광 데이터 전송은 어떻게 작동합니까?

 

 

사람의 머리카락보다 얇은 유리 한 가닥은 43테라헤르츠의 대역폭을 전달합니다. 동네 전체의 인터넷 트래픽-모든 Netflix 스트림, Zoom 통화 및 TikTok 업로드-는 실수로 정리할 수 있는 경로를 통해 흐릅니다. 이것은 이론적인 능력이 아닙니다. 2024년에 시연된 광섬유 시스템은 하나의 케이블을 통해 초당 수십 테라비트를 전송하여 광 데이터 전송을 현대 네트워크의 백본으로 만들었습니다.

물리학은 처음에는 거꾸로 보입니다. 유리는 구리보다 빛을 더 잘 전도하여 데이터를 전달합니다. 훨씬 나아졌습니다. 1km의 광섬유 이후에는 거울에 빛을 한 번 반사시키는 것보다 신호 손실이 적습니다.

대부분의 설명은 "빛은 유리를 통해 이동합니다."로 시작됩니다. 사실이지만 쓸모가 없습니다. 흥미로운 부분은 물리학이 필요할 때만 존재하는 완벽한 거울을 생성하는 유리 경계에서 일어나는 일입니다.- 코팅 없음. 은색 뒷면이 없습니다. 단지 두 종류의 유리가 닿기만 하면, 빛이 원할 때에도 갑자기 빛이 빠져나올 수 없습니다.

 

 

광학 데이터 전송이 내부 전반사를 사용하는 방법

 

내부 전반사는 일반 거울처럼 동작하지 않습니다. 일반 거울에 빛을 비추면 어느 각도에서나 반사가 일어납니다. 광섬유를 사용하면 빛이 42도 이상의 경계에 닿을 때만 반사가 발생합니다(일반적인 유리-대-공기의 경우). 그 각도보다 낮나요? 경계가 없는 것처럼 빛이 통과합니다.

이 선택적 반사는 광 트랩을 생성합니다. 광자가 직각으로 광섬유 코어에 들어가면 기하학적으로 고정됩니다. 각 바운스가 임계각 이상으로 유지됩니다. 빛은 초당 186,000마일의 속도로 케이블을 따라 지그재그로 이동합니다(진공에서 속도의 약 2/3이며 유리 굴절률 약 1.5로 인해 느려짐).

핵심-클래딩 인터페이스가 이 작업을 수행합니다. 코어의 굴절률은 약 1.48이고 클래딩의 굴절률은 1.46입니다. 이 0.02 차이-단순한 1.3% 변화-면 충분합니다. 밀도가 높은 코어에서 밀도가 낮은 클래딩으로 탈출하려는 빛은 해당 경계에 부딪혀 완벽하게 반사되어 클래딩에 대한 에너지를 본질적으로 0으로 잃습니다.

단일{0}}모드 광섬유는 이를 더욱 발전시킵니다. 코어 직경이 8-10 마이크론(적혈구는 약 7 마이크론)에 불과하여 하나의 빛 경로만 허용합니다. 이는 모드 분산-섬유를 통과하는 서로 다른 빛 경로가 서로 다른 시간에 도착하여 신호가 번지는 문제를 제거합니다. 단일 모드 광섬유는 증폭 없이 40km 이상 데이터를 전달할 수 있습니다.

 

전자를 광자로 변환

 

전송 끝에는 레이저 다이오드 또는 LED가 있습니다. 데이터는 전기 펄스로 도착합니다. 높은 전압은 이진수 1이고 낮은 전압은 이진수 0입니다. 레이저는 이를 850nm, 1310nm 또는 1550nm 파장-의 모두 ​​적외선이며 사람의 눈에는 보이지 않는 광 펄스로 변환합니다.

왜 적외선인가? 두 가지 이유. 첫째, 유리는 이러한 파장에서 가장 투명하며 감쇠는 1550nm에서 킬로미터당 0.2dB 미만입니다. 둘째, 실리콘 광검출기는 이 범위에서 가장 민감합니다. 1550nm "창"은 유리 흡수, 산란 및 분산이 모두 최소화되는 최적의 지점에 도달하기 때문에 특히 가치가 있습니다.

