광섬유의 원리

광섬유의 기본 구조는 중심부인 코어와 이를 둘러싼 클래딩 층으로 구성된다. 코어는 광신호가 실제로 전달되는 통로 역할을 하는 매우 가는 유리 또는 플라스틱 실이다. 클래딩은 코어를 완전히 감싸는 층으로, 코어보다 낮은 굴절률을 가지는 재료로 만들어져 빛이 코어 내부에 가두어지도록 한다.

코어와 클래딩의 굴절률 차이는 광섬유가 작동하는 핵심 원리이다. 코어의 굴절률(n1)이 클래딩의 굴절률(n2)보다 반드시 커야 하며, 이 차이에 따라 광섬유의 개구수와 수치구경이 결정된다. 일반적으로 코어의 직경은 수 마이크로미터(단일모드)에서 수십 마이크로미터(다중모드) 사이이며, 클래딩의 직경은 표준적으로 125 마이크로미터 정도이다.

이러한 이중 구조 덕분에, 코어로 입사된 빛은 코어-클래딩 경계면에서 반복적으로 전반사를 일으키며, 에너지 손실을 최소화하면서 먼 거리를 진행할 수 있다. 코어와 클래딩은 모두 매우 높은 순도의 재료로 만들어져 빛의 흡수나 산란으로 인한 손실을 극도로 줄인다.

광섬유의 코어와 클래딩을 감싸는 외부 층이다. 이 피복의 주요 기능은 미세한 유리 섬유를 기계적 충격, 마모, 습기, 화학적 영향으로부터 보호하는 것이다. 광섬유는 직경이 매우 가늘어서 외부 손상에 취약하므로, 보호 피복은 광 신호의 안정적인 전송을 보장하는 데 필수적이다.

보호 피복은 일반적으로 한 층 이상으로 구성된다. 1차 피복은 클래딩 직후에 코팅되는 얇고 부드러운 층으로, 주로 아크릴레이트 계열의 합성 수지를 사용한다. 이 층은 광섬유의 표면에 생길 수 있는 미세 균열을 억제하고, 굽힘에 따른 손실을 줄이는 완충 역할을 한다. 그 위에 적용되는 2차 피복은 더 두껍고 단단한 재질로, 대개 나일론이나 폴리에틸렌 같은 폴리머를 사용하여 강도를 높인다.

보호 피복의 재질과 두께는 광섬유의 사용 환경에 따라 달라진다. 실내 배선용 케이블은 비교적 가벼운 보호를 받는 반면, 직매나 해저 케이블과 같이 가혹한 환경에 노출되는 경우에는 강철 선이나 케블라 섬유로 보강된 매우 튼튼한 외피로 추가 보호된다. 이러한 다층 구조는 광섬유를 외부 압력과 급격한 온도 변화로부터도 보호한다.

광섬유에서 빛이 코어 내부에 가둬져 전달되는 현상은 전반사에 기반을 둔다. 이 전반사 현상을 이해하는 핵심은 스넬의 법칙과 임계각 개념이다.

스넬의 법칙은 빛이 서로 다른 굴절률을 가진 매질의 경계면을 통과할 때 진행 방향이 꺾이는 정도를 설명한다. 이 법칙에 따르면, 입사각(θ₁)과 굴절각(θ₂)의 사인(sin) 값은 두 매질의 굴절률(n₁, n₂)에 반비례한다. 수식으로는 n₁ sinθ₁ = n₂ sinθ₂로 표현된다. 광섬유에서는 코어의 굴절률(n₁)이 클래딩의 굴절률(n₂)보다 반드시 커야 한다(n₁ > n₂).

임계각은 굴절각이 90도가 되어 굴절광이 경계면을 따라 스치듯이 나갈 때의 입사각을 말한다. 스넬의 법칙에 굴절각 θ₂ = 90° (sinθ₂ = 1)을 대입하면, 임계각(θ_c)은 sinθ_c = n₂ / n₁ 으로 계산된다. 입사각이 이 임계각보다 클 경우, 굴절이 일어나지 않고 모든 빛 에너지가 경계면에서 반사된다. 이 현상을 전반사라고 한다.

