수십에서 수백 기가비트에 이르는 엄청난 데이터 용량을 제공할 수 있다.

다중모드 광섬유는 직경이 비교적 굵은 심선을 가지며, 하나의 광섬유 내에서 빛이 여러 경로(모드)를 통해 동시에 전달될 수 있도록 설계된 광섬유이다. 일반적으로 심선 직경이 50 또는 62.5 마이크로미터(µm)이며, 이는 단일모드 광섬유의 직경(약 9 µm)보다 훨씬 크다. 이 굵은 심선은 빛의 전송 경로를 다양하게 만들어, 하나의 펄스가 여러 모드로 나뉘어 전송되는 현상(모드 분산)을 발생시킨다.

이 모드 분산 현상은 광펄스가 수신단에서 시간적으로 퍼지는 결과를 초래하여, 전송 가능한 대역폭과 거리에 제한을 준다. 따라서 다중모드 광섬유는 일반적으로 단거리 통신에 사용된다. 주요 응용 분야로는 건물 내 LAN(근거리 통신망), 데이터 센터 내 장비 간 연결, 그리고 FTTH 배선에서 건물 내 최종 구간 배선 등이 있다. 비교적 낮은 비용의 광원(LED나 VCSEL)과 커넥터를 사용할 수 있어 경제적인 구축이 가능하다는 장점이 있다.

다중모드 광섬유는 그라데이션형(Graded-Index, GI)과 스텝형(Step-Index, SI)으로 크게 구분된다. 성능 면에서 우수한 그라데이션형 다중모드 광섬유는 심선의 굴절률이 중심에서 가장 높고 가장자리로 갈수록 점차 낮아지는 분포를 가진다. 이 구조는 빛이 중심축을 따라 직선으로 진행하는 경로보다, 굴절률 차이로 인해 곡선 경로를 따라 진행하는 빛의 속도가 더 빠르게 만들어, 다양한 모드의 도착 시간 차이를 줄여 모드 분산을 최소화한다.

현대의 고속 데이터센터 인터커넥트에는 주로 OM3, OM4, OM5 등으로 표기되는 그라데이션형 다중모드 광섬유가 사용된다. 이들은 최적화된 설계로 10G, 40G, 심지어 100Gbps 이상의 속도로 수백 미터 거리의 전송을 지원한다[4].

광섬유 케이블은 매우 가늘고 깨지기 쉬운 광섬유를 외부 환경으로부터 보호하고 실용적인 배선이 가능하도록 만든 구조물이다. 단순한 유리 섬유가 아닌, 여러 보호층으로 구성된 복합 케이블이다.

가장 안쪽에는 실제로 빛이 통과하는 심선이 위치한다. 이는 고순도 실리카 유리나 플라스틱으로 만들어진 매우 가는 섬유이다. 심선을 직접 감싸는 층이 클래딩이다. 클래딩은 심선보다 낮은 굴절률을 가진 재료로 만들어져, 빛이 심선 내부에 가두어져 전반사를 통해 전달되도록 한다. 이 심선과 클래딩을 합쳐서 '광섬유 코어'라고 부른다.

코어를 보호하기 위해 여러 층의 추가 구조가 적용된다. 먼저 코어를 버퍼 코팅이 감싼다. 이는 일반적으로 합성수지로 된 1차 보호층으로, 미세한 굴곡이나 충격으로부터 유리 섬유를 보호하고 강도를 보완한다. 그 위에는 강도 부재로 켈라나 아라미드 섬유 같은 장력 보강재가 감겨진다. 이 층은 케이블을 당길 때 발생하는 인장력을 흡수하여 섬유가 끊어지지 않도록 한다. 최외층은 쟈켓 또는 외피로, 주로 폴리에틸렌이나 PVC 같은 재료로 만들어져 습기, 화학물질, 물리적인 마모로부터 내부를 보호한다.

