단일 모드 광섬유

단일 모드 광섬유의 핵심 구조는 중심부인 코어와 이를 둘러싸는 클래딩 층으로 구성된다. 코어는 빛이 실제로 전파되는 통로 역할을 하며, 클래딩은 빛을 코어 내부에 가두어 장거리 전송을 가능하게 하는 역할을 한다. 이 두 층은 모두 주로 실리카 유리로 만들어지지만, 굴절률이 서로 다르게 도핑되어 있다. 코어의 굴절률은 클래딩의 굴절률보다 약간 높게 설계되어, 빛이 코어와 클래딩의 경계면에서 전반사를 일으키며 코어를 따라 진행하도록 유도한다.

코어의 직경은 단일 모드 광섬유의 가장 두드러진 특징으로, 일반적으로 8~10 마이크로미터(µm) 정도로 매우 가늘다[2]. 이렇게 좁은 코어 직경은 빛이 단 하나의 공간적 경로, 즉 하나의 모드로만 전파될 수 있도록 설계된 결과이다. 반면, 클래딩의 직경은 표준적으로 125 µm로, 코어보다 훨씬 두껍다. 이 차이는 코어의 굴절률과 함께 단일 모드 동작을 결정하는 핵심 요소이다.

이러한 구조는 다중 모드 광섬유와 명확히 구분된다. 다중 모드 광섬유의 코어 직경은 50µm 또는 62.5µm로 훨씬 커서 여러 개의 광 경로(모드)가 동시에 전파될 수 있다. 단일 모드 광섬유의 초미세 코어는 모드 분산을 근본적으로 제거하여, 매우 높은 대역폭과 극히 낮은 신호 왜곡을 가능하게 하며, 이는 수백 킬로미터에 이르는 장거리 고속 통신의 기반이 된다.

단일 모드 광섬유에서 빛이 전파되는 방식은 다중 모드 광섬유와 근본적으로 다르다. 단일 모드 광섬유는 코어 직경이 매우 작아(일반적으로 8~10 마이크로미터) 빛이 단 하나의 공간 경로, 즉 하나의 광 전파 모드로만 진행할 수 있도록 설계되었다. 이는 빛이 코어 중심을 따라 거의 직선에 가깝게 이동하는 것을 의미하며, 결과적으로 모드 분산이 발생하지 않는다.

빛이 파동으로서 광섬유 내부를 진행할 때, 특정 조건에서만 안정적으로 존재할 수 있는 전자기장의 분포 패턴을 모드라고 한다. 단일 모드 조건은 정규화 주파수(V 파라미터)라는 값이 약 2.405 미만일 때 성립한다. 이 조건은 사용하는 광파장, 코어의 직경, 그리고 코어와 클래딩 사이의 굴절률 차이에 의해 결정된다. 일반적으로 1310nm 또는 1550nm 파장대의 빛을 사용할 때 단일 모드 동작이 보장된다.

단일 모드 동작의 가장 큰 장점은 높은 대역폭과 장거리 전송 능력이다. 다중 모드에서 발생하는 모드 분산이 없기 때문에, 광 펄스의 퍼짐 현상이 현저히 줄어들어 데이터 전송률을 극대화하고 중계기 없이도 수십에서 수백 킬로미터를 전송할 수 있다. 그러나 코어가 매우 가늘기 때문에, 빛을 효율적으로 결합시키거나 광섬유 접속을 수행하는 것이 다중 모드에 비해 더 까다로워진다.

단일 모드 광섬유의 코어와 클래딩을 구성하는 주요 재료는 고순도 실리카 유리입니다. 이는 이산화 규소를 주성분으로 하는 유리로, 광 신호의 손실을 극도로 낮추기 위해 철이나 구리와 같은 불순물 함량이 매우 적어야 합니다. 특히 장거리 통신용 광섬유는 1km 당 손실이 0.2dB 미만으로 제어되어야 하므로, 재료의 순도와 균일성이 가장 중요한 요소입니다.

