광섬유 통신

Fiber-optic communication
광섬유 패치 캐비닛노란색 케이블은 싱글모드 파이버, 주황색 케이블과 파란색 케이블은 각각 62.5/125μm OM1 및 50/125μm OM3 파이버입니다.
뉴욕시 맨해튼 미드타운 거리 아래에 432카운트의 다크 파이버 케이블을 설치하는 스텔스 커뮤니케이션 파이버 크루

광섬유 통신은 광섬유를 통해 적외선의[1] 펄스를 보내 정보를 한 곳에서 다른 곳으로 전달하는 방법이다.빛은 정보를 [2]전달하기 위해 변조되는 반송파의 한 형태입니다.광섬유는 높은 대역폭, 장거리 또는 전자파 간섭에 [3]대한 내성이 필요한 경우 전기 케이블보다 선호됩니다.이런 유형의 통신에서는 음성, 비디오 및 텔레메트리를 로컬에리어 네트워크 또는 장거리 [4]경유로 전송할 수 있습니다.

광섬유는 전화 신호, 인터넷 통신 및 케이블 TV 신호를 전송하기 위해 많은 통신 회사에 의해 사용됩니다.Bell Labs의 연구원들은 광섬유 [5]통신을 사용하여 초당 100페타비트 × 킬로미터 이상의 기록적인 대역폭 거리 제품에 도달했습니다.

배경

1970년대에 처음 개발된 광섬유는 통신 산업에 혁명을 일으켰고 정보화 [6]시대의 도래에 큰 역할을 했습니다.광섬유는 전기 전송에 비해 장점이 있기 때문에 선진국의 [7]백본네트워크에서 구리선 통신을 대체하고 있습니다.

광섬유를 사용한 통신 프로세스에는, 다음의 기본적인 순서가 포함됩니다.

  1. 보통 전기신호로부터 송신기 [8]사용을 포함한 광신호를 생성하는 것
  2. 신호가 너무 왜곡되거나 약해지는 것을 방지하기 위해 파이버를 따라 신호를 릴레이합니다.
  3. 광신호 수신
  4. 그것을 전기 신호로 변환하다

적용들

광섬유는 전화 신호, 인터넷 통신 및 케이블 TV 신호를 전송하기 위해 통신 회사에 의해 사용됩니다.또한 의료, 국방, 정부, 산업 및 상업 등 다른 산업에서도 사용됩니다.통신의 목적뿐만 아니라 광도관, 레이저, 지진파용 하이드로폰, SONAR, 압력 및 온도 측정 센서로도 사용됩니다.

광섬유는 감쇠와 간섭이 적기 때문에 장거리 고대역폭 어플리케이션에서는 구리선보다 유리합니다.그러나 도시 내 인프라 개발은 상대적으로 어렵고 시간이 많이 소요되며 광섬유 시스템은 설치 및 운영이 복잡하고 비용이 많이 들 수 있습니다.이러한 어려움으로 인해, 초기 광섬유 통신 시스템은 주로 장거리 애플리케이션에 설치되었고, 그곳에서 최대 전송 용량을 사용할 수 있어 증가된 비용을 상쇄하였습니다.광섬유 통신의 가격은 2000년 [9]이후 상당히 떨어졌다.

가정용 파이버 롤아웃 가격은 현재 구리 기반 네트워크를 롤아웃하는 가격보다 더 비용 효율적입니다.미국에서는 가입자당 가격이 850달러까지 떨어졌고, 네덜란드와 같은 나라에서는 땅 파는 비용이 낮고 주택 밀도가 높다.[citation needed]

광증폭 시스템이 상용화된 1990년 이후, 통신 산업은 도시간 및 대양 횡단 광섬유 통신 회선의 광대한 네트워크를 구축해 왔습니다.2002년까지 2.56 Tb/s 용량의 해저 통신 케이블 250,000km의 대륙간 네트워크가 완성되었으며, 특정 네트워크 용량이 특권 정보이지만, 통신 투자 보고서에 따르면 2004년 [10]이후 네트워크 용량이 급격히 증가하였다.2020년 현재,[11] 전 세계에 50억 킬로미터 이상의 광섬유 케이블이 배치되어 있다.

역사

1880년 알렉산더 그레이엄 벨과 그의 조수 찰스 섬너 테이너는 워싱턴 D.C.에 새로 설립된 벨의 볼타 연구소에서 광섬유 통신의 매우 초기 선구자인 포토폰을 만들었다. 벨은 그것을 그의 가장 중요한 발명품으로 여겼다.그 장치는 빛의 빔에 소리를 전달하는 것을 허용했다.1880년 6월 3일 벨은 약 213미터 떨어진 [12][13]두 건물 사이에 세계 최초의 무선 전화 전송을 실시했다.대기 전송 매체를 사용하기 때문에 레이저 및 광섬유 기술의 진보가 빛을 안전하게 전송할 수 있을 때까지 포토폰은 실용성이 입증되지 않았습니다.포토폰은 수십 년 [14]후 군사 통신 시스템에서 처음으로 실용화 되었다.

1954년에 Harold Hopkins와 Narinder Singh Kapany는 광섬유 유리가 빛을 [15]투과할 수 있다는 것을 보여주었다.도호쿠 대학의 일본인 과학자 니시자와 준이치는 1963년에 [16]통신에 광섬유를 사용할 것을 제안했다.니시자와는 광섬유 통신의 발전에 기여했던 PIN 다이오드와 정적 유도 [17][18]트랜지스터를 발명했다.

1966년 찰스 K. Standard Telecommunications Laboratories의 Kao와 George Hockham은 (동축 케이블의 5-10dB/km에 비해) 기존 유리에서 1,000dB/km의 손실이 잠재적으로 제거될 수 있는 오염 물질 때문이라는 것을 보여주었다.