케이블의 용도에 따라 구조는 더욱 복잡해질 수 있다. 예를 들어, 해저 케이블은 강력한 금속 장력원과 중금속 방수층, 그리고 심지어 케이블을 보호하기 위한 강철선으로 구성된다. 실내 배선용 케이블은 가볍고 유연한 구조를 가지며, 한 개의 외피 안에 여러 개의 광섬유 코어를 묶은 형태도 흔하다.

광섬유 통신 시스템의 송신기는 전기 신호를 광신호로 변환하는 장치이다. 이 변환 과정의 핵심 구성 요소는 광원이며, 주로 반도체 레이저나 발광 다이오드(LED)가 사용된다.

반도체 레이저(LD)는 좁은 스펙트럼 폭과 높은 출력, 빠른 변조 속도를 특징으로 한다. 이는 장거리 및 고속 통신에 필수적이다. 특히 단일모드 광섬유와 함께 사용되는 분포 피드백 레이저(DFB-LD)는 매우 순수한 단일 파장의 빛을 생성하여 파장 분할 다중화(WDM) 시스템의 구현을 가능하게 한다. 반면, 발광 다이오드(LED)는 출력과 변조 속도가 낮지만, 제조 비용이 저렴하고 수명이 길어 짧은 거리의 다중모드 광섬유 시스템에 주로 활용된다.

송신기의 동작은 변조 과정을 통해 이루어진다. 가장 일반적인 방식은 전류에 직접 광 출력의 강도를 변화시키는 직접 변조이다. 더 고성능의 시스템에서는 외부 광변조기를 사용하는 외부 변조 방식을 채택하기도 한다. 송신된 광신호의 파장은 시스템 설계에 따라 결정되며, 통상적으로는 섬유 감쇠가 가장 낮은 1550nm 대역(예: C-band)이나 1310nm 대역을 사용한다.

광섬유 케이블은 광섬유 자체를 외부 환경으로부터 보호하고, 설치 및 취급을 용이하게 하기 위한 구조물이다. 단순한 유리 섬유는 매우 취약하므로, 실용적인 통신 매체로 사용하기 위해서는 여러 보호층으로 구성된 케이블 형태로 제조된다.

광섬유 케이블의 기본 구조는 일반적으로 코어, 클래딩, 코팅, 강화재, 외피로 이루어진다. 광섬유 자체는 중심의 코어와 이를 둘러싼 클래딩으로 구성된다. 코어는 빛이 전달되는 통로이며, 클래딩은 코어보다 낮은 굴절률을 가져 빛을 코어 내에 가두는 역할을 한다. 이 유리 섬유의 표면에는 물리적 손상을 방지하기 위해 1차적으로 합성수지로 된 버퍼 코팅이 적용된다. 그 주위에는 인장력을 견디기 위해 아라미드 섬유(케블라)와 같은 강화재가 감겨진다. 최외층은 환경적 요인(습기, 화학물질, 쥐의 물어뜯음 등)으로부터 보호하는 외피로 마무리된다.

케이블의 설계는 설치 환경에 따라 크게 다르다. 주요 유형은 다음과 같다.

광섬유 케이블은 다수의 광섬유를 한 번에 묶어 제조하기도 한다. 이러한 광섬유 다심 케이블은 하나의 외피 안에 수십에서 수백 개의 개별 광섬유를 포함하여, 장거리 백본 네트워크나 대규모 FTTH 배치에 효율적으로 사용된다.

광통신 시스템에서 신호는 광섬유를 통해 장거리를 전송되는 동안 감쇠와 분산으로 인해 세기가 약해지고 형태가 퍼지게 된다. 이를 보상하기 위해 주기적으로 신호를 재생하거나 증폭하는 중계 장치가 필요하다. 초기 시스템은 광-전-광 중계기를 사용했으나, 이후 광증폭기의 등장으로 시스템이 크게 간소화되었다.

광-전-광 중계기는 약해진 광신호를 광검출기로 전기 신호로 변환한 후, 재생 및 재타이밍 과정을 거쳐 다시 레이저 다이오드 같은 광원으로 새로운 광신호를 생성하여 전송하는 방식이다. 이 방식은 신호를 완전히 재생할 수 있어 장거리 전송에 유리했지만, 장비가 복잡하고 비용이 높으며, 특정 변조 방식과 데이터 전송률에 종속되는 한계가 있었다.

