다중 모드 광섬유 (r1)

다중 모드 광섬유의 기본 구조는 중심부인 코어와 이를 감싸는 클래딩으로 이루어져 있다. 코어는 빛이 실제로 전파되는 통로 역할을 하며, 클래딩은 빛을 코어 내부에 가두어 전파 손실을 최소화하는 역할을 한다.

코어와 클래딩은 모두 유리 또는 플라스틱과 같은 투명한 유전체 재료로 만들어지지만, 서로 다른 굴절률을 가진다. 코어의 굴절률(n1)은 클래딩의 굴절률(n2)보다 항상 높게 설계된다. 이 굴절률 차이는 전반사 현상을 일으키는 핵심 원리로, 코어 내부를 진행하는 빛이 코어-클래딩 경계면에서 튀어나가지 않고 코어 안에 갇히게 되어 장거리 전송이 가능해진다.

다중 모드 광섬유의 코어 직경은 일반적으로 50μm 또는 62.5μm로, 단일 모드 광섬유의 코어 직경(약 9μm)에 비해 상당히 크다. 이 넓은 코어는 빛의 전파 모드를 여러 개 허용하는 구조적 특징이 된다. 클래딩의 직경은 표준적으로 125μm로 규격화되어 있어, 코어 직경에 관계없이 대부분의 광섬유가 동일한 외경을 유지하여 커넥터나 접속 장비의 호환성을 보장한다.

코어와 클래딩 외에도, 실제 케이블에는 이들을 보호하기 위한 추가적인 층이 존재한다. 먼저 코팅 층이 클래딩 위에 적용되어 미세한 긁힘으로 인한 손상을 방지하고 강도를 보강한다. 그 외부에는 보호재와 케이블 외피가 있어 환경적, 물리적 스트레스로부터 광섬유를 보호한다.

다중 모드 광섬유에서 빛은 코어 내부를 여러 경로를 따라 전파합니다. 이 서로 다른 경로를 광 전파 모드라고 부릅니다. 각 모드는 코어와 클래딩의 경계면에서의 입사각이 달라 서로 다른 경로 길이와 속도를 가지게 됩니다.

모드는 크게 두 가지 유형으로 나눌 수 있습니다. 하나는 코어의 중심축을 따라 직선으로 진행하는 축 모드이고, 다른 하나는 경계면에서 반사되며 지그재그 형태로 진행하는 고차 모드입니다. 코어 직경이 클수록, 그리고 코어와 클래딩의 굴절률 차이가 클수록 더 많은 수의 고차 모드가 존재할 수 있습니다.

이러한 여러 모드의 존재는 모달 분산이라는 현상을 일으킵니다. 각 모드마다 광섬유를 통과하는 시간이 미세하게 차이가 나기 때문에, 동시에 발송된 빛 펄스가 수신단에서 시간적으로 퍼져 나오게 됩니다. 이는 전송 가능한 대역폭을 제한하고 최대 전송 거리를 결정하는 핵심 요소입니다.

다중 모드 광섬유는 국제 표준화 기구인 ISO/IEC 11801과 TIA-568에 의해 성능에 따라 여러 등급으로 분류된다. 이 등급은 주로 옴니(OM)라는 접두사와 숫자로 표시되며, OM1부터 OM5까지 존재한다. 각 등급은 지원하는 대역폭, 사용되는 파장, 권장되는 전송 거리에서 차이를 보인다.

초기 등급인 OM1과 OM2는 주로 62.5/125μm 또는 50/125μm의 코어 직경을 가지며, LED 광원과 850nm 파장을 사용한다. 이들은 비교적 낮은 대역폭을 제공하며, 주로 기가비트 이더넷 이하의 속도와 짧은 거리의 구간에 사용되었다. OM1은 주로 주황색 외피로, OM2는 주로 주황색 또는 회색 외피로 구분된다.

고속 네트워크의 요구가 증가하면서 개발된 OM3와 OM4는 레이저 최적화 다중 모드 광섬유로 분류된다. 이들은 50/125μm 코어를 가지며, 고속의 VCSEL 광원과 850nm 파장에서 최적의 성능을 발휘하도록 설계되었다. OM3는 10 기가비트 이더넷을 최대 300미터까지 지원하며, 일반적으로 하늘색 외피를 가진다. OM4는 더 높은 대역폭을 제공하여 동일한 10 기가비트 이더넷을 400미터까지, 40/100 기가비트 이더넷을 150미터까지 지원할 수 있으며, 일반적으로 자주색 외피를 사용한다.