레이저 다이오드는 엄청난 속도로 변조될 수 있습니다. 최신 시스템은 레이저 자체가 초당 수십억 번 켜지고 꺼지는 최대 25Gbps의 직접 변조를 사용합니다. 25Gbps를 초과하면 시스템이 외부 변조로 전환됩니다.-별도의 변조기가 있는 동안 레이저는 지속적으로 실행됩니다.

(일반적으로 전기{0}}광학 효과를 기반으로 함)는 빛의 진폭, 위상 또는 둘 다를 변경합니다.

코히어런트 전송 시스템은 16-QAM(직교 진폭 변조) 또는 64-QAM과 같은 기술을 사용하여 진폭과 위상을 모두 변조합니다. 이를 통해 기호당 1비트가 아닌 4비트 또는 6비트를 인코딩할 수 있습니다. 편광-분할 다중화(직교 광 편광에서 두 개의 독립적인 데이터 스트림 전송)를 추가하면 용량이 다시 두 배로 늘어납니다. 결과: 스펙트럼 효율성은 대역폭 헤르츠당 초당 10비트에 근접합니다.

인코딩은 나노초 단위로 이루어집니다. 100Gbps로 들어오는 전기 신호는 변조기가 10피코초(10^-11초)마다 상태를 변경해야 함을 의미합니다. 이러한 속도에서는 전자 부품이 물리적 한계에 도달합니다. 이것이 바로 400G 및 800G 시스템에서 신호를 디코딩하기 위해 실시간 계산을 수행하는 디지털 신호 처리(DSP) 칩과 함께 일관된 감지를 점점 더 많이 사용하는 이유입니다.

 

섬유 내부에서 일어나는 일

 

빛은 광섬유를 통해 직선으로 이동하지 않습니다. 다중-모드 광섬유에서는 미터당 수천 번 튕기거나 단일-모드 광섬유에서는 거의-직선 경로를 따릅니다. 어느 쪽이든 세 가지 현상이 신호를 파괴하려고 합니다.

감쇠흡수와 산란으로 인해 발생합니다. 어떤 물질도 완벽하게 투명하지 않기 때문에 순수 실리카 유리는 빛을 흡수합니다. 제조 과정에서 미량의 불순물이 유입됩니다(수산기 이온은 특히 문제가 됩니다). 유리 산란광의 미세한 밀도 변화(레일리 산란). 최신 광섬유는 1550nm에서 0.15dB/km만큼 낮은 감쇠를 달성합니다. 즉, 60km 후에도 여전히 원래 광 출력의 25%를 유지합니다.

색분산굴절률은 파장에 따라 조금씩 다르기 때문에 발생합니다. 레이저는 결코 완벽한 단색광을 방출하지 않습니다.-항상 어느 정도의 스펙트럼 폭이 있습니다. 서로 다른 파장 성분은 유리를 통해 약간 다른 속도로 이동합니다. 장거리에서는 각 광 펄스가 확산되어 인접한 펄스가 중첩됩니다. 1310nm에서 표준 광섬유의 색분산은 거의 0에 가깝습니다. 1550nm에서는 약 17ps/(nm·km)이지만 분산-보상 섬유가 이를 상쇄할 수 있습니다.

편광 모드 분산(PMD)단일-모드 광섬유에도 영향을 미칩니다. 완벽한 원통형 섬유는 편광을 유지하지만 미세한 결함과 응력으로 인해 섬유가 약간 복굴절됩니다. 서로 다른 편광 상태의 빛은 서로 다른 속도로 이동하여 서로 다른 시간에 도착합니다. PMD는 무작위적이며 온도와 기계적 응력에 따라 변하므로 색분산보다 보상하기가 더 어렵습니다.

고전력 시스템은{0}}또 다른 과제에 직면해 있습니다.비선형 효과. 약 1밀리와트 이상의 광 출력에서 ​​유리의 굴절률은 강도에 따라 달라지기 시작합니다. 이로 인해 서로 다른 파장 채널이 서로 간섭하는 4개{3}}파 혼합, 자체-위상 변조 및 교차-위상 변조-현상이 발생합니다. 엔지니어는-채널별 전력을 낮게 유지하고 파장 채널 간격을 적절하게 유지하여 이를 관리합니다.

