5 optic fiber waveguides

1

MICROWAVE & OPTICAL COMM. LAB.

제5장 Optic Fiber Waveguides�광 fiber 선택을위한 �구조 , 특성

�감쇠, mode, 정보용량에유의

Singlemode fiber has a smaller core relative to the cladding diameter.

Multimode fiber has a large core relative to the cladding diameter.

50µm62.5µm100µm

8-9µm

125 µm

제 5 장 - 1


● 광섬유는 코아(Core), 클래딩 (Cladding), 코팅(Coating)의 세부분으로 구성되며, 코아와 클래딩은 광섬유의 성능을 결정짓는 요소이다.

● 광섬유는 외부의 충격이나 측압으로부터보호하기 위해 아크릴 재질로 글라스를 2층으로 코팅

처리한다. 자사의 광섬유는 120kpsi 이상의 인장력(Proof test Level)을 가진다.

● 싱글모드(Single Mode)* 싱글모드 광섬유는 장거리 전송 및 높은 전송특성이 요구되는데 적용.

* 운용파장: 1310 nm(단파장), 1550 nm(장파장)

▶ Single mode* 코아 : 9.0㎛* 클래딩 : 125㎛* 코팅 : 245㎛

제 5 장 - 2

2


● 멀티모드(Multi Mode) * 멀티모드 광섬유는 데이터 링크 단거리 (2km정도) 환경에 적용* 멀티모드 광섬유는 코아 사이즈에 따라 여러 가지가 있으나, 현재 가장 널리 쓰이고 있는 것은62.5/125um ,50/125um가 있다.* 운용파장: 850nm(단파장), 1300nm(장파장)

▶ Multi Mode* 코아: 50㎛* 클래딩: 125㎛* 코팅: 245㎛* 개구수(NA): 0.21

▶ Multi Mode* 코아: 62.5㎛* 클래딩: 125㎛* 코팅: 245㎛* 개구수(NA): 0.275

제 5 장 - 3

MICROWAVE & OPTICAL COMM. LAB. 제 5 장 - 4

3


�광섬유의종류

!모드, 재질, 굴절률, 제조방법에의한분류

!굴절률분포에의한분류

! ITU-T에의한분류

VAD (Vapour Phase Axial Deporsition)

MCVD (Modified Chemical Vapour Deposition)

OVD (Outside Vapour Deposition)

제조 방법

석영, 플라스틱, 다성분재 질

Multi, Single mode도파 모드

계단형, 언덕형, 삼각형, 2중 코아형굴절률 분포

850nm, 1310nm, 1550nm사용 파장

내 용분 류

�모드, 재질, 굴절률, 제조방법에의한분류

제 5 장 - 5


�굴절률분포에의한분류

제 5 장 - 6

4


� ITU-T에의한분류

제 5 장 - 7


" Core의종류 및 특성

편광 유지광섬유로 Sensor류의입출력단에연결됨

4PMF

(Polarization Maintaining Fiber)

Fiber 자체로는이용되지않으며, DEFA 광증폭기와 함께 사용됨

4 ~ 5EDF

(Erbium Dooped Fiber)

분산 천이광섬유로 해저케이블에 사용됨

8DSF

(Dispersion Shifted Fiber)

0.85 ~ 1.3㎛의멀티모드용50 ~ 62.5MM(Multi Mode)

1.3 ~ 1.5㎛의싱글모드용9.3 ~ 10SM(Single Mode)

사용 및 특징Core의 직경

(단위 ㎛)Core의 종류

제 5 장 - 8

5


" 광섬유 분류

제 5 장 - 9


" 광섬유의 재료#광섬유의재료로는주로 SiO2 즉이산화실리콘을주성분으로함.

(1) 석영계유리

융점이섭씨 1700℃정도인순수한석영(SiO2)에코어부분에는굴절율을크게하기위하여이산화케르마늄(GeO2)을소량첨가하고크레딩부분에는굴절율을작게하기위하여산화보론(B2O3)이나불소(F)를소량첨가하여제조하며그외에이산화인(P2O2)등을첨가한다. 이석영계유리광섬유는실제일반적으로사용되고있다.

(2) 다성분계유리

다성분계유리는 SiO2에알카리류, 알카리토류, 알루미늄, 붕소등의산화물을다량첨가한유리로용접이섭씨1400 ℃정도로석영계유리보다낮아제도가간편하며석영계유리에비하여높은 NA값을실현할수있으나현재의기술수준으로굴절율분포를정밀하게제어하기가어려워전송대역폭이수백 MHz밖에되자않아실용성이없다.