실리카 기반 광섬유의 제조를 위해 주로 사용되는 원료는 사염화규소와 사염화게르마늄입니다. 사염화게르마늄은 코어의 굴절률을 클래딩보다 높이기 위해 도핑제로 첨가됩니다. 반면, 클래딩 재료는 일반적으로 순수한 실리카 유리이거나, 굴절률을 낮추기 위해 불소가 도핑된 실리카 유리로 만들어집니다.

플라스틱 광섬유는 코어와 클래딩 모두 폴리머 재료로 구성됩니다. 주로 폴리메틸메타크릴레이트나 폴리스티렌이 코어 재료로, 플루오로폴리머가 클래딩 재료로 사용됩니다. POF는 실리카 광섬유에 비해 손실이 크고 대역폭이 좁지만, 가공성과 유연성이 뛰어나며 저비용으로 제조할 수 있습니다.

다음 표는 두 주요 재료 유형의 특징을 비교한 것입니다.

단일 모드 통신에는 거의 항상 고순도 실리카 유리가 사용됩니다. 플라스틱 단일 모드 광섬유는 연구 개발 단계에 있으나, 그 응용은 극히 제한적입니다.

단일 모드 광섬유의 제조는 고순도의 실리카 유리를 기반으로 한 프리폼(Preform)을 제작한 후, 이를 가열하여 가늘게 잡아당기는 드로잉(Drawing) 공정을 거친다. 프리폼 제조는 광섬유의 광학적 특성을 결정하는 핵심 단계로, 코어와 클래딩의 굴절률 분포를 정밀하게 형성하는 것이 목표이다. 주요 제조 방법으로는 MCVD(Modified Chemical Vapor Deposition), OVD(Outside Vapor Deposition), VAD(Vapor-phase Axial Deposition) 등이 있다.

MCVD 공정은 실리카 유리 튜브 내벽에 화학 기상 증착을 통해 층층이 재료를 쌓아 올리는 방식이다. 반응 가스(예: 실리콘 테트라클로라이드와 산소)를 튜브 내부로 흘려보내고, 튜브 외부를 가열하면 내벽에 미세한 실리카 입자(소오트)가 증착된다. 이때 게르마늄이나 인 등을 첨가하여 코어의 굴절률을 높인다. 층을 모두 증착한 후, 고온에서 튜브를 가열하여 수축시켜 고체 프리폼으로 만든다.

OVD와 VAD 공정은 외부 증착 방식에 속한다. OVD 공정은 회전하는 맨드릴 주위로 반응 가스를 분사하여 소오트를 직접 적층하여 프리폼을 만든다. 맨드릴은 후에 제거된다. VAD 공정은 맨드릴 대신 기존 프리폼의 끝단을 아래에서 위로 성장시키는 방식으로, 연속 생산에 유리하다. 이들 공정으로 만들어진 다공성 프리폼은 탈수 및 소결 공정을 거쳐 투명한 유리 막대가 된다.

프리폼이 완성되면, 드로잉 타워에서 약 2000°C의 고온으로 가열하여 직경 125μm 정도의 균일한 광섬유로 잡아당긴다. 이 과정에서 광섬유 표면에는 보호 코팅이 즉시 적용되어 강도를 보호한다. 최종적으로는 케이블화 공정을 통해 외부 충격과 환경 요인으로부터 보호하는 구조로 완성된다.

단일 모드 광섬유에서 손실 또는 감쇠는 광 신호가 전송되는 동안 그 세기가 약해지는 현상을 가리킨다. 이는 통신 시스템의 최대 전송 거리와 신호 품질을 결정하는 가장 중요한 성능 지표 중 하나이다. 손실은 주로 광섬유 자체의 물리적 특성에 기인하며, 그 크기는 일반적으로 단위 길이당 데시벨(dB/km)로 표현된다. 손실이 낮을수록 신호를 더 먼 거리까지 증폭 없이 전송할 수 있다.