가장 최근의 등급인 OM5는 광파장 분할 다중화 기술을 다중 모드 광섬유에 적용한 광범위 파장 다중 모드 광섬유이다. 기존의 850nm 중심에서 880nm, 910nm, 940nm 등 더 넓은 범위의 파장을 활용할 수 있도록 설계되었다. 이는 단일 쌍의 광섬유로 40/100 기가비트 이상의 속도를 더 먼 거리까지 전송하는 데 유리하며, 일반적으로 라임 그린 외피 색상으로 식별된다.

다중 모드 광섬유는 코어의 직경에 따라 주로 두 가지 표준 규격으로 분류된다. 가장 일반적인 것은 코어 직경이 50μm이며, 클래딩 직경이 125μm인 50/125μm 광섬유이다. 다른 주요 규격은 코어 직경이 62.5μm이고 클래딩 직경이 125μm인 62.5/125μm 광섬유이다. 이 두 직경은 OM1부터 OM5까지의 광섬유 등급에서 표준적으로 사용된다.

50/125μm 광섬유는 더 높은 대역폭과 더 긴 전송 거리를 제공하는 경향이 있어 현대의 고속 이더넷 및 데이터 센터 애플리케이션에서 선호된다. 반면, 62.5/125μm 광섬유는 역사적으로 더 큰 코어 크기로 인해 LED 광원과의 결합 효율이 더 높아 초기 LAN 설치에서 널리 사용되었다.

다음 표는 두 주요 코어 직경 규격의 일반적인 특성과 적용 분야를 비교한다.

코어 직경이 더 큰 100/140μm와 같은 다른 규격도 존재했으나, 현재는 상용 시스템에서 거의 사용되지 않는다. 시스템 설계 시에는 선택한 코어 직경에 맞는 적절한 광원(LED 또는 VCSEL)과 커넥터를 사용해야 최적의 성능을 얻을 수 있다.

다중 모드 광섬유의 성능을 결정짓는 가장 핵심적인 두 가지 요소는 대역폭과 최대 전송 거리이다. 이 두 요소는 서로 깊은 상관관계를 가지며, 사용되는 광원의 종류, 광섬유의 등급(OM1~OM5), 그리고 동작 파장에 따라 크게 달라진다.

대역폭은 광섬유가 단위 시간당 전송할 수 있는 데이터의 양을 나타내며, 일반적으로 MHz·km 단위로 표기한다. 이 값은 모달 분산에 의해 제한된다. 전송 거리는 신호 감쇠와 분산이 허용 가능한 수준을 유지하는 최대 길이를 의미한다. 다중 모드 광섬유의 표준 전송 거리는 일반적으로 수백 미터에 불과하지만, 이는 LAN이나 데이터 센터 내부의 단거리 고속 연결에 최적화되어 있다. 성능은 OM 등급별로 체계적으로 정의되어 있으며, 높은 등급일수록 더 넓은 대역폭과 더 긴 전송 거리를 지원한다.

다음 표는 850nm 파장에서 VCSEL 광원을 사용할 때의 주요 등급별 성능을 요약한 것이다.

성능은 사용 파장에 따라 크게 달라진다. 예를 들어, 850nm 대신 1300nm 파장을 사용하면 모달 분산이 줄어들어 대역폭이 증가하는 경우가 많다. 그러나 VCSEL 기반의 고속 시스템은 주로 850nm 대역에서 동작한다. 시스템 설계 시에는 목표 데이터 전송률과 필요한 거리를 만족시키는 최소 등급의 광섬유를 선택하는 것이 경제적이다. 예를 들어, 300m 거리에 10G 이더넷을 구축하려면 OM3 이상의 등급이 필요하다.

모달 분산은 다중 모드 광섬유에서 발생하는 주요 신호 열화 요인이다. 이 현상은 광섬유의 코어를 통해 동시에 여러 경로(모드)로 전파되는 빛이 각기 다른 거리를 이동함에 따라, 동일한 출발점에서 시작된 광 펄스가 수신단에 도달하는 시간에 차이가 생기는 것을 의미한다. 이 시간 차이는 펄스가 넓어지거나(펄스 확산) 인접한 펄스와 겹치는(간섭) 결과를 초래하여, 수신기가 개별적인 펄스를 구별하지 못하게 만들고 결국 데이터 전송 속도와 거리를 제한한다.