(3) 프라스틱

프라스틱광섬유는코어및크래딩모두프라스틱인경우와코어는유리, 크래딩은프라스틱인것이있으나손실이 20dB/Km로서짧은구간의전송혹은실험용으로주로사용되고있다.

제 5 장 - 10

6


5 � 1 Step � Index Fiber (SI Fiber)

(Step-index matched- clad Fiber)

1. 구조

그림 5-1 계단형굴절률파이버 (a) 굴절률분포 (b) 축단면 (c) 단측면도

제 5 장 - 11


# n1 > n2

sinθc = n2 / n1 (5-1) (3-24)

∆ = (n1 - n2)/ n1 (5-2) (4-21-1)

= fractional refractive index change

> 0 , ≒ 0.01

n1 - n2 →大, mode 왜곡, NA →大

# Claddling이필요한이유

→ Core에접하게되는손실성매질제한

→ Handing시파손

→오염방지및물리적안정

# 구성 core, cladding

→유리,유리 (all glass) → 小小 수dB

→유리, Plastic(Plastic Cladding Silica(PCS))fiber → 中中 8 dB이상

→ Plastic, Plastic(Polymer Optical Fiber(POF)) → 大大 수백 dB

Size NA 손실

제 5 장 - 12

7


2. SI fiber 성능과응용# All glass fiber = 최저손실, 최소모드간퍼짐을갖음.

= 30MHz × Km급달성가능= 낮은 NA로결합손실이크다.→전송손실이낮은것으로보상

# PCS fiber = 단거리 link에사용 (수백km)= 높은 NA와결합효율= 손실이크다.= core 직경≒ 200µm

# POF = 초단거리에사용 (수십m)= 높은 NA와결합효율= core 직경≒ 1mm

0.05429 °0.481.411.49All-plastic0.04124.2 °0.411.41.46PCS

0.013513.9°0.241.461.48All-glass∆α0NAn2n1construction

표 5-1 실질적인계단형굴절률파이버의특성

제 5 장 - 13


3. Cladding 외곽물질이 Cladding n2보다낮은경우

# Cladding mode 발생

# 그림 5-3

#급격히감쇠

�matched buffer�광 fiber

# #n2보다큰물질로코팅

n2와같은물질로코팅

그림 5-3 클레딩모드의광선선로.

코아 �클레딩경계의다중광선경로에 의하여부분반사가발생한다.

Cladding mode 제거

#제 5 장 - 14

8


� Ex : 연습문제 5-3n1 = 1.5, n2 = 1.49이고직경이 50µm인 SI 광파이버가있다. 그파이버축에대해가장경사진각도로유도광선은진행한다. 그때, 그광선은 1m 진행하는동안몇번의반사를경험하겠는가?

풀이)

n1

n2

θc d

critical angle = θc

= sin-1(n2 / n1)

= sin-1 (1.49/1.5)

= 83.38°

x = d tan θc

= 50 tan 83.38°

= 430.85µm / reflection

1m에대하여반사회수 R = 1/x =106/430.85 = 2321 reflection/m

� Report : 연습문제 5-40 ≤ NA ≤ 1 구간에서 NA에대해수광허용각을도시하라. 여기서, n0 = 1이다.

x

제 5 장 - 15


5 � 2 Graded � Index Fiber (GRIN)Fiber1. 구조

그림 5-4 언덕형굴절률파이버 (a) 굴절률 (b) 축단면 (c) 단측면도

2. 굴절률변화

)b35(ar,n21n)r(n

)a35(ar,)a/r(21n)r(n

21

1

−>=∆−=

−≤∆−= α

여기서

n1 = 광파이버축상굴절률

n2 = 클레딩굴절률

a = 코아반경

α = 굴절률분포변화를나타내는파라미터

∆ = Fractional refractive index change 제 5 장 - 16

9


# 굴절률modeling하면

→ Fig. 5-6

그림 5-6 GRIN 파이버계단모델# core를층층히쌓아 GRIN fiber 제조# 각경계면에서 Snell�s Law 적용# 결과 : fig. 5-5

그림 5-5 GRIN 파이버에서의광선경로

#축에수평정도로입사→ 진폭이작음.축에큰각으로입사 → 진폭이크다.

제 5 장 - 17


3. 응용 GRIN Rod Lens → 2-2절

그림2-15 언덕형봉

(a) 대표적인광선경로

(b) ¼피치렌즈는점광원에서나오는광을평행화한다.