손실의 주요 원인은 레이리 산란, 흡수 손실, 그리고 구조적 결함으로 구분된다. 레이리 산란은 광섬유 제조 과정에서 발생하는 미세한 밀도 요동에 의한 산란으로, 이론적으로 피할 수 없는 손실의 하한선을 형성한다. 이 손실은 파장의 4제곱에 반비례하므로, 파장이 길어질수록 급격히 감소한다. 흡수 손실은 주로 실리카 유리에 포함된 불순물 이온(예: 수산기 이온)이나 재료 자체의 자외선 및 적외선 흡수에 의해 발생한다. 현대의 정제 기술은 불순물을 극도로 제거하여 이 손실을 최소화한다.

다양한 손실 원인에 따른 특성은 다음 표로 정리할 수 있다.

손실은 사용하는 파장 대역에 따라 크게 달라진다. 단일 모드 광섬유는 주로 1310nm, 1550nm, 그리고 1625nm 대역을 사용한다. 1310nm 대역은 분산이 0에 가까운 영점 분산 파장대이지만, 1550nm 대역은 레이리 산란 손실이 가장 낮은 최소 손실 파장대이다. 따라서 장거리 고용량 시스템은 1550nm 대역을 선호하며, 이때의 손실은 0.2 dB/km 미만으로 매우 낮다. 1383nm 부근에는 수산기 이온에 의한 흡수 피크가 존재하지만, 저수산기 광섬유는 이 피크를 거의 제거한다[3].

단일 모드 광섬유의 성능을 결정하는 핵심 요소는 대역폭과 분산이다. 대역폭은 광섬유가 단위 시간당 전송할 수 있는 정보의 양을 나타내며, 분산은 광 펄스가 광섬유를 통해 전파되면서 시간적으로 퍼지는 현상을 의미한다. 분산은 대역폭을 제한하는 주요 요인으로 작용한다.

단일 모드 광섬유에서 발생하는 분산은 주로 재료 분산과 도파관 분산으로 구분된다. 재료 분산은 실리카 유리의 굴절률이 파장에 따라 달라지는 성질 때문에 발생한다. 도파관 분산은 광이 코어와 클래딩의 경계를 따라 전파되는 광 전파 모드의 특성에 기인한다. 단일 모드 광섬유는 하나의 모드만 전파되므로 모드 분산은 존재하지 않는다. 이 두 분산의 합, 즉 총 분산이 최소가 되는 파장을 제로 분산 파장이라고 한다. 일반적인 G.652 표준 단일 모드 광섬유의 제로 분산 파장은 약 1310nm 부근에 위치한다.

1550nm 대역에서는 손실이 가장 낮지만 재료 분산이 커진다. 따라서 장거리 고속 통신을 위해서는 분산 보상 광섬유나 비분산 천이 광섬유와 같은 특수 설계 광섬유를 사용하여 분산을 관리하거나 제어한다. 최근 위상 공액이나 디지털 신호 처리 기술을 이용한 분산 보상 기법도 시스템 수준에서 널리 적용된다.

단일 모드 광섬유는 주로 세 가지 파장 대역, 즉 O 밴드, C 밴드, L 밴드에서 운영된다. 이들은 통합적으로 텔레커뮤니케이션 밴드로 불리며, 각각 1260~1360nm, 1530~1565nm, 1565~1625nm의 파장 범위를 가진다. 초기 시스템은 1310nm 부근의 O 밴드에서 운영되었으나, 이 영역에서는 재료 분산이 0이 되는 장점이 있음에도 불구하고 감쇠가 상대적으로 높았다.

이후 에르븀 첨가 광섬유 증폭기(EDFA)의 개발과 함께 1550nm 부근의 C 밴드가 장거리 고용량 시스템의 표준이 되었다. C 밴드는 가장 낮은 감쇠 특성과 EDFA의 효율적인 증폭이 가능한 영역을 제공한다. 네트워크 용량 수요 증가에 따라, 사용 가능한 대역폭을 확장하기 위해 L 밴드의 활용도 증가하고 있다.

최근에는 파장 분할 다중화(WDM) 기술을 통해 단일 광섬유 내에서 이러한 여러 파장 대역을 동시에 사용하여 총 전송 용량을 극대화한다. 또한, 조정 가능 레이저와 고급 변조 기술의 발전은 이러한 파장 대역의 활용 효율을 더욱 높이고 있다.