 

빛을 다시 데이터로 전환

 

수신단의 광검출기는 광자를 다시 전자로 변환합니다. 대부분의 시스템은 PIN(포지티브-고유-네거티브) 포토다이오드 또는 APD(애벌런치 포토다이오드)를 사용합니다. 광자가 포토다이오드에 닿으면 전자가 여기되어 광 출력에 비례하는 전류가 생성됩니다.

PIN 포토다이오드는 더 간단하고 선형적이지만 더 강력한 신호가 필요합니다. APD는 눈사태 증폭을 통해 내부 이득(예: 광전 증배관)을 제공합니다.{1}}광자 하나가 수십 개의 전자를 생성할 수 있습니다. 이로 인해 APD는 PIN 포토다이오드보다 10-20배 더 민감해지며 신호 전력이 약한 장거리 시스템에 매우 중요합니다.

그러나 광검출에는 노이즈가 발생합니다. 증폭기 전자 장치의 열 잡음으로 인해 임의의 전류 변동이 추가됩니다. 샷 노이즈는 빛 자체의 양자 특성에서 발생합니다.{2}}광자는 완벽하게 규칙적인 스트림이 아닌 무작위로 도착하여 광전류에 통계적 변화를 일으킵니다. APD에서는 눈사태 프로세스로 인해 과도한 소음이 추가됩니다.

수신기는 각 기호가 0 또는 1을 나타내는지(또는 다중-레벨 변조의 경우 가능한 여러 값 중 어느 것을 나타내는지) 결정해야 합니다. 잡음과 신호 저하로 구분이 모호해지는 경우 이 결정 임계값이 중요해집니다. 고급 수신기는 FEC(순방향 오류 수정)를 사용하여-전송된 데이터에 중복성을 추가하여 수신기가 재전송 없이 비트 오류를 ​​감지하고 수정할 수 있도록 합니다.

최신 100G 및 400G 시스템은 국부 발진기 레이저와 함께 간섭성 수신기를 사용합니다. 들어오는 광 신호를 이 국부 발진기와 혼합함으로써 강도뿐만 아니라 위상과 편광도 감지할 수 있습니다. 이는 일관성 있는 송신기에 의해 인코딩된 모든 정보를 복구하고 광섬유 손상을 실시간으로 보상하는 정교한 DSP 기술을 구현합니다.-

전체 전송-수신 주기에는 지연 시간이 발생합니다. 단일{2}모드 광섬유의 경우 빛은 약 200,000km/s(유리의 굴절률 고려)로 이동합니다. 대서양 횡단 케이블(약 5,500km)을 통해 뉴욕에서 런던까지의 전파 지연은 대략 28밀리초입니다. 트랜시버 처리, 스위칭, 프로토콜 오버헤드를 추가하면 총 60{11}}70밀리초가 되는데 여전히 매우 빠릅니다.

 

파장-분할 다중화: 광 데이터 전송 확장

 

단일 파장 시스템은 현재 기술로 파이버당 최대 약 400Gbps를 제공합니다. 파장-분할 다중화(WDM)는 하나의 광섬유를 통해 여러 파장을 동시에 전송하여 이러한 한계를 극복합니다. 각 파장은 독립적인 데이터 스트림을 전달합니다.

DWDM(고밀도 WDM) 시스템은 일반적으로 C-대역(1530~1565nm)에서 50GHz 또는 100GHz 간격으로 파장을 촘촘하게 포장합니다. 최신 시스템은 초당 8~38테라비트의 총 파이버 용량을 위해 각각 100~400Gbps를 전달하는 80~96개 채널을 배포합니다. 이는 약 20초 안에 전체 Netflix 라이브러리를 다운로드하기에 충분합니다.

각 파장에는 정밀하게 조정되고 온도가 안정화된-자체 레이저가 필요합니다. 작은 파장 드리프트라도 채널이 겹치는 원인이 됩니다. 광 멀티플렉서는 이러한 파장을 단일 광섬유로 결합하고 디멀티플렉서는 수신단에서 이를 분리합니다. 이러한 장치는 간섭 필터, 회절 격자 또는 배열된 도파관 격자를 사용하여 단 0.4 나노미터만큼 분리된 파장을 구별합니다.

에르븀- 도핑된 광섬유 증폭기(EDFA)는 모든 WDM 채널을 동시에 증폭합니다. 980nm 또는 1480nm 레이저로 펌핑될 때 섬유 코어의 에르븀 이온은 이득 매질로 작용하여 1530-1565nm 범위의 신호를 증폭합니다. EDFA는 전자 장치로 변환하지 않고도 전광 증폭을 가능하게 하여 해저 케이블이 40~80km마다 증폭기를 사용하여 바다에 걸쳐질 수 있게 해줍니다.