통신용으로 충분히 낮은 감쇠율(약 20dB/km)의 광섬유는 1970년 Corning Glass Works에 의해 개발되었습니다.이와 함께 소형 GaAs 반도체 레이저도 개발돼 장거리 광케이블을 통해 빛을 투과하기에 적합했다.

1973년, 레이저의 발명자인 고든 굴드가 공동 설립한 Optelecom, Inc.는 최초의 광통신 시스템 중 하나에 대한 계약을 ARPA로부터 받았습니다.앨라배마주 헌츠빌 육군 미사일사령부를 위해 개발된 이 시스템은 비디오 처리 기능이 있는 단거리 미사일이 [19]날아갈 때 발사된 5km 길이의 광섬유를 통해 지상으로 레이저로 통신할 수 있도록 하기 위한 것이었다.그 후 옵텔콤은 최초의 상용 광통신 시스템을 쉐브론에 [20]공급했다.

1975년부터 연구 기간을 거쳐 GaAs 반도체 레이저를 이용한 0.8μm 안팎의 파장에서 작동하는 최초의 상용 광섬유 통신 시스템이 개발됐다.이 1세대 시스템은 최대 10km 간격에 45Mbit/s의 비트 전송 속도로 작동했다.곧 1977년 4월 22일, General Telephone and Electronics는 [citation needed]캘리포니아 롱비치에서 광섬유를 통해 6 Mbit/s의 스루풋으로 최초의 실시간 전화 트래픽을 전송했습니다.

1973년 10월, Corning Glass는 도시 환경에서 광섬유 테스트를 목적으로 CSELT 및 Pirelli와 개발 계약을 체결했습니다. 1977년 9월, 이 테스트 시리즈의 두 번째 케이블인 COS-2는 140 M/[21]s의 속도로 토리노의 두 개의 라인(9km)에 실험적으로 배치되었습니다.

2세대 광섬유 통신은 1980년대 초 상용화를 위해 개발됐으며 1.3μm에서 작동하며 InGaAsP 반도체 레이저를 사용했다.이러한 초기 시스템은 처음에는 멀티 모드 광섬유 분산에 의해 제한되었으며 1981년에 싱글 모드 광섬유가 시스템 성능을 크게 향상시키는 것으로 밝혀졌지만 싱글 모드 광섬유로 작업할 수 있는 실용적인 커넥터는 개발하기가 어려운 것으로 판명되었습니다.캐나다의 서비스 프로바이더 SaskTel은 3,268km(2,031mi)에 걸쳐 [22]52개 커뮤니티를 연결하는 당시 세계에서 가장 긴 상업용 광섬유 네트워크 구축을 완료했습니다.1987년까지, 이러한 시스템은 최대 50 km(31 mi)의 리피터 간격으로 최대 1.7 Gbit/s의 비트 전송률로 운영되었습니다.

광섬유를 사용한 최초의 대서양 횡단 전화 케이블은 Desurvire 최적화 레이저 증폭 기술을 기반으로 한 TAT-8이었습니다.1988년에 가동되었습니다.

3세대 광섬유 시스템은 1.55μm에서 작동하며 약 0.2dB/km의 손실을 보였다.이러한 개발은 Pearsall에 의한 비화인듐 갈륨의 발견과 비화인듐 갈륨 포토다이오드의 개발에 의해 촉진되었습니다.엔지니어들은 기존 InGaAsP 반도체 레이저를 1.55μm에서 분산을 최소화하도록 설계된 분산 시프트 파이버를 사용하거나 레이저 스펙트럼을 단일 세로 모드로 제한해 펄스 확산으로 초기 어려움을 극복했다.이러한 개발로 인해 3세대 시스템은 100km(62mi) 이상의 간격으로 2.5Gbit/s로 상업적으로 작동할 수 있게 되었습니다.

4세대 광섬유 통신 시스템은 광증폭을 사용하여 리피터의 필요성을 줄이고 파장분할다중(WDM)을 사용하여 데이터 용량을 늘렸습니다.WDM이 광섬유 대역폭 [23]확장에 있어서 선택되고 있는 테크놀로지가 되었기 때문에, WDM의 도입은 광네트워크의 시작이었습니다.고밀도 [24]WDM 시스템을 최초로 시장에 내놓은 것은 1996년 6월 씨에나(Ciena Corp.)였다.광증폭기와 WDM의 도입으로 1992년부터 6개월마다 시스템 용량이 두 배씩 증가하여 2001년까지 비트 전송률이 10 Tb/s에 도달했습니다.2006년에는 [25]광증폭기를 사용하여 단일 160km(99mi) 회선에 걸쳐 14 Tb/s의 비트 전송률이 달성되었습니다.2021년 현재 일본 과학자들은 표준 케이블 [26]직경의 4코어 파이버 케이블을 사용해 3000km 상공에서 초당 319테라비트를 전송했다.

제5세대 광섬유통신 개발의 초점은 WDM 시스템이 동작할 수 있는 파장 범위를 확장하는 것입니다.기존의 파장창(C 대역)은 1525~1565nm의 파장범위를 커버하고 있으며, 건식섬유에는 1300~1650nm의 [citation needed]확장을 약속하는 저손실창이 있습니다.다른 개발로는 특정 형태의 펄스를 사용하여 분산의 효과를 섬유의 비선형 효과와 상쇄함으로써 형태를 유지하는 펄스인 광학 솔리톤의 개념이 있습니다.

1990년대 후반부터 2000년까지 KMI, RHK 등 업계 프로모터 및 리서치 업체들은 인터넷 사용 증가와 주문형 비디오 등 다양한 대역폭 집약형 소비자 서비스의 상용화로 통신 대역폭 수요가 크게 증가할 것으로 예상했다.인터넷 프로토콜 데이터 트래픽은 무어의 법칙에 따라 집적회로의 복잡성이 증가했던 것보다 더 빠른 속도로 기하급수적으로 증가하고 있었습니다.그러나, 닷컴 버블의 붕괴로부터 2006년까지, 업계의 주된 경향은, 코스트 삭감을 위한 기업의 통합과 제조의 오프쇼어였습니다.Verizon이나 AT&T와 같은 기업은 광섬유 통신을 이용하여 다양한 고 스루풋 데이터와 광대역 서비스를 소비자 가정에 제공하고 있습니다.