따라서 광섬유는 높은 굴절률의 코어와 낮은 굴절률의 클래딩을 구성하고, 코어 내부로 빛을 임계각보다 큰 각도로 입사시켜 전반사를 반복적으로 일으킴으로써 신호를 장거리 전송한다.

광섬유 내부에서 빛이 효율적으로 전달되기 위해서는 코어와 클래딩의 경계면에서 전반사가 지속적으로 일어나야 한다. 이 조건은 스넬의 법칙에 의해 결정되며, 입사각이 특정 임계각보다 커야 한다.

전반사가 발생하기 위한 첫 번째 조건은 코어의 굴절률이 클래딩의 굴절률보다 반드시 커야 한다는 점이다. 이 굴절률 차이는 광섬유 설계의 근본이며, 빛이 경계면을 통과하여 빠져나가는 것을 방지한다. 두 번째 조건은 빛이 코어-클래딩 경계면에 입사할 때의 각도가 계산된 임계각보다 커야 한다. 임계각(θ_c)은 sinθ_c = n_2 / n_1 공식으로 구할 수 있으며, 여기서 n_1은 코어의 굴절률, n_2는 클래딩의 굴절률이다. 입사각이 이 임계각보다 작으면 빛의 일부가 굴절되어 클래딩으로 빠져나가 손실이 발생한다.

이러한 조건을 만족시키기 위해 광섬유는 매우 정밀하게 제조된다. 코어와 클래딩의 굴절률 분포와 직경은 광섬유의 종류(단일모드 광섬유 또는 다중모드 광섬유)에 따라 엄격하게 통제된다. 광섬유의 한쪽 끝면으로 빛을 주입할 때, 빛이 전반사 조건을 만족하는 각도 범위를 개구수 또는 수용각으로 정의하며, 이는 광섬유가 빛을 포집하는 능력을 결정하는 중요한 매개변수이다.

단일모드 광섬유는 코어의 직경이 매우 작아(일반적으로 8~10 마이크로미터) 빛이 단일 경로, 즉 하나의 공간 모드로만 전파되도록 설계된 광섬유이다. 이는 빛의 파장에 가까운 작은 코어 직경과 코어와 클래딩 사이의 작은 굴절률 차이를 통해 구현된다. 단일 경로로 신호가 전송되기 때문에 모드 분산이 발생하지 않아, 장거리 및 고대역폭 통신에 가장 적합한 형태이다.

주요 특징은 다음과 같다. 매우 좁은 코어는 빛을 레이저와 같은 높은 일관성을 가진 간섭성 광원과 결합하여 사용해야 효율적으로 광을 결합시킬 수 있다. 이로 인해 송신기 비용이 상대적으로 높은 편이다. 그러나 전송 특성상 신호 왜곡이 극히 적어, 수십에서 수백 킬로미터에 이르는 장거리 구간에서도 중계기 없이 신호를 전송할 수 있다.

단일모드 광섬유는 통신용 파장 대역에 따라 다시 세분화된다. 일반적으로 사용되는 파장은 1310nm와 1550nm 대역이다. 1550nm 대역은 감쇠가 가장 낮은 영역으로, 해저 케이블과 같은 초장거리 백본 네트워크의 핵심 매체로 사용된다. 최근에는 코어 내부의 굴절률 분포를 변형하여 분산 특성을 더욱 개선한 비분산 천이 단일모드 광섬유나, 널리 플랫텐 단일모드 광섬유 등 다양한 변형이 개발되어 특수한 통신 요구를 충족시킨다.

다중모드 광섬유는 코어의 직경이 비교적 크고(일반적으로 50μm 또는 62.5μm), 광선이 코어 내에서 여러 경로(모드)를 따라 전파될 수 있는 광섬유이다. 이로 인해 하나의 광 펄스가 여러 모드로 나뉘어 전송되며, 각 모드는 서로 다른 경로 길이를 가지게 된다.