(c) ¼피치렌즈는평행화된광을초점에모은다.

그림2-16 (a) 구형렌즈 (b) GRIN rod 렌즈

여기서,)265(/2aP −−∆π=

여기서, a = 직경

� Report : 연습문제 5-26� Report : 연습문제 5-6

제 5 장 - 18

10


5 � 3 Attenuation

1. Signal Attenuation

2. Glass 인경우# Silica, ( silica dioxide, SiO2)

#굴절률조절

#혼합물첨가 = titanium, thalium, qermanium, boron등

# Germanium = core 조성

#손실원인

� Absorption

� Scattering

� Geometric effect

제 5 장 - 19


3. Absorption#순수유리 = 특정파장대에서큰흡수발생→�intrinsic absorption�

→밀도와구성에 의한것

#흡수대역 = 단파장 자외선영역

= 지외선에서최대

= 가시광선에서감소

#그림 5-9

그림 5-9 게르마늄이첨가된실리카유리파이버의감쇠제 5 장 - 20

11


# Intrinsic absorption 은그리중요치않으나긴파장( > 1.6µm),

짧은자외선( < 0.5µm) 쪽으로통신 system이확장되는것을방해

# Impurities (불순물)가손실의주요인

→천이형금속 ion과 OH ion

4. Rayleigh Scattering

#광파장보다작은산란분자가원인

→굴절률변화

# λ-4에비례→굴절률변화

→파장이작을수록심각

# Oxide의농도변화 (불완전한화학적결합)가원인

→굴절률변화

# Rayleigh Scattering Loss

L = 1.7(0.85/ λ)4 [dB/km] (5 � 6 � 3)

제 5 장 - 21


그림 5-10 굴절률의지역적변화에기인한입사광자흐름의

감쇠를보여주는 Rayleigh산란

α = L/8.685 [km-1] (5 � 6 � 4)

# 0.8µm 이하 �사용불능의경계

즉, fiber손실 = 0.05dB/km 이하려면

λ > 2µm 이어야한다.

→ Core가 silica가아닌다른물질이어야

→ Flouride glass etc.

#밀도와구성에의한 �Intrisic absorption�임

→공정개선으로감쇠불가능

→광 fiber의최소손실값 = 0.05 dB/km

제 5 장 - 22

12


� Ex : 연습문제 5-31

600 ~ 1600nm에서 dB/km의단위로 Rayleigh산란손실을그려라. 또한, 670, 820, 1310, 그리고 1550nm에서그손실을나타내는표를작성하라.

풀이) by 식 (5-6-3)

L = 1.7 (0.85/ λ)4 [-dB/km]

= λ-4에비례

= 0.8874/ λ4 0.1515500.3013101.968204.40670

L (dB)λ (nm)

1.0

0.0

3.0

5.0

7.0L [dB]

600

700

800

900

1000 1200 1300 1400 1500 λ[nm] 제 5 장 - 23


5. Inhomogeneities#유리물질내의비균질성

→화학물질의혼합과용해가원인

→ λ에비해크다

→ λ에무관

→적합한제작기술로가능

6. Geometric Effects

# macroscopic, microscopic 인것

# macroscopic 인것

→큰구부림

→의도적손실

→ 125µm 직경 �무손실곡률반경 = 25mm

→표면에흠집발생

제 5 장 - 24

13


# fig. 5-11

그림 5-11 구부러진곳에서의복사

→ θ2가 θc에가까울수록고차mode

#안쪽 , 바깥쪽파동속도상이

# Macroscopic 인것

→ Cabling시무작위발생

→ Cabling후손실증대

→ Loose tube 구조로해결

제 5 장 - 25


7. Total Attenuation#그림 5-9에서굵은선

→단파장에산란→장파장에적외선흡수→저손실영역제한

#그림 5-9의저손실영역확대 = 그림 5-12

그림 5-12 3개주요파장대를보여주는실제파이버시스템의실리카유리파이버감쇠→최저손실 = 0.15dB(1.55)

→ 800 ~ 900 nm � 1st window

1300 nm � 2nd window

1550 nm � 3rd window제 5 장 - 26

14


#상용 fiber의예

#그림 5-13 전유리파이버의파장에대한감쇠

# Multimode = 85µm Core 직경

= GRIN fiber

# Single mode = 1300 µm에서동작

= sport size 5µm

#그림 5-14 HCS 파이버의파장에대한감쇠

# Hard Clad Silica (HCS) fiber

#그림 5-15 전플라스틱파이버케이블의파장에

대한감쇠

# All plastic fiber 제 5 장 - 27


#손실측정

→ Spool 상태에서끝단광출력측정 (cutback)