테크놀로지

현대의 광섬유 통신 시스템에는 일반적으로 전기 신호를 광신호로 변환하는 광송신기, 신호를 반송하는 광섬유 케이블, 광증폭기 및 신호를 전기 신호로 다시 변환하는 광수신기가 포함됩니다.전송되는 정보는 일반적으로 컴퓨터나 전화 시스템에서 생성되는 디지털 정보입니다.

송신기

GBIC 모듈(커버를 제거한 상태)은 광학 및 전기 트랜시버로, 송신기와 수신기를 단일 하우징에 결합한 장치입니다.전기 커넥터는 우측 상단에 있고 광학 커넥터는 좌측 하단에 있습니다.

가장 일반적으로 사용되는 광송신기는 발광다이오드(LED)나 레이저 다이오드 같은 반도체 장치입니다.LED와 레이저 다이오드의 차이점은 LED는 일관성이 없는 빛을 내는 반면 레이저 다이오드는 일관성이 있는 빛을 내는 것입니다.광통신에 사용하기 위해 반도체 광송신기는 최적의 파장 범위에서 동작하고 고주파에서 직접 변조하면서 콤팩트하고 효율적이며 신뢰할 수 있도록 설계되어야 합니다.

가장 간단한 형태에서 LED는 자발적인 방출을 통해 빛을 방출하는데, 이는 일렉트로루미네센스라고 불리는 현상이다.방출된 빛은 30-60 [a]nm의 비교적 넓은 스펙트럼 폭에서 일관성이 없다.LED의 스펙트럼 폭이 크면 광섬유의 분산이 커지기 때문에 비트레이트 거리 제품(유용성의 일반적인 척도)이 크게 제한됩니다.LED는 주로 비트환율이 10 ~100 Mbit/s이고 전송 거리가 수 킬로미터인 로컬에리어 네트워크 애플리케이션에 적합합니다.

LED 광전송은 비효율적이며 입력 전력의 약 1%(약 100 마이크로와트)만이 최종적으로 광섬유에 [27]결합되어 기동 전력으로 변환됩니다.

LED는 여러 양자 웰을 사용하여 넓은 스펙트럼에 걸쳐 서로 다른 파장으로 빛을 방출하는 것으로 개발되었으며, 현재 로컬 영역 파장 분할 다중(WDM) 애플리케이션에 사용되고 있습니다.

LED는 대부분 VCSEL(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser) 장치로 대체되었으며, VCSEL(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser) 장치는 향상된 속도, 전력 및 스펙트럼 특성을 비슷한 비용으로 제공한다.그러나 LED는 비교적 단순한 설계이기 때문에 매우 저비용 애플리케이션에 매우 유용합니다.광섬유에 사용되는 반도체 레이저 송신기의 일반적인 등급에는 VCSEL, Fabry-Péro 및 분산 피드백 레이저가 있습니다.

반도체 레이저는 자발적 방출이 아닌 자극적 방출을 통해 빛을 방출하므로 높은 출력 전력(~100mW)과 간섭성 빛의 성질과 관련된 기타 이점을 얻을 수 있습니다.레이저의 출력은 비교적 방향성이 높기 때문에 싱글 모드 파이버로 높은 결합 효율(~50%)을 얻을 수 있습니다.일반적인 VCSEL 디바이스는 멀티 모드파이버와도 잘 결합됩니다.스펙트럼 폭이 좁기 때문에 색분산 효과가 감소하기 때문에 높은 비트환율도 가능합니다.또한 재조합 시간이 짧기 때문에 반도체 레이저를 고주파에서 직접 변조할 수 있다.

레이저 다이오드는 직접 변조되는 경우가 많습니다.즉, 장치에 직접 인가되는 전류에 의해 광출력이 제어됩니다.매우 높은 데이터 레이트 또는 초장거리 링크의 경우 레이저 소스는 연속파로 동작할 수 있으며 광변조기, 예를 들어 전자흡수변조기 또는 마하-젠더 간섭계에 의해 빛이 변조된다.외부변조는 직접 변조된 레이저의 라인폭을 넓히고 파이버 내의 색분산을 증가시키는 레이저 차프를 제거함으로써 달성 가능한 링크 거리를 증가시킵니다.매우 높은 대역폭 효율을 위해 QPSK, QAM 및 OFDM을 사용할 수 있도록 간섭성 변조를 사용하여 빛의 위상을 변경할 수 있습니다.이중 편파 직교 위상 시프트 키잉은 기존 같은 스펙의 광전송보다 4배 많은 정보를 효과적으로 전송하는 변조 형식입니다.d.[28]

리시버

광수신기의 주요 부품은 광전 효과를 이용하여 빛을 전기로 변환하는 광검출기입니다.통신용 1차 광검출기는 비화인듐 갈륨으로 만들어진다.광검출기는 일반적으로 반도체 기반의 광다이오드입니다.포토다이오드에는 p-n 포토다이오드, p-i-n 포토다이오드 및 아발란치 포토다이오드가 포함된다.금속-반도체-금속(MSM) 광검출기도 재생기 및 파장분할다중기의 회로집적 적합성을 위해 사용된다.

광섬유를 통과하는 동안 빛이 감쇠 및 왜곡될 수 있으므로 광검출기는 일반적으로 투과임피던스 증폭기 및 제한 증폭기와 결합되어 들어오는 광신호로부터 회복되는 전기영역에서 디지털 신호를 생성한다.데이터가 전달되기 전에 위상록 루프에 의해 실행되는 데이터로부터의 클럭 회복 등의 추가 신호 처리를 할 수도 있다.