실용적인 WDM 시스템은 엔지니어링 문제에 직면해 있습니다. 비선형 효과는 채널 수와 총 전력에 따라 확장됩니다. 채널 누화는 장거리에 걸쳐 누적됩니다. 그리고 온도 변화와 노후화에 따라 정밀하게 조정된 96개의 레이저를 관리하려면 정교한 제어 시스템이 필요합니다. 그러나 대역폭 증가로 인해 2024년에 설치된 해저 케이블은 광섬유 쌍당 24테라비트를 전송하는 것이 가치가 있습니다.{6}}

 

광 전송이 실패하는 경우

 

오염은 광 신호를 죽입니다.광섬유 커넥터의 지문은 1550nm에서 1-2dB 삽입 손실-을 일으킬 수 있습니다. 이는 피부 기름에서만 신호의 20~37%가 손실되는 것입니다. 먼지 입자는 빛을 산란시킵니다. 제대로 청소하려면 이소프로필 알코올과 보푸라기가 없는 물티슈, 현미경 검사(400배 확대하면 표면 결함 발견)가 필요합니다. 데이터 센터에서는 연결 문제의 80%가 더러운 커넥터로 인해 발생한다고 보고합니다.

물리적 손상생각보다 쉽게 ​​발생합니다. 광섬유의 중요한 굴곡 반경은 일반적으로 설치 시 30mm이고 장기간 작동 시 15mm입니다.- 더 세게 굽히면 미세 굽힘 손실이 발생합니다.-굽은 부분에서 빛이 "누출"됩니다. 매크로벤딩은 광섬유가 케이블 스풀을 너무 단단히 감싸면 발생합니다. 그리고 설치류는 섬유 케이블을 갉아먹는 것을 좋아합니다(스트렝스 멤버는 분명히 맛이 좋습니다). 외장 케이블은 도움이 되지만 비용이 추가됩니다.

커넥터 오류최고의 필드 이슈로 순위를 매겼습니다. 기계적 접합으로 인해 광섬유 코어가 잘못 정렬되었습니다. 열악한 융착 접합으로 인해 에어 갭이나 오염이 발생합니다. 좋은 커넥터라도 쌍당 0.2-0.5dB 삽입 손실이 있습니다. 10개의 커넥터가 있는 링크에서는 광섬유 감쇠를 고려하기 전에 2-5dB가 손실됩니다. 사전 종단처리된 케이블은 이를 최소화하지만 유연성을 감소시킵니다.

환경적 요인스트레스 광학 시스템. 온도 변화는 섬유 길이를 변화시켜(열팽창 계수는 약 0.5ppm/도) WDM 시스템에서 파장 드리프트를 유발합니다. 습도는 유리에 직접적인 영향을 미치지 않지만 커넥터와 접속 배선함을 부식시킵니다. 산업 환경의 진동으로 인해 커넥터가 느슨해질 수 있습니다. 번개나 전기적 결함으로 인한 전자기 펄스는 광섬유를 직접 손상시키지 않지만 트랜시버를 파괴할 수 있습니다.

트랜시버 호환성네트워크 엔지니어를 좌절시킵니다. 공급업체 A의 SFP+ 모듈은 공급업체 B의 스위치에서 작동하지 않을 수 있습니다. 둘 다 표준 준수를 요구하는 경우에도 마찬가지입니다. 디지털 광학 모니터링(DOM) 데이터 형식은 다양합니다. 전력 예산이 항상 일치하는 것은 아닙니다. 그리고 단거리 애플리케이션(300m)에서 장거리 트랜시버(40km용으로 설계됨)를-사용하면 수신기에 과부하가 걸려 광 감쇠기가 필요할 수 있습니다.

BER(비트 오류율) 지표는 이러한 오류를 수량화합니다. "클린" 파이버 링크는 10^-12(1조 비트당 오류 1개 미만) 미만의 BER을 달성합니다. 오염이나 손상으로 인해 이는 10^-6 이하로 저하되어 FEC가 따라잡을 수 없습니다. 그 시점에서 패킷 손실은 가시적인 비디오 스트리밍 중단, 다운로드 실패, 네트워크 애플리케이션 시간 초과로 나타납니다.