→출력비계산

# Optical time domain reflectrometer(OTDR) 사용

→입사단에광 pulse 입력후반사광측정

→그림 5-16

그림 5-16 광시간영역반사계의결과

→ Spliter, connector, click, Rayleigh산란에의한손실위치측정가능

→광전력의불연속점발생제 5 장 - 28

15


� Ex : 예제 5-4파이버시스템이 1300nm의파장에서동작한다. 여기서, 파이버의손실은0.5dB/km이다. 그 LED 광원은 1.59mW를발산하고, 파이버와 16 �dB의손실을갖고결합한다. 그시스템에서커넥터와스플라이서는총 6dB 의손실을나타낸다. 그수신강도 ( 수신기가 SNR 또는오차율을가지고메시지를검파하기위하여요구되는전력)는 �30 dBm이다. LED의수명과같은시스템왜곡에대비하여 4 �dB의마진이주어졌다. 사용할수있는파이버의최대길이는얼마인가?

풀이) dBm과 dB로전력계산을수행하는것이유용하다.

1.59mW � 6dB

Fiber loss 0.5dB/km

출력 = � 30 dBm결합 loss = � 16dB

System margin = � 4dB

제 5 장 - 29


1. 모두 dB로바꾼다.

1.59 mW → 10log10 1.59(mW) = 10 × (0.20139)

= 2.0139 dBm

= 2 dBm, (혹은 fig. 1-14 이용가능)

∴ 1.59 mW = 2 dBm표 5-2 전력계획에대한계산의예

6dBAvailable fiber loss� 26dB26dBTotal losses

4dBPower margin6dBConnector and splices loss

16dBCoupling loss32 dBLoss budget( 예정손실 )

� 30 dBmReceiver sensitivity2 dBmLED output power

∴ 6 dB ÷ 0.5 dB/km = 12 km

� Report : 연습문제 5-32제 5 장 - 30

16


5 � 4 Modes in Step � index Fiber

1. 대칭형평판mode와유사#차이점 : 유효굴절률 neff를 V함수로정규화

2. V= � normalized frequency �)75(nna2V 2

221 −−

λπ

=

여기서, a = core 직경

λ = free space에서파장

# a, λ, n1, n2, 의임의값조합으로mode도표구성

# neff가커지면mode 수증가

# V > 10 인경우

)85(2

VN2

−=

# V 가클수록mode 수가커진다.

제 5 장 - 31


� Ex : 예제 5-5

광섬유코아직경이 50µm인광섬유가갖는모드수를계산하라. 5-1절의전유리

광섬유와같게 n1 = 1.48, n2 = 1.46 이고 λ = 0.82µm 이라가정한다.

풀이) 우선 V는식 (5-7)에의해서

2)45.46(

2

)85(

46.46)46.1()48.1(82.0

)25(2

2

22

22

22

21

==

−

=−=

−=

VN

nnaV

식

πλπ

≒1078

� Report : 연습문제 5-10

제 5 장 - 32

17


3. SI fiber mode 도표# TE1 TM mode : 혼성mode 유발

# HE, EH mode

#광축에전계, 자계존재

#그림 5-17

그림 5-17 계단형굴절률파이버에대한모드도표 (HE11모드는 V=0에서차단된다.)

#최저차mode = HE11 mode

#횡방향전계모양

n1

n2

제 5 장 - 33


그림 5-18 SI 광파이버의최저차모드인 HE11모드의횡방향패턴

# Gaussian shape

# Single mode = ( V= 2 ~ 2.4 )에서동작

# Single mode 조건

)105()NA(2

405.2nn2

405.2a22

21

−⋅π

=−π

⟨λ

#식 (4-7) 과유사

−⟨

λ 22

21 nn21d

제 5 장 -34

18


� Ex : 예제 5-6

만일도파로가 1250nm의파장에서단한개의모드를갖는다면 n1=1.465,

n2=1.46인유리광섬유가허용할수있는최대코아반경은얼마인가?

풀이) by, 식 (5-10)에대입

22

21 nn2

405.2a−π

⟨λ

∴ a = 3.96µm

결론 : Single mode fiber 직경 = 매우작다.

n1≒ n2 , 장파장이면 a 가커지고, NA 감소

예 : Single mode fiber

# Core 직경 = 4 ~ 12 µm

Clading직경 = 125 µm

#장거리, 광대역폭수용

제 5 장 - 35


� Ex : 연습문제 5-22

파장이 800nm일때규격화주파수 4.5인 SI 광파이버의도파모드수를전부

합하면몇개인가?