모달 분산의 영향은 주로 계단형 굴절률 프로파일을 가진 광섬유에서 두드러진다. 코어의 굴절률이 균일한 이 구조에서는, 코어의 중심축을 따라 직선으로 진행하는 축 모드의 빛이 가장 짧은 거리를 이동하는 반면, 코어와 클래딩의 경계면에서 반사되며 지그재그로 진행하는 고차 모드의 빛은 더 긴 경로를 거친다. 이 경로 길이의 차이가 바로 도달 시간의 차이, 즉 모달 분산을 유발한다.

모달 분산을 줄이기 위한 주요 기술은 그레이디드 굴절률 프로파일을 채택하는 것이다. 이 구조에서는 코어의 굴절률이 중심에서 가장 높고 가장자리로 갈수록 점차 낮아지는 포물선 형태를 띤다. 고차 모드의 빛이 낮은 굴절률 영역(코어 외곽)을 통과할 때 속도가 더 빠르기 때문에, 경로 길이는 길지만 평균 속도도 빨라져 축 모드의 빛과 거의 동시에 도착하게 된다. 이로 인해 그레이디드 굴절률 광섬유는 계단형에 비해 모달 분산이 현저히 줄어들고, 결과적으로 더 높은 대역폭과 더 긴 전송 거리를 제공한다.

다중 모드 광섬유 시스템에서 사용되는 광원의 선택은 전송 거리, 대역폭, 비용과 같은 시스템 성능과 경제성에 직접적인 영향을 미치는 핵심 설계 요소이다. 주로 사용되는 광원은 LED(Light Emitting Diode)와 VCSEL(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser) 두 가지이다.

LED는 초기 다중 모드 시스템에서 널리 사용된 광원이다. LED는 비간섭성 광원으로, 넓은 각도로 빛을 방출하며 다중 모드 광섬유의 큰 코어를 효과적으로 채운다. 이는 오버필드 조건을 만들어 상대적으로 설치가 용이하게 하지만, 동시에 많은 수의 고차 모드를 여기시켜 모달 분산을 증가시키는 원인이 된다. 따라서 LED는 주로 낮은 데이터 전송률(예: 100 Mbps ~ 1 Gbps)과 짧은 거리(약 2km 이내)의 응용에 적합하다. 또한 LED는 구조가 단순하고 제조 비용이 낮으며, 온도 변화에 따른 성능 변동이 작다는 장점이 있다.

반면, VCSEL은 고속 데이터 통신을 위한 현대적 다중 모드 시스템의 표준 광원으로 자리 잡았다. VCSEL은 레이저 다이오드의 일종으로, 매우 좁은 스펙트럼 폭과 빠른 응답 속도를 가지며, 간섭성 광원에 가까운 특성을 보인다. 이는 레이저의 특성상 빛이 광섬유의 코어 중심부를 따라 주로 전파되는 저차 모드를 주로 여기시켜, 모달 분산을 현저히 줄인다. 결과적으로 VCSEL은 LED에 비해 훨씬 높은 대역폭과 더 긴 전송 거리를 제공한다. 1 Gbps 이상의 이더넷(예: 1GbE, 10GbE, 40GbE, 100GbE)과 OM3/OM4/OM5 등급의 광섬유와 결합되어, 데이터 센터의 백본 및 단거리 고속 링크에 널리 사용된다. VCSEL은 LED보다 전력 효율이 높지만, 제조 단가가 상대적으로 높은 편이다.

*1GbE의 경우 짧은 거리에는 LED도 사용되나, VCSEL이 주류이다.

다중 모드 광섬유 시스템에서 광 커넥터와 접속 기술은 광 신호의 효율적이고 안정적인 전달을 보장하는 핵심 요소이다. 이들은 광섬유 케이블을 광 송수신 장치에 연결하거나, 케이블 구간을 서로 이어주는 역할을 한다. 접속 품질은 삽입 손실과 반사 손실에 직접적인 영향을 미치며, 이는 전체 시스템의 전송 거리와 신뢰성을 결정한다.