코히런트 리시버는 로컬 발진기 레이저를 1쌍의 하이브리드 커플러 및 편파당4개의 광검출기와 조합하여 사용하고 이어서 고속 ADC 및 디지털 신호 처리를 사용하여 QPSK, QAM 또는 OFDM으로 [citation needed]변조된 데이터를 복구합니다.

디지털 사전 왜곡

광통신 시스템 송신기는 디지털/아날로그 변환기(DAC), 드라이버 앰프 및 마하-젠더 변조기로 구성된다.보다 높은 변조 형식(4-QAM) 또는 보다 높은 보레이트(32GBd 이상)를 도입하면 리니어 및 비선형 트랜스미터의 영향으로 시스템퍼포먼스가 저하됩니다이러한 효과는 DAC 대역폭 제한 및 송신기 I/Q 스큐에 의한 선형 왜곡 및 드라이버 앰프 및 마하-젠더 변조기의 게인 포화에 의한 비선형 효과로 분류할 수 있습니다.디지털 사전 왜곡은 성능 저하를 방지하고, 시판되는 컴포넌트를 사용하여 최대 56GBd의 보레이트와 64-QAM 및 128-QAM 등의 변조 포맷을 가능하게 합니다.송신기 디지털 신호 프로세서는 샘플을 DAC로 전송하기 전에 역송신기 모델을 사용하여 입력 신호에 대해 디지털 사전 왜곡을 수행합니다.

이전의 디지털 사전 왜곡 방식에서는 선형 효과만 다루었습니다.최근의 출판물에서는 비선형 왜곡도 고려되고 있다.베렌게르 등은 마하-젠더 변조기를 독립적인 비엔나 시스템으로 모델링하고 DAC와 드라이버 앰프는 잘린 시간 불변 Volterra [29]시리즈로 모델링한다.Khanna 등은 메모리 다항식을 사용하여 송신기 컴포넌트를 [30]공동으로 모델링합니다.두 가지 접근법 모두에서 Volterra 시리즈 또는 메모리 다항식 계수는 간접 학습 아키텍처를 사용하여 구한다.Duthel 등은 마하-젠더 변조기의 각 분기에 대해 서로 다른 극성과 위상의 여러 신호를 기록합니다.신호는 광학장 계산에 사용됩니다.교차 상관 동상 및 직교 필드는 타이밍 스큐를 식별합니다.주파수 응답과 비선형 효과는 간접 학습 [31]아키텍처에 의해 결정됩니다.

파이버 케이블 타입

광섬유를 운반할 수 있는 도관이 있는 케이블 릴 트레일러
지하 서비스 피트 내 멀티 모드 광섬유

광섬유 케이블은 코어, 클래딩 및 버퍼(보호 외피)로 구성되어 있으며 클래딩은 총내부반사법을 사용하여 코어를 따라 빛을 유도한다.코어 및 클래드(굴절률이 낮은)는 일반적으로 고품질의 실리카 유리로 제작되지만 플라스틱으로 제작될 수도 있습니다.2개의 광섬유의 접속은 용융 스플라이싱 또는 기계적 스플라이싱으로 이루어지며, 파이버 [32]코어를 정렬하는 데 필요한 미세한 정밀도 때문에 특별한 기술과 상호접속 기술이 필요합니다.

광통신에 사용되는 광섬유에는 멀티모드 광섬유와 싱글모드 광섬유가 있습니다.멀티 모드 광섬유에는, 보다 큰 코어(50 마이크로미터 이하)가 있기 때문에, 보다 정밀도가 낮고, 보다 저렴한 송신기와 수신기를 접속할 수 있습니다.단, 멀티모드 파이버에서는 멀티모드 왜곡이 발생하여 링크 대역폭과 길이가 제한되는 경우가 많습니다.또한 도판트 함량이 높기 때문에 멀티모드 섬유는 일반적으로 비용이 많이 들고 감쇠가 높아집니다.싱글 모드 파이버의 코어는 10 마이크로미터 미만이며, 보다 고가의 컴포넌트와 상호 접속 방법이 필요하지만, 보다 길고 고성능의 링크가 가능합니다.싱글 모드 파이버와 멀티 모드 파이버는 모두 다른 등급으로 제공됩니다.

섬유[33] 등급 비교
MMF FDDI
62.5/125 µm
(1987) 		MMF OM1
62.5/125 µm
(1989) 		MMF OM2
50/125 µm
(1998) 		MMF OM3
50/125 µm
(2003) 		MMF OM4
50/125 µm
(2008) 		MMF OM5
50/125 µm
(2016) 		SMF OS1
9/125 µm
(1998) 		SMF OS2
9/125 µm
(2000)
160MHz/km
@ 850 nm 		200MHz/km
@ 850 nm 		500MHz/km
@ 850 nm 		1500MHz/km
@ 850 nm 		3500MHz/km
@ 850 nm 		3500MHz/km
@ 850 nm &
1850 MHz/km
@ 950 nm 		1 dB/km
@ 1300/
1550 nm 		0.4 dB/km
@ 1300/
1550 nm

일반적으로 광섬유를 상용 가능한 제품으로 포장하기 위해 자외선(UV), 경화 아크릴레이트 폴리머를 사용하여 보호 코팅하고 광섬유 커넥터로 종단하여 최종적으로 케이블로 조립합니다.그 후 건물 벽면을 관통해 구리 케이블과 같은 방법으로 공중 전개할 수 있다.이들 파이버는 도입 [34]후 일반적인 트위스트 페어 와이어보다 유지보수가 덜 필요합니다.

특수 케이블은 장거리 해저 데이터 전송(예: 대서양 횡단 통신 케이블)에 사용됩니다.상업 기업(Emerald Atlantis, Hibernia Atlantic)에 의해 운영되는 새로운 케이블(2011–2013)은 일반적으로 4개의 섬유 가닥을 가지고 있으며 대서양(NYC-London)을 60–70ms로 횡단합니다.이러한 케이블의 각 비용은 2011년에 약 3억달러였습니다.출처: 크로니클 헤럴드.