풀이) λ = 800nm = 0.8µm

V = 4.5

그림 5-17 이용, V = 4.5에서mode 수 = 6

6개의각 mode는 2개의 orthogonal polarized mode

∴ 12 mode

SI

� Report : 연습문제 5-16

제 5 장 - 36

19


� Ex. Single mode SI Fiber 에서 a는매우작다.

Fiber 제작, 결합, 분리, 연결등이용이하도록

n1≒ n2로하여 core가커지도록하는설계를고찰하라.

풀이) n1 = 1.465, n2 = 1.46 이라면 single mode 조건

by 식(5-10)

)105()NA(2

405.2a−

π⟨

λ

여기서, NA = 식 (4-21) = = 0.1222

21 nn −

⟨λ

∴a

3.17

① 0.8 µm로동작하려면 a =0.8(3.17) = 2.54 µm

∴ core 직경 = 5 µm (single mode)

제 5 장 - 37


② λ = 8.2 µm, a = 2.54 인경우

식 (5-10-1) : single mode

③ a = 4.12µm에 λ = 0.8 µm 로여기하면

single mode 조건식 (5-10-1)

4.12/0.8 = 5.15 < 3.17 #불성립

# multimode 존재

④식 (5-10)이등식일경우

λ→ λc = �single mode cutoff wavelength �

= 2.61a (NA) (5-18)

17.309.32.8

54.2a⟨==

λ

제 5 장 - 38

20


4. Polarization � preserving fiber

#직교로편광된 HE11 mode 전송

#응용분야다양

#편광유지 fiber

그림 5-20 편광유지파이버

#붕소첨가제작

# Optical fiber gyroscope, Coherent 광수신기

제 5 장 - 39


5. Polarizing fiber

#편광된 HE11 mode 중하나만전송

#그림 5-21

그림 5-21 전형적인, 편향유지된, 그리고편향된 파이버의편향효과

제 5 장 - 40

21


5 � 5 Modes in Graded � index(GRIN) Fiber

1. Mode 의수

4VN

2

= (단, V = 큰값 ) ( 5-11-1 )

Ex : core의직경 = 50 µm, n1 = 1.48, n2 = 1.46인 GRIN fiber 의 mode수?

단, λ = 0.82 µm

풀이) 우선 V를구해야하므로

by 식 (5-7), [ 예제 5-5 ]

45.462 22

21 =−= nnaV

λπ

by 식 (5-11-1)

4.5394

VN2

== ≒ 539 mode

제 5 장 - 41


2. 도파 Mode

# Mode 도표생략

#도파 mode 조건

n2 ≤ neff≤ n1 ( 5-13)

n2 = neff → Mode 도파차단 (cutoff mode)

# )115(ak

2)1qp(nk

n0

10

pqeff −

∆++−=

β=

여기서 , p,q = 정수β = 종방향전파상수

# (p=q=0) : 최저차mode

# 횡방향전계모양 [ 그림 5-18과비교 ]

그림 5-23 포락선분포 GRIN 파이버에서최저차모드에대한횡방향패턴제 5 장 - 42

22


# (p=1, q=0), (p=2, q=0)인경우전계모양

그림 5-24 포락선파이버에서고차모드에대한횡방향패턴

제 5 장 - 43


3. Single mode의조건

# ( p = 1, q = 0 ), neff≒ n2

#식 (5-11)에대입, 정리

# n1≒ n2 , λ = 장파장이면 a가커진다.

#식 (5-10)과식(5-14) 비교

# (a/ λ)가 GRIN에서 1.6배정도크다.

� Ex : 예제 5-7포물선굴절률분포를갖고 n1 = 1.47, n2 = 1.46인 GRIN광파이버를고려하자. 단일모드로되기위한상대비굴절률차와최대코아크기를계산하라. 또앞에서구한코아크기를사용하여도파모드의 neff 값을계산하라. 그동작파장은 1.3이다.