이러한 한계를 극복한 기술이 광증폭기이다. 광증폭기는 광신호를 전기 신호로 변환하지 않고 직접 증폭한다. 가장 널리 사용되는 것은 에르븀 도핑 광섬유 증폭기이다. EDFA의 핵심 구성 요소와 작동 원리는 다음과 같다.

EDFA의 등장은 특히 파장 분할 다중화 시스템에 혁명을 가져왔다. 하나의 EDFA로 동시에 여러 파장의 신호를 모두 증폭할 수 있어, 시스템 복잡도와 비용을 크게 낮추면서 대역폭을 극적으로 증가시켰다. 그러나 광증폭기는 광-전-광 중계기와 달리 광잡음을 함께 증폭하고, 신호 재생 기능이 없어 누적되는 분산과 비선형 효과를 보정하지 못한다는 단점도 있다. 따라서 현대 장거리 시스템은 EDFA와 분산 보상 광섬유 또는 디지털 신호 처리를 이용한 신호 재생 기술을 조합하여 사용한다.

수신기는 광섬유를 통해 전달된 광신호를 다시 전기 신호로 변환하는 장치이다. 이 과정의 핵심 구성 요소는 광검출기이며, 주로 포토다이오드가 사용된다. 포토다이오드는 입사하는 광자의 에너지를 흡수하여 전자-정공 쌍을 생성하고, 이로 인해 흐르는 광전류를 생성한다. 이렇게 생성된 미약한 전류 신호는 이후 트랜스임피던스 증폭기를 통해 증폭되고 처리되어 원래의 데이터를 복원한다.

가장 일반적으로 사용되는 광검출기에는 PIN 포토다이오드와 애벌랜치 포토다이오드(APD)가 있다. PIN 포토다이오드는 구조가 단순하고 저렴하며, 바이어스 전압이 낮아 널리 사용된다. 애벌랜치 포토다이오드는 내부에서 애벌랜치 증배 현상을 이용해 광전류를 추가로 증폭하므로, PIN 포토다이오드보다 더 높은 감도를 가진다. 그러나 이는 더 높은 동작 전압과 복잡한 제어 회로를 필요로 한다.

수신기의 성능은 감도와 대역폭이라는 두 가지 주요 파라미터로 평가된다. 감도는 정해진 오류율로 신호를 수신할 수 있는 최소 광전력을 의미하며, 이 값이 낮을수록 약한 신호도 감지할 수 있어 좋은 성능을 나타낸다. 대역폭은 수신기가 처리할 수 있는 신호의 최고 주파수를 결정하며, 이는 시스템의 데이터 전송 속도를 직접적으로 제한한다. 또한, 광신호가 전기 신호로 변환되는 과정에서 발생하는 다양한 잡음(열 잡음, 암전류 잡음, 양자 잡음 등)은 수신기의 성능을 저하시키는 주요 요인이다.

광섬유 통신의 가장 큰 장점은 극히 넓은 대역폭과 매우 빠른 데이터 전송 속도를 제공한다는 점이다. 구리선을 사용하는 전기적 통신 방식에 비해 훨씬 많은 정보를 동시에, 그리고 더 먼 거리까지 전송할 수 있다.

광섬유의 대역폭은 수백 테라헤르츠(THz)에 달한다. 이는 파장 분할 다중화(WDM) 기술을 통해 하나의 광섬유에 수십에서 수백 개의 서로 다른 파장(색상)의 빛을 동시에 전송함으로써 실현된다. 각 파장 채널은 독립적인 데이터 스트림을 나르므로, 전체 데이터 전송 용량은 채널 수와 각 채널의 변조 속도를 곱한 값이 된다. 결과적으로 단일 광섬유 한 가닥으로 초당 수 테라비트(Tbps)에 이르는 엄청난 데이터 전송이 가능해진다[5].