또 하나의 일반적인 방법은 장거리 송전 케이블 내에 많은 광섬유스트랜드를 묶는 것입니다.이것에 의해, 전력회사가 자신의 디바이스와 회선의 감시에 필요한 파이버를 소유 및 제어할 수 있게 되어, 조작에 효과적으로 영향을 받지 않게 되어, 스마트 그리드 테크놀로지의 도입이 심플하게 됩니다.

증폭

주요 기사:광증폭기

광섬유 통신 시스템의 전송 거리는 전통적으로 광섬유 감쇠 및 광섬유 왜곡에 의해 제한되어 왔습니다.광전자 리피터를 사용하여 이러한 문제를 없앴다.이러한 리피터는 신호를 전기 신호로 변환한 다음 송신기를 사용하여 수신한 것보다 더 높은 강도로 신호를 다시 전송함으로써 이전 세그먼트에서 발생한 손실을 상쇄합니다.최신 파장분할다중신호는 20km(12mi)에 한 번씩 설치해야 하는 등 복잡성이 높기 때문에 리피터의 비용은 매우 높습니다.

대체 접근법은 광신호를 전기영역으로 변환하지 않고 직접 증폭하는 광증폭기를 사용하는 것입니다.광증폭기의 일반적인 유형은 Erbium-doped fiber amplifier, 즉 EDFA라고 불립니다.이것들은 희토류 광물 엘비움으로 섬유 길이를 도핑하고 통신 신호(일반적으로 980 nm)보다 짧은 파장의 레이저에서 나오는 빛으로 그것을 펌핑함으로써 만들어집니다.EDFA는 1550 nm에서 ITU C 대역의 게인을 제공합니다.이것은 광섬유의 손실 최소치에 가깝습니다.

광증폭기는 전기 리피터보다 몇 가지 중요한 이점이 있습니다.첫째, 광증폭기는 수백 개의 개별 채널을 포함할 수 있는 매우 넓은 대역을 동시에 증폭할 수 있으므로 각 증폭기에서 DWDM 신호를 다중화할 필요가 없습니다.둘째, 광증폭기는 데이터 레이트 및 변조 포맷과는 독립적으로 동작하므로 여러 데이터 레이트와 변조 포맷이 공존할 수 있으며 모든 리피터를 교체할 필요 없이 시스템의 데이터 레이트를 업그레이드할 수 있다.셋째, 광증폭기는 동일한 기능을 가진 리피터보다 훨씬 단순하기 때문에 훨씬 더 안정적입니다.전자 리피터는 여전히 파장 변환을 위한 트랜스폰더로 널리 사용되고 있지만, 광증폭기는 새로운 설비에서 리피터를 대체했습니다.

파장분할다중화

주요 기사:파장분할다중화

파장분할다중화(WDM)란 서로 다른 파장의 여러 광빔을 파이버에 전송하여 하나의 광섬유를 통해 여러 채널의 정보를 전송하는 기술입니다.각 광섬유는 각각 다른 정보채널로 변조됩니다.이것에 의해, 광섬유의 사용 가능한 용량을 증배할 수 있습니다.이를 위해서는 송신 장비의 파장 분할 멀티플렉서와 수신 장비의 디멀티플렉서(본질적으로 분광계)가 필요합니다.어레이 도파관 격자는 일반적으로 WDM의 다중화 및 다중화에 사용됩니다.WDM의 도입은 광네트워크의 [35]시작이었습니다.현재 상용화된 WDM 기술을 사용하면 파이버의 대역폭을 160개의[36] 채널로 분할하여 1.6 Tbit/s 범위의 합계 비트환율을 지원할 수 있습니다.

파라미터

대역폭-거리 제품

분산의 효과는 파이버의 길이에 따라 증가하기 때문에 파이버 전송 시스템은 일반적으로 MHz·km 단위로 표시되는 대역폭-거리 곱에 의해 특징지어집니다.신호의 대역폭과 전송 가능한 거리 사이에는 트레이드오프가 존재하기 때문에 이 값은 대역폭과 거리의 산물입니다.예를 들어 대역폭 거리 곱이 500MHz/km인 일반적인 멀티 모드 파이버는 1km 동안 500MHz 신호를 전송하거나 0.5km 동안 1000MHz 신호를 전송할 수 있습니다.

기록 속도

각 파이버는 각각 다른 파장의 빛을 사용하여 많은 독립된 채널을 전송할 수 있습니다(파장 분할 다중).파이버당 순 데이터 레이트(오버헤드바이트 없음 데이터 레이트)는 Forward Error Correction(FEC; 전송 오류 정정) 오버헤드에 의해 감소된 채널별 데이터 레이트에 채널 수(2008년 현재 상용 고밀도 WDM 시스템에서는 보통 최대 80)를 곱한 값입니다.

표준섬유케이블

다음은 표준 통신용 싱글 모드, 싱글 솔리드 코어 파이버 케이블을 사용한 최신 연구를 요약한 것입니다.

연도 조직 유효 속도 WDM 채널 채널별 속도 거리
2009 알카텔루센트[37] 15.5 Tbit/s 155 100 기가비트/초 7000km
2010 NTT[38] 69.1 Tbit/s 432 171 기가비트/초 240km
2011 NEC[39] 101.7 Tbit/s 370 273 기가비트/초 165km
2011 키트[40][41] 26 Tbit/s 336 77 기가비트/초 50km
2016 BT[42] 및 Huawei 5.6 Tbit/s
 28 200 기가비트/초 약 140km?
2016 Nokia Bell Labs, 도이치 텔레콤 및 뮌헨 공과대학[43] 1 Tbit/s
 1 1 Tbit/s
2016 노키아 알카텔 루센트[44] 65 Tbit/s
 6600km
2017 BT[45] 및 Huawei 11.2 Tbit/s
 28 400 기가비트/초 250km
2020 RMIT, Monash & Swinburne 대학교[46][47] 39.0 Tbit/s 160 244 기가비트/초 76.6km
2020 UCL[48] 178.08 Tbit/s 660 25 기가비트/초 40km

2016년 노키아/DT/TUM 결과는 섀넌 이론상 한계에 근접한 첫 결과라는 점에서 주목할 만하다.

