"광통신시스템의 핵심을 알면 세상이 바뀐다" 기초 이론 정리편

<1장> 광통신시스템 개론

가. 광통신의 역사를 세대별 (1세대~4세대)로 설명하시오.

특징	1세대	2세대	3세대	4세대
광원	GaAS LED (0.8~0.9 )	MM LD (1.3 )	SM LD (1.55 )	SM LD
광섬유	MM 광섬유	SM 광섬유	SM 광섬유 (분산천이 Fiber)	SM 광섬유
비트율	50~100Mbps	1Gps	2.5~10Gbps	2.5~10Gbps
중계기	10Km	50Km	> 50Km	> 50Km
특징	-	-	-	파장분할 다중화 (WDM)

 

나. (예제1.2) 세 개의 광소자가 직렬로 연결되어 있다. 이득이 각각 G1=-3dB, G2=-10dB, 그리고 G3=20dB 이고, 입력 신호의 전력이 P1=0.5mW라고 한다. 출력 신호의 전력 P4를 구하라.

 

<2장> 빛의 성질과 전송원리                          
가. (예제 2.3) 매질 1(n1=1.5)에서 매질(n2=1)로 파장이 1μm인 빛이 Θ1=30˚로 입사할 때, 

(a)  Θ2와 Θ3를 구하라.
(b) 매질 1에서 빛의 속도(V1)와 매질 2에서 빛의 파장(λ2)를 구하라.
(c) 내부 전반사가 일어나기 위한 최소 입사각(Θ1c)은 얼마인가?

 

나. (예제 2.7) Core의 굴절률 n1=1.48, Cladding의 굴절률 n2=1.46인 광섬유에서 

(a) 임계 전파각 αc를 구하라, 

(b) 수광각 2Θc은 얼마인가?, 

(c) 이 광섬유의 개구수(NA)를 구하라.

 

<3장> 광섬유

가. 모드분산에 대해서 설명하시오.

☞ 펄스 폭이 T인 입력 펄스가 Multimode Fiber로 전송되는 경우 모드 분산이 발생하게 되는데, 입력 펄스는 광섬유 내부에서 여러 모드로 나뉘어 전송되다가 광섬유 끝에서 다시 겹쳐져서 하나의 펄스를 이루게 되며 각 모드의 전파각이 다르므로 전송거리도 달라지고, 광섬유 끝에 도달하는 데 시차가 발생하여 출력 펄스는 입력 펄스보다 퍼지게 된다. 이와같은 펄스 퍼짐을 모드 분산(modal dispersion)이라 하며, 결과적으로 광통신에 있어 모드 수가 증가하면 광신호 전송에 모드 분산이 발생하게 되고 이로인해 통신시스템의 성능이 저하하게 된다.

 

나. 광섬유의 손실의 종류를 설명하고, 파장별 손실특성을 그림으로 간략히 나타내시오

☞ 광섬유 손실(Loss)의 원인인 크게 아래와 같이 분류할 수 있다.

① 광섬유를 구성하는 물질(SiO2)에 의한 손실

② 제조 과정상 불순물에 의한 손실

③ 도파관 구조에 의한 손실

④ 그 외에 광섬유 휨 손실(bending loss) 및 결합 손실(coupling loss) 등
  이중, 실리카(SiO2)에 의한 손실은 2가지로 나뉠 수 있다.
  1. 흡수손실(SiO2는 빛을 흡수하여 손실 발생)
   - SiO2 분진 자체의 공진으로 인하여 공진 주파수에 해당하는 빛을 흡수하여 손실이 발생
   - 1.6μm 이상에서 손실이 증가하는 것은 주로 SiO2의 적외선 흡수 때문
   - 손실 계수가 약 1.39μm에서 급격하게 증가하는 것은 제조 과정에서 수분이 첨가되어 발생하는 수산화이온에 의한 흡수 때문
  2. 산란손실(Rayleigh scattering에 의한 손실)      
   - 분자밀도가 불규칙하여 빛의 산란 때문에 발생하는 loss
   - 파장이 약 1.5μm보다 짧을 떄는, 주로 Rayleigh scattering에 의해 손실 계수가 결정

 

결국, 1310nm ~ 1550nm가 통신의 파장으로서 선택이 되었다.

 

다. 군속도 분산에 대해서 설명하시오.