전송 속도 측면에서, 단일모드 광섬유를 사용하는 장거리 시스템은 일반적으로 10Gbps, 100Gbps, 400Gbps, 최근에는 800Gbps 및 1.6Tbps에 이르는 초고속 전송이 상용화되고 있다. 속도와 용량의 발전은 고급 변조 방식과 전자-광자 집적회로 기술의 발전 덕분이다. 반면, 다중모드 광섬유는 비교적 짧은 거리(데이터센터 내부 등)에서 10Gbps에서 100Gbps 이상의 속도를 지원한다. 광섬유의 높은 대역폭은 5G 이동 통신, 초고화질(8K) 영상 스트리밍, 클라우드 컴퓨팅 등 데이터 수요가 폭발적으로 증가하는 현대 디지털 인프라의 근간을 이룬다.

광섬유 통신에서 신호의 세기가 전송 거리에 따라 약해지는 현상을 감쇠라고 하며, 이는 통신 시스템의 최대 전송 거리를 결정하는 핵심 요소이다. 감쇠의 주요 원인은 광섬유 재료 자체의 흡수와 레이리 산란이다. 재료 흡수는 주로 실리카 유리 내 불순물 이온(예: 수산기 이온)에 의한 광에너지 손실이며, 레이리 산란은 유리 내 미세한 밀도 요동에 의한 빛의 산란으로, 파장이 짧을수록 그 영향이 커진다.

감쇠 정도는 단위 길이당(dB/km)으로 표시되며, 광섬유는 특정 파장대역에서 감쇠가 극소화되는 '창(Window)' 영역을 가진다. 주요 통신 창은 다음과 같다.

이 외에도 마이크로 벤딩 손실과 접속 손실이 중요한 감쇠 요인이다. 마이크로 벤딩 손실은 케이블 설치 시 가해지는 미세한 굽힘으로 인해 발생하며, 접속 손실은 두 광섬유를 연결할 때 정렬 불완전, 단면 간격, 축 편심 등으로 생긴다. 이를 최소화하기 위해 정밀한 퓨전 접속 기술과 고성능 커넥터가 사용된다.

감쇠는 광증폭기나 광중계기를 사용하여 주기적으로 신호를 재생·증폭함으로써 보상한다. 특히 1550 nm 대역에서 낮은 감쇠 특성과 에르븀 도핑 광섬유 증폭기의 발명은 대양을 가로지르는 해저 광케이블과 같은 초장거리 통신을 가능하게 한 핵심 기술이다.

광섬유 통신은 전기적 간섭에 매우 강한 특성을 보인다. 광섬유는 유리나 플라스틱으로 만들어져 전기 전도체가 아니므로, 외부의 전자기장(예: 전력선, 전동기, 번개)에 의해 신호가 왜곡되거나 유도되는 현상이 발생하지 않는다. 이는 구리선을 사용하는 동축 케이블이나 꼬임선과 비교된 뚜렷한 장점이다. 또한, 광섬유 케이블 내부에서 발생하는 광 신호는 외부로 누출되지 않으며, 케이블을 물리적으로 절단하거나 접속하지 않는 한 외부에서 신호를 도청하기가 매우 어렵다.

이러한 물리적 특성은 높은 수준의 통신 보안을 제공한다. 도청을 시도하려면 광섬유에 물리적으로 접근하여 미세한 굽힘을 유발하거나, 광 신호의 일부를 분기시켜야 하는데, 이 과정에서 광 신호의 세기가 감소하여 쉽게 탐지될 수 있다. 따라서 중요한 군사 통신, 금융 네트워크, 정부 기관 간 통신에 광섬유가 널리 채택되는 주요 이유 중 하나이다.

그러나 광섬유 통신 시스템도 완전히 무결하지는 않다. 시스템의 전기적 구성 요소(예: 송신기, 수신기, 중계기)는 여전히 전자기 간섭의 영향을 받을 수 있다. 또한, 물리적 보안이 취약한 지점(예: 배선반, 접속함)에서의 무단 접속이나 도청 위협은 존재한다. 최근에는 이러한 약점을 공격하는 기술도 발전하고 있다[6].