주요 특징은 다음과 같다. 코어 직경이 크기 때문에 광원으로 값싼 발광 다이오드(LED)를 사용할 수 있어 시스템 구축 비용이 낮다. 그러나 여러 경로를 통해 전송된 빛이 수신단에 도달하는 시간에 차이(모드 분산)가 발생하여, 전송되는 광 펄스가 넓어지거나 겹치는 현상이 생긴다. 이 모드 분산은 대역폭을 제한하고, 장거리 고속 통신에 적합하지 않게 만드는 주요 요인이다.

다중모드 광섬유는 다시 코어 내의 굴절률 분포에 따라 두 가지 주요 유형으로 나뉜다.

따라서, 구배형 다중모드 광섬유가 계단형보다 성능이 우수하다. 다중모드 광섬유는 일반적으로 수백 미터에서 몇 킬로미터 정도의 비교적 짧은 거리 통신, 예를 들어 건물 내 LAN(근거리 통신망), 데이터 센터 내부 연결, 공장 자동화 시스템 등에 널리 사용된다.

광섬유는 코어 내부의 굴절률 분포에 따라 크게 계단형 광섬유와 구배형 광섬유로 구분된다. 이 두 가지 구조는 빛의 전파 방식과 성능에 결정적인 차이를 만든다.

계단형 광섬유는 코어의 굴절률이 균일하고, 코어와 클래딩 사이의 경계면에서 굴절률이 갑자기 낮아지는 구조를 가진다. 이 때문에 빛은 코어-클래딩 경계면에서 전반사를 반복하며 지그재그 형태로 진행한다. 서로 다른 각도로 입사된 빛(서로 다른 모드)은 경로 길이가 달라져, 동일한 거리를 이동하는 시간에 차이가 발생한다. 이 현상을 모드 분산이라고 하며, 이는 신호의 왜곡과 대역폭 제한의 주요 원인이다.

구배형 광섬유는 이러한 모드 분산을 줄이기 위해 설계되었다. 코어의 굴절률이 중심에서 가장 높고, 외곽으로 갈수록 점진적으로 낮아지는 포물선 형태의 분포를 가진다. 이 구조에서 빛은 굴절률이 높은 중심부로 끌려드는 성질 때문에, 직선 경로가 아닌 사인파(sinusoidal) 형태의 곡선 경로를 따라 진행한다. 중심에서 멀어질수록 굴절률이 낮아져 속도가 빨라지므로, 다양한 경로를 통해 이동하는 빛들의 도달 시간 차이가 줄어든다.

다음 표는 두 유형의 주요 특징을 비교한 것이다.

결과적으로, 구배형 구조는 계단형 구조에 비해 모드 분산을 현저히 감소시켜 더 높은 대역폭과 더 먼 전송 거리를 가능하게 한다. 따라서 현대의 다중모드 광섬유는 대부분 성능이 우수한 구배형 구조를 채용하고 있다.

광섬유를 통해 정보를 전송하기 위해서는 전기 신호를 광 신호로 변환하는 과정이 필요하다. 이 변환을 담당하는 장치가 광원이다. 광통신 시스템에서 가장 일반적으로 사용되는 광원은 반도체 레이저와 발광 다이오드이다. 반도체 레이저는 좁은 스펙트럼 폭과 높은 출력, 빠른 변조 속도를 제공하여 장거리 고속 통신에 적합하다. 발광 다이오드는 가격이 저렴하고 수명이 길지만, 스펙트럼 폭이 넓고 변조 속도가 느려 비교적 짧은 거리의 통신에 주로 사용된다.

정보를 광 신호에 실어 보내는 과정을 변조라고 한다. 가장 기본적인 변조 방식은 광의 강도를 정보 신호에 따라 변화시키는 강도 변조이다. 디지털 통신에서는 '1'과 '0'의 비트 정보에 따라 광원을 켜거나 끄는 온-오프 키잉 방식을 사용한다. 변조된 광 신호는 광섬유의 코어로 주입되어 전반사 원리에 따라 전송된다. 고속 통신을 위해서는 광원의 빠른 응답 속도와 정밀한 제어가 필수적이다.