풀이) 0068.0n

nn.11

21 =−

=∆

제 5 장 - 44

)145()nn(n2

4.1a

211

−−π

=λ

23


ak2)1qp(n)115( n.3

8.4a

3.1a

)nn(n4.1)145(a.2

01eff

211

∆++−=−=

=∴

=−π

=−⟨λ

식

식

Single mode = (p=0, q=0) = (0,0) mode

465.1a22nn 1eff =

λπ∆

−=∴

4. 비교

Single mode Single modeGRIN fiber SI fiber

Pulse spreading

Multi mode Multi mode GRIN fiber SI fiber

Pulse distortion

Fiber제한요인

>>

제 5 장 - 45


5 � 6 Pulse Distortion and Information Rate in Optic Fiber

# Attenuation, Pulse distortion # fiber 길이제한

# (3장 2절)

# Attenuation에 의해수신불가능# � Power limited �

Pulse distortion에의해수신불가능# � bandwidth limited �

#(5장 3절)

1. Pulse Distortion in SI Fibers

#원인 : 1. 재료분산

2. 도파로분산

3. Multi mode Pulse Spreading � (∆τ)mod

# Total pulse distortion (∆τ)2

(∆τ)dis

제 5 장 - 46

24


(∆τ)2 = (∆τ)2mod + (∆τ)2

dis (5-16)

∆(τ/L) = n1(n1 � n2)/cn2= n1 /c∆= NA2/2cn1 (5-15)= λ, ∆λ와무관= 10 ~ 50 ns/km

1. 주된원인임2. 광원의파장과대역폭에무관 ∆(τ/L)dis = � (M +Mg) ∆λ

1. 광원의파장과대역폭이좌우 (대역폭에비례)

�도파로분산∆(τ/L) = - Mg∆λ (5-17)

Mg = 도파로분산= fig. 5-25

1200 ~ 1600nm에서만고려

�재료분산∆(τ/L) = - M∆λ (3-14)

M = 재료분산= fig. 3-8

∆λ = 광원의선폭

� neff가 λ에따라서변화� fig. 3-8, 5-25 참조

∴ Multimode SI fiber에서는 (∆τ)2mod 가주된원인

∴ LED 사용

제 5 장 - 47


Ex : 예제 3-1 사용

전체퍼짐 = 20ns/km

SI fiber 길이 = 1km

LED = 0.82µm

Spectrum = 20nm 인경우

우선, 재료분산에의한 Pulse Spreading (Distortion)

∆(τ/L) = - M∆λ (3-14)여기서, M = 재료분산, by 그림 3-8

= 110 ps/(nm × km)= 110 (20)= 2200 ps/km= 2.2 ns/km

∴식 (5-16)(∆τ)2 = (∆τ)2

dis + (∆τ)2mod

(20)2 = (2.2)2 + (∆τ)2mod

∴ (∆τ)2mod = 19.9ns

∴ (∆τ)2dis≪ (∆τ)2

mod제 5 장 - 48

25


∴ SI fiber에서 Pulse distortion (�Mode Mixing�) 이다.

# Mode Mixing (Modal Distortion)

#원인 : 하나의mode가산란, 구부림등으로저, 고차mode 로이동

#임의의한mode로집중

# Pulse Spreading 감소 ( 저차mode 이동시 )

# Clading으로침투발생 (고차mode 이동시)

� Ex : 연습문제 5-15

단일모드와다중모드광파이버에대하여 n1 = 1.48, n2 = 1.46, λ= 0.82µm, 그리고

선폭 = 20nm 이다.

(a) 3 � dB 대역폭길이곱을계산하라. 단도파로분산은무시한다.

(b) 선폭이 1nm에대해반복하라.

(c) λ = 1.5µm, 선폭 = 50nm에대해반복하라.

(d) λ = 1.5µm, 선폭 = 1nm에대해반복하라.

제 5 장 - 49


풀이)

n1 = 1.48 n2 = 1.46

∆λ = [20nm] λ = 0.82

(a) 3 � dB 대역폭길이곱→ 식 (3-16)

dis

dB3

)L

(2

1Lf:modesingleτ

∆=×−

여기서, λ∆+−=τ

∆ )MM()L

( gdis 도파로분산 Mg무시

= � M ∆λ

= 0.82에서 (M=110 ps/nm × km)

= (110 ps/nm × km) (20nm) = 2200 ps/km

kmGHz227.0)kmps2200(2

1Lf dB3 ⋅==×∴ −

제 5 장 - 50

26


totaldis,mode

dB3

)L

(2

1

)L

(2

1Lf:modemultiτ

∆=

τ∆

=×−

여기서,

kmns201.2)kmps68.0()kmps2200(

])L

([])L

([)L

(2

22

2mod

2distotal

=

+=

τ∆+

τ∆=

τ∆

식 (4-27)

kmGHz2227.0)2456.2(2

1Lf dB3 ⋅==×∴ −

0.22720.22732.250.682.0110200.82(a)