주요 광 커넥터 유형으로는 SC 커넥터, LC 커넥터, ST 커넥터 등이 널리 사용된다. LC 커넥터는 소형 폼 팩터로 고밀도 설치가 필요한 현대 데이터 센터에서 선호된다. 반면, ST 커넥터는 베이어넷 방식의 고정 장치로 이전 LAN 환경에서 흔히 사용되었다. 이러한 커넥터들은 일반적으로 퍼지 얼라이먼트 방식을 사용하여 두 광섬유의 코어를 정렬한다. 접속 방법은 크게 커넥터를 이용한 접속과 융접으로 나뉜다. 융접은 두 광섬유의 끝단을 열로 녹여 영구적으로 접합하는 방법으로, 삽입 손실이 매우 낮고 신뢰성이 높아 장거리 배선이나 주요 백본 링크에 적합하다.

커넥터의 성능을 평가하는 주요 지표는 다음과 같다.

접속 작업 시에는 광섬유 끝단의 폴리싱 상태와 클린징이 매우 중요하다. 먼지나 기름기 같은 미세한 오염도 신호 손실을 크게 증가시킬 수 있다. 또한, 다중 모드 광섬유는 코어 직경이 상대적으로 크기 때문에 단일 모드 광섬유에 비해 정렬 공차가 넓은 편이지만, 고성능 OM4나 OM5 등급을 사용할 때는 정밀한 접속이 더욱 요구된다.

다중 모드 광섬유는 데이터 센터 내부의 서버, 스토리지, 네트워크 스위치 간의 고속 연결에 널리 사용된다. 특히 수백 미터 이내의 비교적 짧은 거리에서 10Gbps, 25Gbps, 40Gbps, 100Gbps 이상의 고대역폭 데이터 전송을 지원하는 데 적합하다. 데이터 센터 내 랙 간 또는 동일 랙 내 장비 간의 백본 연결과 집적 회로 간의 인터커넥트에 주로 활용된다.

주요 적용 사례로는 이더넷, 인피니밴드, 파이버 채널과 같은 네트워크 프로토콜을 통한 연결이 있다. 최신 데이터 센터에서는 OM4 또는 OM5 등급의 다중 모드 광섬유가 선호되며, 이는 VCSEL 기반의 저렴한 광원과 결합되어 비용 대비 성능이 뛰어난 솔루션을 제공한다. 40G와 100G 이더넷 표준에서는 일반적으로 MPO/MTP 형태의 다중심 커넥터를 사용하여 한 번의 접속으로 여러 채널의 광신호를 동시에 전송한다.

데이터 센터 설계에서 다중 모드 광섬유의 선택은 전송 거리, 필요한 대역폭, 그리고 전체적인 비용을 고려하여 결정된다. 단일 모드 광섬유에 비해 설치와 접속이 용이하고 광원 및 수신기 모듈의 가격이 낮아 총 소유 비용이 절감되는 장점이 있다. 따라서 건물 내부나 캠퍼스 규모의 데이터 센터 환경에서 경제적인 고속 인프라 구축의 핵심 요소로 자리 잡았다.

다중 모드 광섬유는 LAN(Local Area Network) 구축에서 백본(Backbone) 연결, 수직 배선(Vertical Cabling), 그리고 수평 배선(Horizontal Cabling)의 핵심 매체로 널리 사용된다. 특히 건물 내 층간 또는 동일 층의 배치된 네트워크 장비(예: 스위치, 라우터, 서버)를 고속으로 상호 연결하는 데 적합하다. 일반적으로 1Gbps, 10Gbps, 40Gbps, 100Gbps 이더넷 표준을 지원하며, 최대 550미터(OM4/OM5 기준 10Gbps)까지의 거리에서 안정적인 통신을 제공한다.

설계 시 주요 고려사항은 필요한 대역폭, 전송 거리, 그리고 비용 효율성이다. 다중 모드 광섬유는 단일 모드 광섬유에 비해 코어 직경이 커 광원으로 값싼 VCSEL(수직 공진 표면 발광 레이저)이나 LED를 사용할 수 있어, 시스템 전체 비용(광원, 커넥터, 접속 비용)을 크게 낮출 수 있다. 이는 수백 미터 이내의 거리에서 대용량 데이터를 전송해야 하는 기업망이나 캠퍼스망에서 결정적인 장점이 된다.

구축 시에는 OM3, OM4, OM5 등급의 광섬유가 주로 선호된다. 이들은 850nm 파장에서 최적화된 레이저 등급 다중 모드 광섬유로, 높은 대역폭을 제공하여 고속 이더넷을 지원한다. 특히 향후 40G/100G 이더넷으로의 업그레이드를 고려한다면, 미래 대역폭 요구사항을 수용할 수 있는 OM4 또는 OM5 등급의 설치가 권장된다.