광원의 특성은 전송 품질에 직접적인 영향을 미친다. 주요 특성은 다음과 같다.

이러한 광원과 변조 기술의 발전은 광섬유 통신의 용량과 속도를 지속적으로 향상시키는 핵심 동력이 되었다.

광섬유 내부를 진행하는 광 신호의 세기는 거리에 따라 점차 약해지는데, 이 현상을 감쇠라고 한다. 감쇠의 주요 원인은 흡수 손실, 레이리 산란, 그리고 구조적 결함에 의한 손실이다. 흡수 손실은 주로 광섬유 재료인 실리카 유리 자체의 불순물 이온(예: 철, 구리 이온)이나 수산기에 의해 광 에너지가 열에너지로 변환되어 발생한다. 레이리 산란은 유리 내부의 미세한 밀도 요동으로 인해 빛이 모든 방향으로 산란되는 현상이며, 이는 파장의 4제곱에 반비례하므로 짧은 파장(예: 850nm)에서 더 크게 나타난다.

구조적 결함에 의한 손실은 굽힘 손실과 결합 손실로 나눌 수 있다. 굽힘 손실은 광섬유가 급격하게 휘어질 때 전반사 조건이 깨져 일부 빛이 코어를 벗어나 발생한다. 결합 손실은 두 광섬유를 접속할 때 정렬 불량, 단면 간격, 또는 단면 각도 차이로 인해 신호가 누설되어 생긴다.

감쇠는 일반적으로 단위 길이당 데시벨(dB/km)로 표현된다. 통신용 광섬유의 감쇠는 사용하는 파장대에 따라 크게 달라지며, 주요 통신 창이라고 불리는 파장대에서 최소값을 보인다. 이는 해당 파장에서 재료의 흡수와 산란이 가장 적기 때문이다.

감쇠를 줄이기 위해서는 고순도의 원료를 사용하여 불순물을 제거하고, 제조 공정을 정교하게 제어하여 구조적 결함을 최소화해야 한다. 또한 광섬유를 설치 및 취급할 때 허용 곡률 반경을 준수하여 불필요한 굽힘 손실을 방지하는 것이 중요하다.

광섬유 내에서 광 신호가 전송될 때 발생하는 펄스의 확산 또는 왜곡 현상을 분산이라고 한다. 이는 광 펄스가 광섬유를 통과하는 동안 시간적으로 퍼지는 현상으로, 전송 용량과 거리를 제한하는 주요 요인이다. 분산은 크게 모드 분산, 물질 분산, 그리고 도파로 분산으로 나뉜다.

모드 분산은 다중모드 광섬유에서 주로 나타난다. 동일한 광 펄스의 에너지가 서로 다른 경로(모드)를 따라 전파되면서 도착 시간에 차이가 생기기 때문에 발생한다. 이로 인해 수신단에서 펄스가 넓어져 인접한 펄스와 겹칠 수 있으며, 이를 모달 분산이라고도 한다. 단일모드 광섬유는 하나의 경로만을 지원하므로 모드 분산은 거의 발생하지 않는다.

물질 분산과 도파로 분산은 단일모드 광섬유에서도 중요한 영향을 미친다. 물질 분산은 광섬유를 구성하는 실리카 유리의 굴절률이 광파장에 따라 달라지기 때문에 발생한다. 즉, 파장이 다른 빛 성분들이 서로 다른 속도로 전파되어 펄스가 확산된다. 도파로 분산은 광파장에 따른 광파의 전파 모드 특성 변화, 즉 광파장에 따라 빛이 코어와 클래딩 사이에 분포되는 비율이 달라지면서 생기는 속도 차이에서 기인한다. 이 두 분산의 합을 총 분산 또는 색분산이라고 한다.