2011 KIT 및 2020 RMIT/Monash/Swinburne 결과는 단일 소스를 사용하여 모든 채널을 구동한 것으로 나타났습니다.

전용 케이블

다음은 공간 다중화가 가능한 특수 케이블, 특수 트라이 모드 광섬유 케이블 또는 유사한 특수 광섬유 케이블을 사용한 최신 연구를 요약한 것입니다.

연도 조직 유효 속도 전파 모드의 수 코어 수 WDM 채널(코어당) 채널별 속도 거리
2011 NICTHANGE(NICT)[39] 109.2 Tbit/s 7
2012 NEC, 코닝[49] 1.05 Pbit/s 12 52.4km
2013 사우샘프턴 대학교[50] 73.7 Tbit/s 1 (표준) 3x96
(모드 DM)[51] 		256 기가비트/초 310m
2014 덴마크 공과대학교[52] 43 Tbit/s 7 1045km
2014 에인트호벤 공과대학(TU/e) 및 센트럴 플로리다대학(CREOL)[53] 255 Tbit/s 7 50 최대 728 기가비트/초 1km
2015 NICT, 스미토모 전기 및 RAM 포토닉스[54] 2.15 Pbit/s 22 402(C+L 대역) 243 기가비트/초 31km
2017 NTT[55] 1 Pbit/s 싱글 모드 32 46 680 기가비트/초 205.6km
2017 KDDI 리서치·스미토모[56] 전기 10.16 Pbit/s 6 모드 19 739(C+L 대역) 120 기가비트/초 11.3km
2018 NICTHANGE(NICT)[57] 159 Tbit/s 트라이 모드 1 348 414 기가비트/초 1045km
2021 NICTHANGE[58](NICT) 319 Tbit/s 싱글 모드 4 552 (S, C 및 L 대역) 144.5 기가비트/초 3001km(69.8km)

2018년 NICT 결과는 공간 다중화를 사용하지 않는 단일 코어 케이블을 사용한 스루풋 기록을 갈아치운 것으로 주목할 만하다.

새로운 기술

DTU, 후지쿠라, NTT의 연구에 의하면, 광섬유의 소비 전력을 보다 주류 기술에 비해 약 5%로 억제할 수 있어 전력 효율이 뛰어난 광섬유를 신세대로 만들 수 있었다.

연도 조직 유효 속도 전파 모드의 수 코어 수 WDM 채널(코어당) 채널별 속도 거리
2018 Hao Hu 등 (DTU, 후지쿠라 & NTT)[59] 768 Tbit/s
(661 Tbit/s)		 싱글 모드 30 80 320 기가비트/초

호주 멜버른의 RMIT대학이 실시한 연구는 트위스트 라이트 [60]기술을 사용하여 현재 도달 가능한 광섬유 속도를 100배 증가시킨 나노 광전 소자를 개발했다.이 기술은 나선형으로 꼬인 광파에 대한 데이터를 전달하며, 광케이블 용량을 더욱 증가시키기 위해 궤도 각운동량(OAM)이라고 합니다.나노포토닉 소자는 초박형 위상 나노시트를 사용하여 1mm의 꼬임광의 일부를 측정하고, 나노 전자 소자는 USB 커넥터 크기보다 작은 커넥터에 내장되어 광섬유 케이블 끝에 쉽게 들어갑니다.이 장치는 또한 뒤틀린 빛을 통해 전송되는 양자 정보를 수신하는 데 사용될 수 있으며, 새로운 범위의 양자 통신 및 양자 컴퓨팅 [61]연구에 사용될 가능성이 있습니다.

분산

최신 유리 광섬유의 경우, 재료의 직접 흡수가 아니라 여러 종류의 분산 또는 광펄스가 광섬유를 따라 퍼지는 것에 의해 최대 전송 거리가 제한됩니다.광섬유의 분산은 다양한 요인에 의해 발생합니다.서로 다른 가로 모드의 축속도가 다르기 때문에 발생하는 모듈 간 분산은 멀티 모드 파이버의 성능을 제한합니다.싱글 모드 파이버는 1개의 가로 모드만 지원하므로 인터모달 분산이 배제됩니다.

싱글 모드에서는 광섬유 성능은 주로 유리의 지수가 빛의 파장에 따라 약간 달라지기 때문에 발생하는 색분산(그룹 속도 분산이라고도 함)에 의해 제한되며, 실제 광학 송신기에서 나오는 빛은 반드시 0이 아닌 스펙트럼 폭을 가집니다(변조에 의해).또 다른 제한원인 편광모드 분산은 싱글모드 파이버가 1개의 가로 모드만을 유지할 수 있지만 2개의 서로 다른 편광으로 이 모드를 전송할 수 있으며 파이버의 약간의 결함이나 왜곡에 의해 2개의 편광의 전파 속도가 변경될 수 있기 때문에 발생합니다.이 현상은 섬유 복굴절이라고 불리며 편광 유지 광섬유로 대항할 수 있습니다.분산에 의해 광펄스가 확산되면 파이버상에서 펄스가 서로 추종하면서 리시버로 식별할 수 있는 레이트가 제한되기 때문에 파이버의 대역폭이 제한됩니다.

일부 분산, 특히 색 분산은 '분산 보상기'에 의해 제거될 수 있습니다.이는 전송 파이버에 의해 유도되는 것과 반대되는 분산을 가진 특별히 준비된 길이의 파이버를 사용하여 작동하며 전자제품에 의해 올바르게 디코딩될 수 있도록 펄스를 날카롭게 합니다.