보안 강화를 위해, 물리적 보안 조치와 함께 광통신 암호화 기술이 적용된다. 데이터 자체를 암호화하여 전송하면, 설령 신호가 도청당하더라도 내용을 해독할 수 없게 만드는 것이다. 이는 광섬유의 본질적인 보안 특성을 보완하는 필수적인 조치로 간주된다.

광섬유 케이블의 설치 비용은 일반적으로 구리선보다 높다. 이는 케이블 자체의 가격뿐만 아니라, 취급과 설치에 특별한 기술과 정밀한 장비가 필요하기 때문이다. 특히 광섬유는 구부러지거나 압력을 받으면 쉽게 손상될 수 있어, 설치 과정에서 각별한 주의가 요구된다. 도관 배치, 접속 작업, 그리고 신호 손실 측정 등은 숙련된 기술자의 개입을 필요로 하여 초기 투자 비용을 증가시킨다.

유지보수 측면에서 광섬유는 전자기 간섭에 강하고 부식에 대한 저항력이 있어 장기적으로는 유리한 면이 있다. 그러나 고장 발생 시 진단과 수리가 더 복잡할 수 있다. 구리선은 간단한 연속성 테스트로 문제를 찾을 수 있지만, 광섬유의 단선이나 손상 위치를 파악하려면 고가의 OTDR 같은 전문 장비가 필요하다. 또한 광섬유의 접속이나 수리는 미세한 정렬이 필수적이어서, 현장에서의 긴급 복구가 더 어려울 수 있다.

비용 구조를 요약하면 다음과 같다.

전체적인 경제성은 용량, 거리, 그리고 시스템의 예상 수명을 고려하여 평가된다. 대용량 데이터를 장거리에 걸쳐 전송해야 하는 백본 네트워크나 FTTH 같은 응용 분야에서는 높은 초기 비용이 장기적인 운영 효율성과 성능으로 상쇄된다.

광섬유 통신의 가장 핵심적인 응용 분야는 대륙과 해양을 가로지르는 장거리 통신망이다. 이 네트워크는 국가 간, 대륙 간 데이터 트래픽의 대부분을 담당하는 글로벌 통신의 중추적 역할을 한다. 특히 해저 광케이블 시스템은 전 세계 인터넷 트래픽의 99% 이상을 전송하며, 대륙 간 통신을 물리적으로 연결하는 기반 시설이다.

장거리 통신망은 극히 낮은 손실과 넓은 대역폭을 제공하는 단일모드 광섬유를 사용한다. 또한, 파장 분할 다중화 기술을 통해 한 가닥의 광섬유에 수십에서 수백 개의 서로 다른 파장의 광신호를 동시에 실어 보냄으로써 엄청난 용량을 확보한다. 장거리 전송에서 신호 감쇠를 보상하기 위해 광증폭기, 특히 에르븀 첨가 광섬유 증폭기가 정기적으로 설치되어 광신호를 전기 신호로 변환하지 않고도 직접 증폭한다.

해저 광케이블 시스템의 구축과 운영은 매우 복잡하고 비용이 많이 든다. 케이블은 수심 수천 미터의 해저에 놓이며, 중계기를 포함한 각 구간의 길이는 수백 킬로미터에 달한다. 이 시스템은 지진, 선박 닻, 어망 등 외부 손상으로부터 보호하기 위해 강화된 설계를 갖추고 있으며, 장애 발생 시 수리를 위해 특수 선박이 투입된다. 주요 글로벌 통신 사업자와 콘텐츠 제공자(예: 구글, 메타, 아마존)는 자체 해저 케이블을 투자하여 구축하기도 한다.

FTTH는 광섬유를 이용하여 통신 사업자의 국사에서 가입자 주거 공간까지 직접 연결하는 네트워크 구조를 말한다. 'Fiber To The Home'의 약자로, 한국어로는 광가입자망 또는 가정용 광통신 망으로 불린다. 이는 기존의 동축 케이블이나 전화선(트위스트 페어 케이블)을 사용하는 xDSL 방식보다 훨씬 높은 대역폭과 속도를 제공하는 것이 핵심 특징이다.