분산을 최소화하기 위해, 특히 장거리 고속 통신에서는 분산이 거의 제로가 되는 특정 파장(예: 1310nm 또는 1550nm 대역)을 사용하거나, 분산을 보상하는 특수 광섬유나 장비를 활용한다.

MCVD 법은 Modified Chemical Vapor Deposition의 약자로, 광섬유의 코어와 클래딩을 형성하는 데 널리 사용되는 화학기상증착 공정이다. 이 방법은 1970년대에 벨 연구소에서 개발되어 고순도 석영 유리 광섬유의 대량 생산을 가능하게 했다.

공정은 중공의 석영 기관(Preform Tube) 내부에서 진행된다. 먼저, 기관을 고속으로 회전시키면서 외부에서 가열한다. 가열된 기관 내부로 염화규소(SiCl₄), 염화게르마늄(GeCl₄) 등의 원료 가스와 산소를 흘려보낸다. 고온에서 이 가스들은 화학 반응을 일으켜 미세한 이산화규소(SiO₂)와 이산화게르마늄(GeO₂) 입자(소위 '소트')를 생성한다. 이 입자들은 뜨거운 기관 벽에 충돌하여 증착되어 막을 형성한다. 코어의 굴절률을 높이기 위해 이산화게르마늄을 첨가하는 것이 일반적이다.

이 방법의 주요 장점은 정밀한 굴절률 분포 제어가 가능하고, 불순물이 침투할 가능성이 낮아 고품질의 광섬유를 생산할 수 있다는 점이다. 또한, 공정이 비교적 폐쇄된 공간에서 이루어지기 때문에 재현성이 뛰어나다. 그러나 공정 속도가 상대적으로 느리고, 기관의 직경에 의해 만들 수 있는 프리폼의 크기가 제한된다는 단점도 있다.

OVD 법은 외부 기상 증착법의 약자로, 광섬유의 프리폼을 제조하는 주요 공정 중 하나이다. 이 방법은 1970년대 초 코닝의 연구원들에 의해 개발되었으며, 높은 생산성과 우수한 품질의 프리폼을 대량으로 제조할 수 있는 특징을 지닌다.

공정은 수평으로 회전하는 맨드릴 주위로 염화규소(SiCl₄)와 같은 원료 가스를 산화시켜 실리카(SiO₂) 미립자를 생성하는 것으로 시작한다. 이 미립자들은 맨드릴 표면에 충적층을 형성하며, 맨드릴의 회전과 가스 버너의 왕복 운동을 통해 균일한 원통형의 다공성 프리폼이 만들어지게 된다. 코어와 클래딩의 굴절률 분포는 가스의 조성과 공급 순서를 정밀하게 제어함으로써 구현된다.

다공성 프리폼이 완성된 후, 맨드릴은 제거되고 프리폼은 정제 과정을 거친다. 이후 프리폼은 고온의 소결로에 투입되어 투명한 유리 막대인 프리폼으로 변환된다. 이 최종 프리폼은 광섬유 연신기에 장착되어 가늘게 잡아당겨져 실제 사용되는 광섬유로 제조된다. OVD 법은 프리폼의 크기를 크게 만들 수 있어, 한 번의 연신으로 매우 긴 길이의 광섬유를 생산할 수 있는 장점이 있다.

광섬유는 현대 통신 네트워크의 핵심 인프라를 구성한다. 특히 장거리 및 대용량 데이터 전송 분야에서 동축 케이블이나 구리선을 대체하며 혁명적인 변화를 가져왔다. 광섬유를 기반으로 한 네트워크는 크게 백본 네트워크, 메트로 이더넷, FTTx 등으로 구분된다. 이들은 각기 다른 거리와 용량 요구사항에 맞춰 설계된다.