다중모드

f3dBL(GHzkm)식 3-16

단일모드

f3dBL(GHzkm)식 3-16

M∆λ

(nm)λ

(µm) )kmnmps( ⋅

λ∆−=

τ∆

M)kmns(

)L

( dis

274)kmns(

)L

( mod

−

τ∆

식)kmns(

)L

( totalτ

∆

정리하면

� Report : 연습문제 5-15 (b) (c) (d) 제 5 장 - 51

0.2271GHz.km


2. Distortion in Sing - mode Fibers

# Single mode 이므로재료, 도파로분산만존재

#그림 3-8과 그림 5-25 비교

그림 3-8 순수실리카의재료분산 그림 5-25 SI 광파이버의도파로분산

#주원인 = 재료분산

제 5 장 - 52

27


#그림 3-8에서

λ= 1.3µm → Zero Dispersion 발생 (Pulse Spreading =0)

→大 : 재료분산 = 0, 도파로분산 ≠ 0

→ 1.6µm까지 Distortion 작음

#따라서, Single mode로장거리, 고속 data통신구현

#한편, 1550nm에 Attenuation 최소 (그림 5-12)

따라서, 1550nm에서 Distorsion이최소이면유용

# 1550nm에 Attenuation 최소화방법→도파로분산과재료분산이상쇄되도록함→도파로굴절률 ≠ GRIN

= 삼각형 Index

제 5 장 - 53


그림 5-28 굴절률분포 (a) 정합클레딩광파이버

(b) 억압클레딩광파이버 (c) 삼각형광파이버

그림 5-27 일반적인광파이버, 분산편평화

광파이버, 그리고분산천이광파이버의총분산

#� Dispersion � Shifted Fiber �

# 1330 ~ 1600nm 에서저손실

제 5 장 - 54

28


3. Distortion in GRIN Fibers

# SI fiber 보다mode distortion이작다.

#이유 : cladding n 값이작아서 cladding 영역

광의속도가빨라짐 ( v = c/n )

#대표적인값 = 수 ns/km

# Mode간 Pulse Spreading

)195(c2

nL

21 −∆

=

τ∆

# SI fiber 경우식 (5-15)와비교

)155(c

nL

21 −∆

=

τ∆

Ex. = 1.48, = 1.46 인경우 SI fiber와 GRIN fiber에서 ∆(τ/L)을구하라.

풀이)

kmns67

cn

L1 =∆

=

τ∆

kmns45.0

c2n

L

21 =∆

=

τ∆

SI fiber에서 by 식 (5-15) ;

GRIN fiber에서 by 식 (5-19) ;제 5 장 - 55


# Total Pulse Spreading

→ (∆τ)2 = (∆τ)2dis + (∆τ)2

mod (5-16)→그림 5-26

#단파장 LED 사용시수 ns/km 퍼짐

불가능

#낮은mode 간 Spreading 이점무력화

# LD 사용시는가능

제 5 장 - 56

29


4. Length Dependence of the Pulse Spread

# Pulse Spread (∆τ) ∝ fiber의길이 (L)

# 1km 이하에서타당 (∆τ ∝ L)

# 1km 이상에서 ∆τ ∝ L1/2

그림 5-29 선형적인의존성과 의존성을보이는단거리와장거리다중모드의펄스퍼짐L

# 1km 이상에서이유 : mode mixing 증대→각 Mode power 동일화발생→ Le ( equilibrium length )

제 5 장 - 57


#그림 5-19 수식화

)b205(LLfor)L/(LL

)a205(LLfor)L/(L

ee

e

−≥τ∆=τ∆

−≤τ∆=τ∆

#재료분산과도파로분산

# L에선형적인증가

#설계시주의사항

1. L > Le, 모든 dispersion 존재시식 (5-16) 사용

즉, 전체 dispersion 계산후

Optical bandwidth f = 0.35/∆τ

NRZ bit 속도 R = 0.7/ ∆τ을구한다.