㉮ 군속도 분산(Group-Velocity Dispersion)

- 분산(dispersion)은 펄스가 퍼지는 현상이며,

- 이웃하는 펄스 사이의 간섭 현상(ISI, Inter-Symbol Interference)을 야기하며 광통신 시스템의 성능을 제한하는 주요 원인이다.

- 단일모드(SM) 광섬유에서는 모드 분산이 존재하지 않지만, 군속도 분산(Group-Velocity Dispersion) 때문에 성능에 제한을 받는다.

- SM Fiber가 주로 고성능이 요구되는 고성능이 요구되는 고속 장거리 통신에 주로 사용되기 때문이다.

㉯ 광신호의 스펙트럼

- 펄스를 구성하는 여러 스펙트럼 성분이 각기 다른 속도로 광섬유 안에서 전송되기 때문에 발생

- 군속도 분산을 색 분산(Chromatic Dispersion) 이라고도 한다.

㉰ 군속도 분산의 원인

- 광섬유의 재질인 실리카(SiO2)의 굴절률이 파장의 함수 ⇒ 재료 분산(material dispersion)

- Cladding과 Core로 구성된 원주형의 도파관 구조 ⇒ 도파관 분산(waveguide dispersion)

<4장> 발광소자와 광송신기

가. LED와 LD의 특성비교

☞ 광통신에서 사용되는 발광소자로는 반도체로 제조되는 광다이오드(LED)와 레이저다이오드(LD)가 있다.

- LED는 제조하기가 쉽고, 값이싸지만, 수십 km 이상의 장거리 광통신에는 적합하지 않으며,

- LD는 가격이 비싸지만, 출력 스펙트럼 폭이 좁아 분산의 영향을 덜 받는다. 장거리 광통신에서는 예외 없이 사용되며, 방향성이 좋아 광섬유로 결합하기가 쉬우므로 단일모드 광섬유와 함께 사용됨

	LED	레이저다이오드
특성	비간섭성(incoherent)	가간섭성(coherent)
	광공진기 구조가 없음	광공진기 구조가 갖춤
	다중모드 광섬유와 함께 사용	주로 단일모드 광섬유와 함께 사용
	최고 비트율 Bmax~100Mbps	최고 비트율 Bmax ~ 수십 Gbps
	출력 방사 형태가 상대적으로 넓음	출력 방사 형태가 상대적으로 좁음
장점	제조가 쉬움	고속으로 변조 가능
	제조 비용이 낮음	스펙트럼 폭이 좁음
	송신기 회로가 단순함	광섬유와 결합 효율이 높음
	온도의 영향에 상대적으로 덜 민감	장거리 송신 가능
스펙트럼 폭	Δ λ=30 ~ 120 nm	(MM LD) Δ λ =3 ~ 10 nm
		(SM LD) Δ λ ≪ 1 nm

나. (예제 4.1) 상온(T=300k)에서 동작하는 InGaAsP LED의 Eg=0.9[eV],m=3인 경우
(a) LED의 출력 스펙트럼 Δλ
(b) LED 출력의 중심 파장 λp
(c) LED 출력이 D=5[ps/nm.km]인 광섬유로 인가된 경우 최대 BL곱은
(d) T=77K로 감소된다면 BL곱은?

 

다. (예제 4.5) 중심 파장이λ=850nm 에서 동작하는 L=600μm의 FP형 LD가 있다. 이 LD의 활성영역 굴절률 n=3.6인 경우
(a) 이 LD의 종모드 사이 간격 Δλ와 Δf는 얼마인가?
(b) 길이 L이 1/2로 감소하여 300μm라면 Δλ와 Δf는 얼마인가?

 

<5장> 광다이오드와 광수신기

가. PIN-PD에 대해서 설명하시오.

☞ P영역과 N영역 사이에 진성(intrinsic) 영역을 삽입하고, 이 진성영역에서 대부분의 공핍층이 형성된다.

- 공핍층의 두께가 P-N 접합 광다이오드와 같이 큰 역전압에 의해 결정되는 것은 아니고, 진성영역의 폭에 의해 미리 결정된다.

- (장점) : (a) 암점류(dark current)가 적고,

(b) 입사광자는 대부분 진성영역에서 흡수되며,

(c) 양자효율(η)이 좋아진다.

- (단점) : 이동시간이 증가하므로 대역폭이 감소 된다.

