광섬유(Glass fiber) 구조

입사각이 임계각 보다 클 경우에만 반사가 발생한다. 단, 여기서 우리가 간과 하지 말아야 될 것이 있다. 바로 서로 다른 두 매질의 굴절률(Refraction) 이다. 즉, 매질 A로부터 입사되어 굴절되거나 반사되는 매질 B의 굴절률이 상대적으로 더 낮다는 사실이다. 만약 이러한 두 매질의 굴절률에 대한 약속을 위반하게 되면 어떤 현상이 일어날까? 
  
그림 3.1은 광섬유(Fiber)의 표면 오염으로 인한 굴절률 변화로 빛이 산란하는 모습을 보여주고 있다. 공기는 자유공간이므로 굴절률 1에 해당한다. 그러나 그림과 같이 광섬유 표면의 오염으로 1 이상의 값으로 굴절률이 변화하게 된 것이다. 즉, 약속 위반이 발생한 것이다. 광섬유(Fiber)는 매우 투명한 물질의 순수한 유리이다. 이것의 표면은 사람의 손이나, 여타의 물질이 살짝 스치는 것 만으로도 쉽게 오염된다. 
  
 

그림 3.1

광섬유(Fiber)표면오염에 의한 빛의 굴절

 

위와 같이 제조된 광섬유로 실제 응용환경에서 사용하고 관리하기란 사실상 불가능한 일이다. 따라서 이러한 문제를 예방하기 새로운 유리층을 입히게 되는데, 우리는 이것을 클래딩(Cladding) 또는 클래드(Clad)라고 부른다.

클래딩(Cladding)은 코어(Core)보다 굴절률이 낮은 것을 사용하여, 오염방지 및 전반사의 특성을 개선시켜 광섬유의 안정적인 사용을 가능하게 한다.

 

 

그림 3.2

클래딩(Cladding)

 

광섬유(Fiber)는 대략 머리카락 굵기의 10분의 1의 크기로 매우 가늘다. 따라서 직경을 표시하는 단위도 매우 적은 량을 나타내는 ㎛ 마이크로미터(1×10-6) 단위를 사용한다.
멀티모드(Multimode)의 경우, 코어의 크기는 유럽방식이 50㎛, 미국방식이 62.5㎛로, 그 두께는 대략 일반적인 책의 한 페이지 정도이다. 싱글모드(Singlemode)의 경우 8~10㎛로 멀티모드에 비해 대략 1/6 크기이다.

 

 

그림 3.3

멀티모드(Multimode) 광섬유와 싱글모드(Singlemode) 광섬유의 물리적 구조

 

우리가 알고 있는 상식으로 유리는 매우 깨지기 쉬운 물질이다. 유리창을 접을 수 있는가? 매우 기발한 상상이지만 그렇게 시험하려고 하는 순간 깨지고 말 것이다.

그렇지만 광섬유의 경우는 조금 다르다. 그림 3.4와 같이 쉽게 구부릴 수 있으며, 완전히 한 바퀴를 돌려 감는 것도 가능하다.

 

 

그림 3.4

둥글게 말려 있는 10G용 OM3점퍼코드(Jumper Code)

 

광섬유는 유리와 같으며, 충격에 매우 약한 성질을 가지고 있다. 클래딩(Cladding)층이 있다고 하더라도 긁힘에 대한 예방은 되지 않는다. 클래드는 단순히 전반사의 원활한 수행을 도우는 것일 뿐 충격을 예방하기위해 씌워진 것이 아니기 때문이다.

광섬유 표면에 작은 크랙(Crack)발생에도 주의하여야한다.
시간의 흐름에 따라 이는 점점 확대되어 산란에 의한 통신 불량을 발생시키거나, 아예 광섬유의 절단을 야기 시킬수도 있다.

이러한 표면 크랙(Crack)을 예방하기 위해 클래딩 주변에 소프트 플라스틱 표피층을 입히게 되는데 우리는 이것을 프라이머리 버퍼(Primary buffer) 또는 프라이머리 코팅(Primary coating) 또는 버퍼(buffer)라고 부른다. 이는 코어와 클래딩 층을 물리적으로 보호하기 위한 보호 층이며, 빛의 전송에는 전혀 관여하지 않는다.(그림 3.3 참조)

제조 과정 중 코어와 클래딩 층은 동시에 만들어지며, 프라이머리 버퍼 층은 코어와 클래딩 제조 후 손상이 가지 않게 하기 위해 충분히 열을 식힌 뒤 곧 바로 입혀진다.

광섬유의 전형적인 구조는 그림 3.5와 같다. 다양한 산업현장 환경에서 사용되기 위해서는 더욱 안전한 보호장치가 필요한데, 그러한 이유로 또 다른 외부 보호 층을 입히게 되는데, 이를 재킷(Jacket) 이라 부른다.

 

 

그림 3.5

광섬유의 전형적인 구조

타이트버퍼케이블(Tight buffer cable)

 

광섬유에 관해 반드시 알아두어야 할 3가지 상식
▷ 광섬유는 하나의 고체 덩어리 이며, 중앙에 구멍이 뚫려 있지 않다.
▷ 버퍼와 재킷은 오직 물리적인 보호 장치이다.
▷ 빛의 전송은 코어를 통해서 이루어진다. 하지만 일부는 클래딩 층을 통해서도 전송이 된다, 따라서 클래딩 층의 투명성을 유지하는 것도 매우 중요하다.

코어내로 입사된 광선은 임계각을 기준으로 반사하거나 굴절하게 되는데 , 이때 굴절되는 일부 광선들 중에는 클래딩에 의해 다시 반사하여 코어내로 재입사되는 광선들도 있다. 따라서 클래딩층의 투명도도 매우 중요한 요소가 된다.