감쇠

증폭 시스템을 사용해야 하는 섬유 감쇠는 재료 흡수, 레일리 산란, 미에 산란 및 연결 손실의 조합에 의해 발생합니다.순수 실리카의 재료 흡수는 약 0.03dB/km(현대 섬유는 약 0.3dB/km 감쇠)에 불과하지만, 원래 광섬유의 불순물이 약 1000dB/km의 감쇠를 유발했다.다른 형태의 감쇠는 섬유에 대한 물리적 스트레스, 밀도의 미세한 변동 및 불완전한 스플라이싱 기술에 [62]의해 발생합니다.

전송창

"광대역"은 여기서 리다이렉트 됩니다.광스펙트럼과 혼동하지 말 것.

감쇠와 분산의 원인이 되는 각 효과는 광파장에 따라 달라집니다.이러한 영향이 가장 약한 파장 대역(또는 창)이 있으며, 이러한 대역이 전송에 가장 적합합니다.이러한 창은 표준화되었으며 현재 정의되어 있는 [63]대역은 다음과 같습니다.

밴드 묘사 파장 범위
O밴드 원래의 1260 ~ 1360 nm
E밴드 확장된 1360 ~ 1460 nm
S밴드 단파장 1460 ~ 1530 nm
C밴드 일반("erbium 창") 1530 ~ 1565 nm
L밴드 장파장 1565 ~ 1625 nm
U밴드 초롱 파장 1625 ~ 1675 nm

이 표는 현재 테크놀로지가 원래 분리된 두 번째 및 세 번째 창을 브리지하는 데 성공했음을 보여줍니다.

지금까지 O밴드 아래에는 800~900nm의 첫 번째 창이라고 불리는 창이 사용되었지만, 이 지역에서는 손실이 크기 때문에 이 창은 주로 단거리 통신에 사용됩니다.1300 nm 부근의 현재의 하부 창(O 및 E)은 손실이 훨씬 적습니다.이 지역은 산포가 제로입니다.1500 nm 정도의 중간 창(S 및 C)이 가장 널리 사용됩니다.이 영역은 감쇠 손실이 가장 적고 범위가 가장 깁니다.분산이 있기 때문에 분산 보상 장치를 사용하여 이를 제거합니다.

재생

통신링크가 기존 광섬유테크놀로지가 할 수 있는 것보다 더 먼 거리를 걸어야 하는 경우 신호는 광통신 리피터에 의해 링크의 중간 지점에서 재생성되어야 합니다.리피터는 통신 시스템에 상당한 비용을 추가하므로 시스템 설계자는 사용을 최소화하려고 합니다.

최근 광섬유 및 광통신 기술의 발달로 신호 열화가 감소해 광신호의 재생은 수백 킬로미터 거리에서만 필요합니다.이것에 의해, 특히 리피터의 코스트와 신뢰성이 케이블 시스템 전체의 퍼포먼스를 결정하는 중요한 요소 중 하나인 해저의 스팬에 걸쳐, 광네트워크의 코스트가 큰폭으로 삭감되었습니다.이러한 성능 향상에 기여하는 주요 진보는 분산 관리와 비선형성 간의 분산 효과의 균형을 모색하는 분산 관리 및 섬유 내 비선형 효과를 사용하여 장거리 분산 없이 전파할 수 있는 솔리톤입니다.

라스트 마일

주요 기사: 라스트 마일

광섬유 시스템은 고대역폭 어플리케이션에서는 우수하지만 광섬유는 광섬유를 구내로 보내거나 라스트 마일 문제를 해결하는 데 오랜 시간이 걸리고 있습니다.그러나, FTTH의 도입은 지난 10년간 큰폭으로 증가해, 가까운 장래에 수백만명의 가입자에게 서비스를 제공할 전망입니다.예를 들어 일본에서는 EPON이 DSL을 대체하여 광대역 인터넷 소스가 되었습니다.국내 KT도 가입자의 집에 광섬유 연결을 제공하는 FTTH(Fiber To The Home) 서비스를 제공한다.가장 큰 FTTH 배치는 일본, 한국 및 중국입니다.싱가포르는 전섬유 차세대 전국 광대역 네트워크(Next Generation NBN)를 도입하기 시작했으며, 2012년 완공을 목표로 OpenNet에 의해 설치되고 있다.2010년 9월에 서비스를 개시한 이래, 싱가포르의 네트워크 커버리지가 전국적으로 85%에 달하고 있습니다.

미국에서는 Verizon Communications가 FTTH 서비스인 FiOS를 제공하여 기존 영역 내에서 높은 ARPU(사용자당 평균 수익) 시장을 선정하고 있습니다.ILEC(또는 현존 Local Exchange Carrier)의 또 다른 주요 서비스인 AT&T는 가정에 트위스트 페어 방식의 U-verse(Fiber To The Node)라고 불리는 FTTN(Fiber To The Node) 서비스를 사용합니다.MSO 경쟁사는 HFC를 사용하는 동축 기능을 갖춘 FTTN을 채용하고 있습니다.모든 메이저액세스 네트워크는 서비스 프로바이더의 네트워크로부터 고객까지의 거리의 대부분을 파이버를 사용합니다.

글로벌하게 지배적인 액세스네트워크 테크놀로지는 Ethernet Passive Optical Network(EPON; 이더넷패시브 옵티컬네트워크)입니다.유럽 및 미국의 통신사들 사이에서 BPON(ATM 기반 광대역 PON) 및 GPON(기가비트 PON)은 FSAN(Full Service Access Network) 및 ITU-T 표준 조직에 뿌리를 두고 있습니다.

전기 변속기와의 비교

지하 케이블 접속 및 접속에 사용되는 이동식 광섬유 스플라이스 랩
지하 광섬유 스플라이스 인클로저가 열렸어요

특정 시스템의 광섬유 전송과 전기(또는 구리) 전송 중 어느 쪽을 선택할지는 몇 가지 트레이드오프를 바탕으로 결정됩니다.광섬유는 일반적으로 전기 케이블에 대응할 수 있는 것보다 더 큰 대역폭을 필요로 하는 시스템 또는 더 긴 거리를 필요로 하는 시스템에 사용됩니다.