가장 대표적인 응용은 인터넷 백본이다. 대륙 간 해저 광케이블부터 국가 및 지역 간 주요 통신망을 연결하는 초고속 네트워크의 중추 역할을 한다. 또한, FTTH는 가정까지 광섬유를 직접 연결하여 기가비트급 초고속 인터넷 서비스를 제공하는 방식이다. 이는 VDSL이나 케이블 모뎀보다 월등히 높은 대역폭과 안정성을 보장한다.

이외에도 데이터 센터 내부의 고속 상호 연결, 5G 및 차세대 이동통신 기지국 간의 프론트홀 및 백홀 링크, 그리고 CATV의 신호 배급망에서도 광섬유가 광범위하게 사용된다. 네트워크의 성능을 결정하는 주요 요소로는 전송 손실, 분산, 그리고 사용되는 파장 대역(O 밴드, C 밴드, L 밴드 등)이 있다.

광섬유는 의료 내시경의 핵심 구성 요소로, 인체 내부의 공동이나 장기를 비침습적으로 관찰할 수 있게 해준다. 전통적인 경성 내시경과 달리, 광섬유를 이용한 유연성 내시경은 구부러진 신체 부위까지 도달할 수 있어 검사 범위가 크게 확대되었다.

내시경의 한 다발은 조명광을 전달하여 관찰 부위를 밝히고, 다른 한 다발은 반사광을 수집하여 의사가 보는 접안부나 카메라로 전달한다. 이 광섬유 다발을 이미지 번들이라고 부르며, 수만 가닥의 극세사 광섬유가 규칙적으로 배열되어 있다. 각 광섬유는 하나의 화소 역할을 하여, 전체 배열을 통해 내부 장기의 영상을 구성한다.

광섬유 내시경의 주요 장점은 다음과 같다.

이 기술은 상부 위장관 내시경, 대장내시경, 기관지내시경 등 다양한 분야에서 진단과 동시에 조직 검체 채취나 작은 수술도 수행할 수 있는 기반을 마련했다. 최근에는 초소형 카메라가 장착된 캡슐형 내시경도 개발되어, 환자가 삼키는 약 캡슐 크기의 장치가 소화관을 통과하며 영상을 무선으로 전송하기도 한다[3].

광섬유는 온도, 압력, 변형, 화학 물질 농도 등 다양한 물리량을 측정하는 산업용 센서의 핵심 소자로 활용된다. 광섬유 센서는 전기적 간섭에 강하고, 폭발 위험이 없는 환경에서 사용 가능하며, 원거리 분산 측정이 용이하다는 장점을 지닌다. 그 작동 원리는 측정 대상에 의해 광섬유 내부를 전달되는 광신호의 세기, 위상, 파장, 편광 상태 등이 변조되는 현상을 감지하는 데 기반을 둔다.

주요 센서 유형으로는 광섬유 브래그 격자(FBG) 센서와 분산형 센서가 대표적이다. FBG 센서는 광섬유 코어에 주기적인 굴절률 변화를 형성하여, 특정 파장의 빛만을 반사시키는 구조를 가진다. 외부의 온도나 변형(스트레인)이 가해지면 이 격자의 주기가 변하여 반사 파장이 이동하게 되고, 이를 측정함으로써 물리량을 정밀하게 계측한다. 분산형 센서는 레이리 산란, 브릴루앙 산란, 라만 산란과 같은 광섬유 내부의 비선형 산란 현상을 이용한다. 예를 들어, 산란된 빛의 세기나 주파수 변화를 분석하여 광섬유가 설치된 경로 전반에 걸친 온도 분포나 변형 분포를 연속적으로 측정할 수 있다.

이러한 센서들은 다양한 산업 분야에 적용된다. 대형 구조물인 교량, 터널, 풍력 터빈 블레이드의 건전성 모니터링에 사용되어 변형과 피로도를 실시간으로 감시한다. 또한, 고압·고온 또는 부식성 환경이 예상되는 원자력 발전소, 화학 플랜트의 공정 제어와 안전 감시 시스템에 필수적이다. 스마트 그리드에서는 전력 케이블의 온도 모니터링을 통해 화재 위험을 사전에 예측하는 데 활용되기도 한다.