단일 모드 광섬유는 장거리 통신망의 핵심 인프라를 구성하는 기본 전송 매체이다. 특히 대륙 간 해저 케이블, 국가 간 또는 국가 내 장거리 백본 네트워크에서 광범위하게 사용된다. 이는 단일 모드 광섬유가 제공하는 극히 낮은 감쇠와 넓은 대역폭 덕분으로, 수백에서 수천 킬로미터에 이르는 구간에서도 중계기(리피터) 간격을 크게 늘리면서 대용량 데이터를 효율적으로 전송할 수 있게 한다.

장거리 시스템에서는 주로 1310nm 및 1550nm 대역, 특히 C 대역과 L 대역이 활용된다. 1550nm 파장대는 실리카 유리로 만들어진 광섬유에서 최소의 감쇠 특성을 보여주기 때문에 가장 선호된다. 이러한 시스템의 성능은 분산 현상에 크게 영향을 받으며, 특히 색분산이 주요 제한 요인으로 작용한다. 이를 보상하거나 최소화하기 위해 분산 보상 광섬유나 분산 천이 광섬유가 사용되거나, 송신 측에서 분산 관리 기술이 적용된다.

현대의 장거리 통신망은 파장 분할 다중화 기술과 결합되어 한 가닥의 광섬유로 수십에서 수백 개의 서로 다른 파장 채널을 동시에 전송한다. 이는 네트워크의 총 전송 용량을 테라비트 수준으로 끌어올린다. 또한, 광증폭기, 특히 에르븀 첨가 광섬유 증폭기의 도입은 장거리 통신을 혁신했다. EDFA는 광신호를 전기 신호로 변환하지 않고 직접 증폭할 수 있어 시스템 복잡도를 낮추고 신뢰성을 높였다.

단일 모드 광섬유는 케이블 텔레비전 네트워크의 중계 및 배선, 그리고 FTTH 서비스의 최종 가입자 구간에서 핵심적인 역할을 담당한다. 케이블 TV 사업자들은 광대역 비디오, 음성, 데이터 신호를 장거리로 효율적으로 전송하기 위해 HFC 네트워크를 구축하는데, 이때 헤드엔드에서 지역별 노드까지의 백본 구간에 단일 모드 광섬유를 사용한다. 이는 다중 모드 광섬유에 비해 훨씬 낮은 감쇠와 높은 대역폭을 제공하여, 수십 킬로미터 구간에서도 신호 증폭 없이 고품질의 멀티채널 비디오 신호를 전송할 수 있게 한다.

FTTH는 가정이나 사무실까지 단일 모드 광섬유를 직접 도입하는 기술로, 초고속 인터넷, IPTV, VoIP 등의 서비스를 통합 제공하는 기반이 된다. FTTH 네트워크는 일반적으로 수동 광통신망 구조를 채택하며, 이는 광선로 분기점에 전원이 필요 없는 수동 소자만을 사용하여 네트워크를 구성하는 방식이다. PON의 대표적인 표준으로는 GPON과 EPON이 있으며, 이들은 하나의 광선로를 여러 가입자가 공유하면서도 기가비트급의 높은 전송 속도를 지원한다.

단일 모드 광섬유가 FTTH에 적합한 이유는 다음과 같은 기술적 장점 때문이다.

이러한 특성으로 인해 단일 모드 광섬유는 케이블 TV의 백본 인프라와 FTTH의 최종 마일 네트워크를 지배하는 표준 매체가 되었다.

단일 모드 광섬유는 데이터 센터 내부 및 데이터 센터 간의 고속 인터커넥트 연결에 핵심적인 역할을 한다. 데이터 트래픽의 폭발적 증가와 클라우드 컴퓨팅의 확산으로, 서버 랙 간, 스위치 간, 그리고 지리적으로 분산된 데이터 센터 건물 또는 캠퍼스를 연결하는 백본 네트워크는 초고대역폭과 낮은 지연 시간을 요구한다. 단일 모드 광섬유는 이러한 요구 사항을 충족시키기 위한 최적의 매체이다.