2. L < Le, modal dispersion 무시경우

#식 (3-16), (3-19), (3-20), (3-21)

제 5 장 - 58

30


# Ex : modal distortion = 지배적이고,

Pulse dispersion = 무시할경우

)225(

LLL2

1fLL

)215(

LL2

1fLL

e

dB3e

dB3e

−

τ∆

=→⟩

−

τ∆

=→⟨

−

−

일반적인설계→식 (5-21) 사용

Modal distorsion > Pulse dispersion →식(5-22) 사용

제 5 장 - 59


5 � 7 Construction of Optic Fiber1. Double � Crucible Method ( 이중도가니법 )

#그림 5-31

그림 5-31 이중도가니파이버제작공정

# SI, GRIN fiber 제조제 5 장 - 60

31


2. Rod in Tube

#가장많이사용

# Doped Deposited Silica ( DDS )

# Chemical Vapor Deposition ( CVD )

# Vapor phase Oxidation ( VPO )

#순수 Silica + GeO2, B2O3, P2O5 : Core

3. Doped Deposited Silica ( 불순물증착실리카 )

cladding

가열

1m

수cm

Core

제 5 장 - 61


4. 기타# External Deposition : 그림 5-32

# Axial Deposition : 그림 5-33

# Internal Deposition : 그림 5-34

5. Fiber Drawing

그림 5-36 파이버방사와코팅시스템제 5 장 -62

32


# Drawing 속도 = 1 ~ 10 m/s

# Preform = 1 ~ 6cm × 1 ~ 2m

#상용화 fiber

표 5-3 언덕형굴절률다중모드파이버

0.29140100.00.26125850.27512562.50.212550

Axial Numerical Aperture

Cladding Diameter(µm)

Core Diameter(µm)

제 5 장 - 63


! MAJOR METHOD OF FIBER MANUFACTURING

- VAPOR PHASE DEPOSITION -

제 5 장 - 64

33


! FIBER MANUFACTURING BY VAD METHOD

제 5 장 - 65



제 5 장 - 66

34



제 5 장 - 67


!광섬유제조방식의비교 (VAD & MCVD)

제 5 장 - 68

35


5 � 8 Optic Fiber Cables#고려사항

1. 장력

2. 분쇄저항력

3. 구부림보호

4. 내마모성

5. 진동내력

6. 내습, 내화작용

#구조

1. 단심케이블과다심케이블

2. 팽팽한버퍼 ( tight buffer )와느슨한튜브버퍼 (lose�tube buffer)

3. 중심인장선과외부인장선

4. 유전체인장선과철제인장선

5. 원형과리본기하구조

제 5 장 - 69


! Optic Fiber Cables

" 여러가지 구조

제 5 장 - 70

36


!광섬유케이블의종류

$관로용케이블

$직매용케이블

$가공용케이블

$해저용케이블

$고밀도 600심루즈튜브케이블

$리본케이블 (Multi-slot)

$리본케이블 (Single-slot)

$ OPGW(120SQ)

$ OPGW(200SQ)

$ UNDER CARPET 케이블제 5 장 - 71


1. Loose tube type 광케이블

제 5 장 - 72

37


! Loose Tube Type

제 5 장 - 73


! Loose Tube Type 모습

제 5 장 - 74

38


! Loose Tube (직매용)

제 5 장 - 75


!직매용광케이블

Configuration Characteristics

제 5 장 - 76

39


! Loose Tube (관로용)

제 5 장 - 77


!관로용광케이블


(외장)

제 5 장 - 78

40


! Loose Tube (가공용)

제 5 장 - 79


!가공용광케이블


제 5 장 - 80

41


! Loose Tube (해저용)

제 5 장 - 81


!해저용광케이블 (단일외장)


(외장)

제 5 장 - 82

42


!해저용광케이블 (이중외장)


제 5 장 - 83


2. Ribbon Slot type

제 5 장 - 84

43


! Ribbon Slot type

제 5 장 - 85


! Ribbon Slot type (관로용)

제 5 장 - 86

44



!리본케이블 (Single-slot)

제 5 장 - 87


!리본케이블 (Multi-slot)

ConfigurationCharacteristics

(면사, 실)

제 5 장 - 88

45


! UNDER CARPET 케이블


(면, 실)

제 5 장 - 89


! OPGW(120SQ)

CharacteristicsConfiguration

제 5 장 - 90

46


!OPGW(200SQ)


제 5 장 - 91


표 5-4 대표적인상용파이버의특성

1550LD830000.0060.20.1010Glass1300LD830000.0060.50.1010Glass850LD> 1000< 0.540.105Glass

B. Single Mode580LED��2000.481000SI

A-3 Plastic

800LED105080.41200SIA-2 PCS

1300LED, LD10000.510.2050GRIN

850LD500150.2450GRIN850LED331550.2450SI

A-1 . GlassA. Multimode

Wavelength(nm)

Sourcef3-dB(MHz×km)

∆(τ/L)(ns/km)

Loss(dB/km)

NACore

Diameter(µm)Description

제 5 장 - 92제 5 장 - 92

5 optic fiber waveguides

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