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유리 과학 - 광섬유의 원리

유리 과학 - 광섬유의 원리

광섬유의 원리

광섬유의 원리

코닝의 혁신 아이콘인 광섬유는 빛을 활용하여 오늘날 우리가 소통하는 방식을 만들어가고 있습니다.

오늘날 인터넷이 발달한 세상에서 간단한 전화 한 통, 웹사이트 방문, 동영상 다운로드 등 이 모든 활동은 머리카락 만큼 가는 광섬유 가닥을 통해 광선이 지속적으로 이동하기 때문에 가능한 일입니다.

1970년 코닝의 연구진들이 광섬유를 통해 큰 손실 없이 빛을 전송하는 방법을 개발하면서 광섬유 혁신은 코닝의 대표적인 성공 스토리로 자리매김했습니다.

그 이후 지난 50년간 광섬유의 많은 특징들은 엄청나게 향상되었지만 데이터 전송의 기본 원칙은 변함이 없습니다. 

그렇다면, 광섬유의 원리는 무엇일까요? 자세히 살펴 보겠습니다. 

컴퓨터와 같은 기기가 정보를 보내는 경우, 이 데이터는 전기 에너지의 형태로 출발합니다. 컴퓨터의 레이저가 신호를 광자, 즉 작은 전자기 에너지 입자인 빛으로 변환시켜 머리카락 두께의 광섬유 속 코어를 통해 빠르게 연속해서 보냅니다.

 

광자는 광섬유의 코어를 따라 파동을 통해 이동합니다. 이 코어 부분은 코어를 둘러싸고 있는 클래드(clad)보다 굴절률이 높아(빛의 이동 속도가 느려져) 신호를 코어 내에 집중시켜 섬유 밖으로의 나가는 것을 막습니다. 또한, 섬유 코어는 보통 실리카, 게르마니아 등 고순도의 소재로 만들어져 불순물로 인해 빛 에너지가 산란되거나 흡수되지 않도록 합니다. 복사, 흡수, 산란은 모두 에너지 손실의 일종이며 감쇠(attenuation)라는 용어로 알려져 있습니다. 이러한 감쇠 손실을 가능한 최소화함으로써 섬유가 빛과 정보를 원천에서부터 멀리까지 이동할 수 있도록 합니다.

하지만, 광섬유가 코어로만 구성이 되어있다면 빛 에너지는 결국 새어나가 감쇠(attenuation) 과정을 통해 신호가 약해집니다. 따라서, 광섬유에는 유리 조성을 달리한 클래드(clad)라는 외부층이 있습니다. 클래드 소재는 굴절률이 낮게 설계되어 빛이 빠져나가지 않고 다시 반사됩니다. 

광자가 목적지에 도달하면, 포토셀(photocell)을 갖춘 광수신기가 디지털 광신호를 해독하여 전기로 다시 변환시킨 후 사용자의 컴퓨터, TV, 기타 기기에 데이터를 표시합니다.  

광섬유의 종류

효율적인 통신 전송을 위해 신호 종류에 따라서 다른 종류의 광섬유가 필요합니다. 이 때문에 코닝은 단일 모드 광섬유와 다중 모드 광섬유를 모두 제공합니다. 
 

  • 단일 모드 광섬유 ; 글로벌 통신 네트워크에서 가장 보편적으로 사용되는 단일 모드 광섬유는 장거리에 걸쳐 단일의 경로로 빛을 이동시키도록 고안되었습니다. 단일 모드 광섬유는 코어의 지름이 8 마이크론으로 아주 작습니다. 장거리 네트워크에서 주로 사용됩니다. 단일의 빛 경로만을 수용하기 때문에 신호 중복이나 왜곡 현상 가능성이 낮습니다. 
  • 반면 다중모드 섬유는 코어의 직경이 최대 62.5 마이크론에 달합니다. 다중 모드 섬유는 1마일 미만의 거리에 걸쳐 복수의 경로로 동시에 이동하는 광신호용으로 설계되었습니다. 예를 들어, 데이터 센터와 일부 커넥티드 홈 네트워크의 경우 경제적이고, 공간 효과적으로 대용량의 데이터를 처리할 수 있는 다중모드 섬유를 선호합니다. 

“광섬유는 코닝이 이룬 혁신의 아이콘 중 하나입니다. 차세대 광섬유의 잠재력은 코닝에게 끊임없는 에너지원이 되고 있습니다.”

광섬유의 진화

무선 통신과 클라우드 컴퓨팅이 통신의 세계를 확장하였지만, 음성, 동영상, 데이터 신호 대다수는 여전히 광섬유 네트워크를 통해 이동합니다.   

코닝의 유리 과학 혁신은 현재의 네트워크 어플리케이션 수요를 충족할 수 있는 새로운 세대의 고속, 고용량 광섬유로 이어지고 있습니다. 광섬유는 물리적으로 강합니다. 광섬유의 인장 강도는 고장력 강철과 티타늄 보다 높습니다. 이제 광섬유는 까다로운 설치 환경에도 다른 소재처럼 적용 가능합니다. 광섬유는 새로운 디자인 덕분에 광신호에 영향을 미치지 않고도 굴곡이 심한 곳에서 구부리거나 벽면 스터드에 스테이플러로 부착할 수 있습니다.

용량도 뛰어납니다. 한 가닥의 광섬유가 최대 1억 건의 고화질 동영상 스트리밍을 동시에 지원합니다. 새로운 광섬유 혁신 덕분에 가정에서는 컴퓨터, 운영시스템, 게임 콘솔, 노트북 등을 고속으로 광통신 연결을 할 수 있습니다. 

코닝 광섬유·케이블 사업부의 시장 및 기술 개발 이사를 맡고 있는 메리온 에드워즈(Merrion Edwards) 박사는“코닝 과학자들의 유리에 대한 근본적인 이해 덕분에 현재의 제품과 공정 혁신이 가능합니다. 이들 혁신 덕분에 신호 손실이 작고 용량과 속도가 개선되었습니다”고 말했습니다.  

메리온 에드워즈 박사는 “광섬유는 코닝이 이룬 혁신의 아이콘 중 하나입니다. 차세대 광섬유의 잠재력은 코닝에게 끊임없는 에너지원이 되고 있습니다”고 밝혔습니다.

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