FTTH 네트워크의 일반적인 구성은 중앙국사에 위치한 OLT(광회선 종단장치)와 가입자 집에 설치되는 ONU(광네트워크 단말장치) 또는 ONT(광네트워크 종단장치)로 이루어진다. 이 두 장치 사이는 수 km에 달하는 단일모드 광섬유로 연결되며, 중간에는 광신호를 분기하는 광분배기(Splitter)가 위치한다. 하나의 OLT 포트는 하나의 광섬유로 연결되지만, 광분배기를 통해 다수의 가입자(보통 32가구 또는 64가구)와 공유되는 PON(수동형 광가입자망) 방식이 가장 널리 사용된다[8].

FTTH의 도입으로 가정용 인터넷 접속 속도는 기가비트 수준으로 비약적으로 향상되었으며, 고화질 IPTV, VoIP, 초고화질(4K/8K) 스트리밍 등 데이터 집약형 서비스의 이용이 일상화되었다. 또한, 업로드와 다운로드 속도가 대칭적으로 제공되는 경우가 많아 원격 근무, 클라우드 백업, 화상 회의 등의 활용도가 크게 높아졌다. 이 기술은 국가 기간 통신망의 고도화와 초고속 인터넷 보급률을 측정하는 주요 지표로도 활용된다.

초기 높은 설치 비용이 장벽이었으나, 기술 발전과 규모의 경제로 인해 도시뿐만 아니라 많은 지역에서 ADSL이나 케이블 모뎀을 대체하는 표준 기술로 자리 잡았다. 현재는 단순한 초고속 인터넷 접속을 넘어 스마트 홈, 홈 IoT 기기 연동, 그리고 미래 5G 기지국의 백홀 연결을 위한 기반 시설로서의 역할도 중요해지고 있다.

데이터센터 내부 및 데이터센터 간의 고속 연결을 위해 광섬유 통신은 필수적인 인프라 역할을 한다. 서버 랙 간, 스위치 간, 그리고 지리적으로 분산된 데이터센터 건물을 연결하는 백본 네트워크에서 광케이블은 초고대역폭과 낮은 지연 시간을 제공한다. 특히 클라우드 컴퓨팅과 대규모 분산 처리가 일반화되면서, 데이터센터 내부의 동축 케이블이나 구리선 기반 이더넷은 한계에 부딪혔고, 이를 대체하기 위해 광섬유 인터커넥트가 빠르게 확산되었다.

주요 적용 형태는 데이터센터 내부의 단거리 고밀도 연결과 데이터센터 간의 장거리 고용량 연결로 구분된다. 내부 연결에는 주로 VCSEL을 광원으로 사용하는 다중모드 광섬유가 짧은 거리와 높은 포트 밀도 요구사항에 맞춰 활용된다. 반면, 데이터센터 간 연결에는 단일모드 광섬유와 DWDM 기술을 결합하여 수십에서 수백 Gbps에 이르는 초고속 채널을 구축한다.

데이터센터 인터커넥트의 발전은 속도와 밀도 증가에 주력해 왔다. 초기 1Gbps, 10Gbps에서 현재는 400Gbps가 상용화되었으며, 800Gbps 및 1.6Tbps 모듈 개발도 진행 중이다. 이를 지원하기 위해 QSFP와 같은 소형 폼팩터 광트랜시버 모듈이 진화하여 동일한 면적에 더 많은 포트를 수용할 수 있게 되었다. 또한, CPO와 같은 패키징 기술은 트랜시버 모듈을 스위치 칩에 더 가깝게 통합하여 전력 소모와 신호 열화를 줄이는 방향으로 연구되고 있다.

이러한 광섬유 기반 인터커넥트의 진화는 AI 학습과 빅데이터 분석과 같은 현대 워크로드가 요구하는 막대한 데이터 이동을 가능하게 하는 핵심 동력이다.