주로 장거리 통신에 사용되던 단일 모드 광섬유는, 데이터 센터 환경에서도 100G, 400G, 800G 및 1.6T와 같은 고속 이더넷 표준을 지원하는 데 필수적이다. 짧은 거리(300m~2km)의 데이터 센터 내부 연결(DCI)부터 수십 km에 이르는 데이터 센터 간 연결(DCI)까지 광범위한 거리를 커버한다. 특히 파장 분할 다중화 기술과 결합하면, 한 가닥의 광섬유로 수십에서 수백 개의 독립적인 채널을 동시에 전송할 수 있어 막대한 용량 확장이 가능하다.

데이터 센터 인터커넥트 설계에서는 단일 모드 광섬유의 낮은 분산 특성이 매우 중요하다. 고속 신호에서 발생하는 색분산과 편광 모드 분산을 최소화하여 신호의 품질을 유지하고 오류율을 낮춘다. 또한, 조사된 광섬유와 같은 특수 설계된 단일 모드 광섬유는 비선형 효과를 억제하여 고출력 광신호 전송 시의 성능 저하를 방지한다.

주요 응용 방식은 다음과 같다.

이러한 인터커넥트는 스파인-리프 아키텍처와 같은 현대적 데이터 센터 네트워크 토폴로지의 기반을 형성하며, 확장성과 유연성을 제공한다.

단일 모드 광섬유 시스템에서 광 신호를 송수신 장치에 연결하거나 두 광섬유를 서로 접속하기 위해 사용되는 기계적 장치를 광섬유 커넥터라고 한다. 이 커넥터는 광섬유의 미세한 코어를 정밀하게 정렬시켜 광 신호의 손실을 최소화하는 것이 핵심 기능이다. 단일 모드 광섬유의 코어 직경이 매우 작기 때문에(일반적으로 9µm), 다중 모드 광섬유에 비해 정렬 정밀도 요구사항이 훨씬 더 엄격하다.

주요 커넥터 타입은 다음과 같다.

커넥터의 성능은 삽입 손실과 반사 손실로 평가된다. 삽입 손실은 접속으로 인해 발생하는 광 신호의 감쇠량이며, 반사 손실은 접속면에서 반사되어 되돌아가는 광 신호의 양을 나타낸다. 단일 모드 응용에서는 특히 반사 손실이 중요하며, 이를 개선하기 위해 접속면을 8도 각도로 연마한 APC 커넥터가 널리 사용된다. APC 커넥터는 접속면에서의 반사를 코어 영역 밖으로 유도하여 신호 간섭을 줄인다.

광섬유 용접은 두 광섬유의 코어를 영구적으로 정렬하여 결합하는 과정이다. 이를 통해 광 신호의 손실을 최소화하면서 신뢰성 높은 접속을 구현한다. 주로 아크 용접기를 사용하여 광섬유 끝단을 정렬한 후 고전압 아크로 가열하여 용융시킨다. 용접 전에는 클리버를 이용해 광섬유 끝단을 정확하게 평평하게 절단하는 클리빙 과정이 필수적이다. 용접 후에는 용접점을 보호하기 위해 히트 슈링크 튜브나 메탈 슬리브로 강화한다.

설치 시에는 광섬유의 최소 굽힘 반경을 엄격히 준수해야 한다. 과도한 굽힘은 마이크로벤딩 손실을 유발하거나 광섬유를 파손할 수 있다. 케이블을 당기는 인장 강도도 제한 내에서 유지해야 하며, 일반적으로 설치 중 장기 인장 하중은 케이블 파단 하중의 20%를 넘지 않도록 권장한다. 케이블은 환경적 요인—예를 들어 온도 변화, 수분, 화학 물질—으로부터 보호되어야 한다.

케이블을 덕트나 트레이에 설치할 때는 다른 케이블과의 간섭이나 압착을 방지해야 한다. 실외 설치 시에는 직사광선, 극한의 온도, 쥐 등의 동물로부터 보호하는 것이 중요하다. 모든 접속점(용접점 또는 커넥터 연결점)은 접속함 또는 패널 내에 체계적으로 정리하여 향후 유지보수나 확장을 용이하게 해야 한다.