나. APD에 대해서 설명하시오.

☞ Avalanche Photo-diode 란 충돌 이온화 현상을 이용하여, 입사된 광자 하나로부터 하나 이상의 전자가 발생하게 함으로써 반응도(R)를 크게 증가시킨 PD이다.

- n 타입 쪽의 이득 영역에 해당되는 p 타입 반도체 물질을 다시 집어넣어 역전압을 인가하면 p 영역의 공간전하 밀도가 진성영역보다 훨씬 높으므로 p영역에 강한 전계(electric field)가 형성되어 PIN-PD보다 훨씬 높은 역전압이 인가된다.

 

(a) 구조가 좀 더 복잡하므로, 제조 단가가 높으며,

(b) APD는 충돌 이온화 과정에서 산탄 잡음(shot noise)이 크게 증가됨

(c) 높은 역전압이 필요하여 전력 소모가 증가된다.

(d) 이득 계수(M)는 온도에 민감하여 온도 안정화 회로가 필요함

 

<7장> WDM시스템과 광소자

가. WDM 시스템 구성도를 그리고, WDM 시스템의 장점을 설명하시오.

 

(a) 여러 개의 광송신기가 각각 다른 중심 파장을 갖는 LD로 독립정보를 변조
(b) 이들 광신호를 WDM 다중화기(Mux)로 모아 하나의 광섬유로 동시에 전송
(c) 수신 측에서는 중심 파장이 다른 광신호를 WDM 역 다중화기(DeMux)로 분리한 후, 각 수신기에서 정보 신호를 복원 ⇒ WDM 시스템의 주파수 간격 : Δf =50GHz or 100GHz

☞ (WDM 시스템의 장점)

㉮ 확장성: 전송 용량을 증가시키기 쉽고, Data Traffic이 증가하면, 채널수를 늘리면 된다.

㉯ 투명성: 전송 형태에 독립적이고, 중심 파장만 다르다면 각 채널의 비트율과 비트 변조 방식이 각각 달라도 하나의 광섬유 안으로 함께 전송할 수 있다.

㉰ 용이성: 네트워크 구성이 매우 쉽고, 전송 도중 특정 파장을 쉽게 분리하거나 더해줄 수 있다.

 

나. WDM 시스템을 종류별(WWDM, CWDM, DWDM)로 설명하시오.

㉮ WWDM(Wide WDM) 시스템

- 1980년대 초창기의 WDM 시스템

- 850nm와 1310nm 또는 1310nm와 1550nm 단 두 파장만을 사용

- 다중화가 아닌, 양방향(full-duplex) 데이터 전송이 주목적

 

㉯ DWDM(Dense WDM) 시스템

- 채널 간격이 200GHz 이하인 WDM 시스템

- ITU Grid : 국제전기통신연합(ITU)은 파장 대신 주파수로 채널 간격을 표준화

- ITU는 193.1 THz(1552.52nm)를 절대 주파수 기준(AFR, Absolute Frequency Reference)으로 정함

- AFR을 기준으로 100GHz로 채널 간격을 정의했다가 차차 S,C 및 L대역에 걸쳐 50GHz, 25GHz 및 12.5GHz 간격도 정의

- 채널 간격이 좁을수록 광부품의 가격이 상승함

 

㉰ CWDM(Coarse WDM) 시스템

- 통신망에 대한 수요가 점차 장거리 기간망에서 Metro망과 Access망으로 확대되자 저비용의 WDM 시스템에 대한 수요 증가

- DWDM보다 채널 간격이 넓고 광증폭기가 필요 없는 단거리(50km 이하) 전송에 사용되는 WDM 시스템

- 주파수 그리드는 2500GHz(20nm)이며, 1270nm에서 1610nm에 걸쳐 18채널이 정의

- 채널 간격이 넓어 저비용의 부품 사용이 가능

이 글의 내용 및 그림, 사진 등의 콘텐츠는 작성자에게 저작권이 있습니다.

이를 무단으로 복제, 수정, 배포하는 행위는 불법이며, 관련 법률에 의해 엄격하게 제재될 수 있습니다.

작성자의 동의 없이 이 콘텐츠를 사용하는 경우, 민사 및 형사상의 책임을 물을 수 있습니다.

 

Copyright. 우리의인공지능항해 All rights reserved.