광섬유 통신 기술은 정보 전송뿐만 아니라 다양한 센서 응용 분야에서도 중요한 역할을 한다. 특히 의료와 산업 현장에서는 광섬유 센서가 기존의 전기식 센서가 접근하기 어렵거나 사용하기 부적합한 극한 환경에서 우수한 성능을 발휘한다. 이는 광섬유가 전자기 간섭에 영향을 받지 않으며, 소형이고 유연하며, 고온·고압·부식성 환경에 강한 특성을 지니기 때문이다.

의료 분야에서는 광섬유 내시경이 대표적인 응용 사례이다. 매우 가는 광섬유 다발을 이용해 인체 내부를 조명하고 영상을 전달하여, 수술 없이도 위나 장 등의 내부를 관찰할 수 있게 한다. 또한, 광섬유 기반 생체센서는 혈액 내 특정 성분의 농도나 체내 pH 값을 실시간으로 측정하는 데 사용된다. 이 센서들은 광섬유 끝단에 부착된 특수 코팅이 목표 물질과 반응하여 광신호의 파장이나 세기를 변화시키는 원리를 이용한다.

산업 분야에서는 구조물의 건강 상태 모니터링(Structural Health Monitoring, SHM)이 주요 응용 분야이다. 다리, 터널, 풍력 터빈 블레이드, 항공기 동체 등의 구조물 내부에 광섬유 센서를 내장하여, 변형률, 진동, 온도, 압력 등의 물리량을 분산적으로 측정한다. 이 시스템은 광섬유 브래그 격자(FBG) 센서를 많이 사용하는데, 이는 광섬유 내부에 주기적인 굴절률 변화를 만들어 특정 파장의 빛만 반사시키는 원리로 작동한다. 외부의 변형이나 온도 변화가 이 반사 파장을 이동시키므로, 매우 정밀한 측정이 가능하다.

이 외에도 광섬유 센서는 화학 공장의 가스 누출 감지, 전력 케이블의 온도 모니터링, 국경이나 중요 시설의 보안 침입 감지 시스템 등 다양한 산업 분야에 활용된다. 전기적 신호를 사용하지 않아 폭발 위험 환경에서도 안전하게 사용될 수 있으며, 한 가닥의 광섬유로 수킬로미터 구간에 걸쳐 수많은 측정 지점을 구현할 수 있는 것이 가장 큰 강점이다.

파장 분할 다중화(Wavelength Division Multiplexing, WDM)는 하나의 광섬유를 통해 여러 개의 서로 다른 파장(색상)의 광신호를 동시에 전송하여 전송 용량을 극대화하는 기술이다. 이는 마치 하나의 도로에 여러 차선을 만들어 다양한 색깔의 차량이 동시에 달리도록 하는 것과 유사하다. 각 파장 채널은 서로 간섭을 일으키지 않는 독립적인 통신 경로로 작동하여, 단일 광섬유의 대역폭을 효율적으로 활용할 수 있게 한다.

WDM은 크게 조밀 파장 분할 다중화(DWDM)와 성긴 파장 분할 다중화(CWDM)로 구분된다. DWDM은 매우 좁은 간격(예: 0.8nm 또는 0.4nm)으로 수십에서 수백 개의 파장 채널을 밀집시켜 배치하는 방식으로, 주로 장거리 백본 네트워크나 해저 케이블 시스템에서 초고용량 전송에 사용된다. 반면, CWDM은 더 넓은 간격(예: 20nm)으로 소수의 채널(보통 18개 이하)을 사용하여 비교적 단거리 구간에서 비용 효율적인 용량 증대를 구현한다.

WDM 시스템의 핵심 구성 요소는 다음과 같다.

이 기술의 등장은 광섬유 통신의 발전에 있어 혁신적인 전환점이었다. 기존에는 하나의 광섬유에 하나의 파장만 사용했지만, WDM을 도입함으로써 기존 광섬유 인프라를 교체하지 않고도 전송 용량을 수백 배까지 쉽게 확장할 수 있게 되었다. 이는 특히 ITU-T에서 표준화된 파장 그리드를 바탕으로 다양한 벤더의 장비 간 상호운용성을 보장하며 글로벌 네트워크의 핵심 기술로 자리 잡았다.