광섬유의 주요 장점은 매우 낮은 손실(증폭기/반복기 간 장거리 허용), 접지 전류 및 기타 기생충 신호 및 전력 문제(전송을 위한 전기보다 빛에 의존하는 것 및 광섬유의 유전 특성)입니다.데이터 처리 능력이 본질적으로 높습니다.단일 고대역폭 파이버 케이블을 교체하려면 수천 개의 전기 링크가 필요합니다.파이버의 또 다른 장점은 파이버케이블이 장거리에 걸쳐 연결되어 있어도 일부 유형의 전기전송선과는 달리 효과적으로 크로스톡이 발생하지 않는다는 것입니다.광섬유는 전력선, 전력선, 철도 선로 등 Electronagnetic Interference(EMI; 전자파 간섭)가 높은 영역에 설치할 수 있습니다.비금속 전유전체 케이블은 낙뢰 발생률이 높은 영역에도 이상적입니다.

비교를 위해 몇 킬로미터보다 긴 단일 회선 음성 등급의 동선 시스템은 충분한 성능을 위해 인라인 신호 리피터를 필요로 하지만 광학 시스템이 100킬로미터(62 mi)를 넘어 액티브 또는 패시브 처리를 하지 않는 것은 드문 일이 아닙니다.싱글 모드 파이버케이블은 일반적으로 12km(7.5mi) 길이로 제공되기 때문에 긴 케이블에서 필요한 스플라이스 수를 최소화할 수 있습니다.멀티 모드 파이버는 최대 4km까지 사용할 수 있지만 산업 표준에서는 2km의 중단 없는 주행만 요구합니다.

단거리 및 비교적 저대역폭 어플리케이션에서는 전기 전송이 권장되는 경우가 많습니다.그 이유는 다음과 같습니다.

  • 재료비 절감(대량이 필요 없는 경우)
  • 송신기 및 수신기의 비용 절감
  • 전력 및 신호 전달 기능(적절하게 설계된 케이블)
  • 선형 모드에서 변환기를 쉽게 조작할 수 있습니다.

광섬유는 전기 도체보다 접합이 어렵고 비용이 많이 듭니다.또, 고출력에서는, 광섬유는 파이버 퓨즈의 영향을 받기 쉬워, 파이버 코어가 파괴되어 전송 [64]컴퍼넌트가 파손됩니다.

이러한 전기적 전송의 이점 때문에 짧은 박스 투 박스, 백플레인 또는 칩 투 칩 애플리케이션에서는 광통신이 일반적이지 않습니다.다만, 이러한 규모의 광학 시스템은 실험실에서 실증되고 있습니다.

경우에 따라서는 파이버가 단거리 또는 저대역폭 어플리케이션에서도 사용되는 경우가 있습니다.이는 다음과 같은 중요한 기능이 있기 때문입니다.

  • 핵 전자기 펄스를 포함한 전자기 간섭에 대한 내성.
  • 전기 저항이 높아 고전압 기기 근처 또는 접지 전위가 다른 영역 간에 안전하게 사용할 수 있습니다.
  • 경량—예를 들어 항공기에서 중요합니다.
  • 불꽃이 발생하지 않음—인화성 또는 폭발성 가스 [65]환경에서 중요합니다.
  • 전자기적으로 방사되지 않고 신호를 방해하지 않고 두드리기가 어렵습니다. 보안 수준이 높은 환경에서 중요합니다.
  • 훨씬 작은 케이블 크기—경로가 제한된 경우(기존 건물의 네트워크 등), 작은 채널을 드릴로 뚫어 기존 케이블 덕트와 트레이의 공간을 절약할 수 있습니다.
  • 비금속 전송 매체에 의한 내식성

광섬유 케이블은 동축 케이블과 동축 케이블의 설치에 사용하는 것과 같은 기기를 갖춘 건물에 설치할 수 있습니다.광케이블의 크기가 작고 당기는 장력과 굽힘 반경이 제한되어 있기 때문에 약간의 변경이 필요합니다.광케이블은 일반적으로 덕트의 상태, 덕트 시스템의 레이아웃 및 설치 방법에 따라 6000m 이상의 범위에 설치할 수 있습니다.길이가 긴 케이블을 중간 지점에서 감아 필요에 따라 덕트 시스템 안으로 더 멀리 끌어당길 수 있습니다.

준거 기준

다양한 제조사가 광섬유 통신 시스템에서 호환 가능한 부품을 개발할 수 있도록 하기 위해 많은 표준이 개발되었습니다.국제전기통신연합(International Telecommunication Union)은 다음과 같은 섬유 자체의 특성과 성능에 관련된 몇 가지 표준을 발표합니다.

  • ITU-T G.651, "50/125 μm 멀티모드 그레이드 인덱스 광섬유 케이블의 특징"
  • ITU-T G.652, "싱글 모드 광섬유 케이블의 특징"

다른 표준에서는 적합 시스템에서 함께 사용하는 파이버, 트랜스미터 및 리시버의 성능 기준을 규정하고 있습니다.이러한 표준에는 다음과 같은 것이 있습니다.

TOSLINK는 플라스틱 광섬유를 사용하여 디지털소스를 디지털리시버에 접속하는 디지털오디오 케이블의 가장 일반적인 형식입니다.

「 」를 참조해 주세요.

메모들

  1. ^ 통신 LED는 일반적으로 Indium Galium Arbinide(InGaAsP) 또는 GaAs(GaAs)로 제조됩니다.InGaAsP LED는 GaAs LED보다 긴 파장(1.3마이크로미터 대 0.87마이크로미터)에서 작동하기 때문에 출력 스펙트럼은 파장 면에서 약 1.7배 넓습니다.

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추가 정보

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  • 선배, 존.(2008).광섬유 통신: 원칙과 프랙티스, 제3판프렌티스 홀.ISBN 978-0130326812

외부 링크

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