광증폭기(Optical Amplifier)는 광신호를 광전자 변환 과정 없이 직접 증폭하는 장치이다. 특히 에르븀 도핑 광섬유 증폭기(EDFA)는 1.55 마이크로미터 대역에서 작동하며, 현대 광섬유 통신 시스템의 핵심 요소로 자리 잡았다.

EDFA의 작동 원리는 에르븀(Er) 이온이 도핑된 광섬유 코어에 여기광(펌프광)을 조사하여 에너지 준위를 높인 후, 통과하는 신호광이 이를 자극하여 동일한 파장과 위상을 가진 광자를 추가로 방출(유도 방출)하도록 하는 것이다. 이 과정에서 신호광은 직접적으로 증폭된다. 주요 구성 요소는 다음과 같다.

EDFA는 광-전-광(O-E-O) 방식의 기존 중계기와 비교하여 몇 가지 결정적인 장점을 가진다. 첫째, 광신호를 직접 증폭하므로 변복조 장치가 필요 없어 시스템을 단순화하고 비용을 절감한다. 둘째, 매우 넓은 대역폭(수십 나노미터) 내의 여러 파장 채널을 동시에 증폭할 수 있어, 파장 분할 다중화(WDM) 기술과의 결합이 필수적이다. 셋째, 증폭 속도가 매우 빨라 고속 데이터 전송에 적합하다. 그러나 자발 방출에 의한 증폭 자발 방출 잡음(ASE Noise)이 발생하고, 이득 평탄도 및 이득 포화 현상과 같은 한계도 존재한다[9].

광섬유 통신 시스템의 상호운용성, 성능, 안정성을 보장하기 위해 국제적으로 여러 표준화 기구가 관련 표준을 제정하고 관리한다. 가장 영향력 있는 기구로는 국제전기통신연합 전기통신표준화부문(ITU-T)과 전기전자기술자협회(IEEE)가 있으며, 이들의 표준은 광통신 네트워크의 물리적 계층부터 네트워크 관리 프로토콜에 이르기까지 광범위한 영역을 포괄한다.

ITU-T는 주로 공중 통신망을 위한 글로벌 표준을 담당한다. 광전송 시스템과 네트워크에 관한 권고안은 G 시리즈[10]로 분류된다. 이는 광섬유의 특성(예: 감쇠율, 분산), 파장 분할 다중화(WDM) 시스템의 파장 그리드, 광전송망(OTN)의 프레임 구조 및 관리 기능 등을 정의한다. 특히, 동기식 광전송망(SDH)과 이를 계승한 OTN에 관한 표준은 장거리 백본 네트워크의 근간을 이룬다.

반면, IEEE는 주로 이더넷과 같은 데이터 링크 계층 기술의 표준화에 중점을 두며, 이를 광섬유 매체에 적용하는 물리층 표준을 정의한다. 대표적인 예로, 1Gbps부터 400Gbps 이상에 이르는 다양한 속도의 이더넷 표준(예: IEEE 802.3)은 광섬유를 이용한 트랜시버 모듈의 타입, 최대 전송 거리, 사용 파장 등을 상세히 규정한다[11]. 이 표준들은 데이터센터 내부 연결이나 가정용 광가입자망(FTTH)의 액세스 네트워크에서 광범위하게 적용된다.

두 기구의 표준은 서로 보완적인 관계에 있다. ITU-T의 광전송 표준은 대용량 데이터를 장거리에 효율적으로 운반하는 '고속도로'를 설계하는 규칙이라면, IEEE의 이더넷 표준은 그 고속도로 위를 달리는 '차량'(데이터 패킷)의 규격과 교통 규칙을 정한다고 볼 수 있다. 현대의 복잡한 통신 인프라는 이 두 표준 체계가 조화를 이루며 구축되고 운영된다.