 

비용 및 배포 현실

 

다중-모드 광섬유 비용은 미터당 $0.50-2이고, 단일 모드는 미터당 약 $0.30-1입니다. 섬유 자체는 저렴합니다. 설치 비용이 가장 높습니다. 지하 케이블 트렌칭 비용은 지형에 따라 미터당 $50-200입니다. 기존 기둥에 공중 배치하면 이 비용이 미터당 10~30달러로 떨어지지만 허용 문제와 폭풍 취약성에 직면합니다.

트랜시버의 범위는 1G SFP 모듈의 경우 20달러부터 10G SFP+의 경우 500달러, 100G QSFP28의 경우 2,000달러, 400G QSFP-DD의 경우 8,000달러입니다. 100km 이상의 링크를 위한 장거리 코히어런트 트랜시버의 가격은 $15,000-30,000입니다. 이러한 가격은 시간이 지남에 따라 하락하지만 여전히 데이터 센터 상호 연결 및 메트로 네트워크의 경제성을 지배합니다.

해저 케이블은 광전송 투자의 최후를 의미합니다. 대서양 횡단 케이블의 비용은 3억~5억 달러이며 설치하는 데 2년이 걸립니다. 그러나 초당 테라비트를 전송하는 10~50년의 서비스를 제공하므로 주요 인터넷 백본 제공업체에 경제적으로 적합합니다. Grace Hopper(2024)와 같은 최신 케이블은 17개의 광섬유 쌍으로 길이가 4,100마일에 달하며 각각 초당 24테라비트를 전달합니다.

유지관리 비용은 천차만별입니다. 통제된 환경을 갖춘 데이터 센터에서는 케이블이 제대로 설치되면 문제가 거의 발생하지 않습니다. 실외 설비에는 지속적인 유지 관리가 필요합니다. 스플라이스 클로저에 물이 차는 경우, 건설 중 섬유 절단, 커넥터 부식, 얼음 적재로 인한 케이블 파손 등이 있습니다. 통신 제공업체는 유지 관리를 위해 매년 자본 지출의 2~5%를 예산으로 책정합니다.

총 소유 비용은 100미터 이상의 거리에 대한 광섬유를 선호합니다. 그 이하에서는 구리가 1~10G 속도에서 잘 작동합니다. 10G 이상에서는 단거리 실행에도 섬유가 필수가 됩니다. 트랜시버 비용이 떨어지고 구리가 더 빠른 속도로 어려움을 겪으면서 크로스오버 지점이 계속 이동합니다.

 

 

무료-우주 광학과 광섬유 비교

 

모든 광 전송이 광섬유를 사용하는 것은 아닙니다. 자유-우주 광학(FSO) 시스템은 레이저 빔을 공기 또는 우주를 통해 전송하여 도시 환경에서 1~2km 이상에서 10Gbps를 달성하거나 저궤도 위성 간에는 최대 40Gbps를 달성합니다.

FSO는 광케이블 설치 비용을 방지하여 임시 링크나 트렌칭이 불가능한 위치에 적합합니다. 거리나 주차장을 가로지르는 건물-간 연결-이 잘 이루어집니다. 그러나 FSO는 광섬유가 그렇지 않은 문제에 직면해 있습니다. 안개는 감쇠를 킬로미터당 100dB(섬유: 0.2dB/km)까지 증가시킬 수 있고, 비는 10dB/km까지 증가할 수 있으며, 섬광(대기 난류)은 무작위 신호 페이딩을 유발합니다.

포인팅 및 추적이 중요해집니다. 1km에 걸쳐 퍼져 있는 1-밀리라디안 빔은 1-미터 지점을 만듭니다. 바람이나 열팽창으로 인해 건물이 흔들리면 링크가 완전히 잘못 정렬될 수 있습니다. 능동 추적 시스템은 이를 보완하지만 복잡성을 추가합니다. 그리고 새, 곤충, 건축물 등의 물리적 장애물이 일시적으로 광선을 차단할 수 있습니다.

위성 광링크는 FSO를 극한까지 몰아붙입니다. SpaceX Starlink 별자리는 위성 간 레이저 교차 연결을 사용하여 진공을 통해 최대 5,000km 거리에서 100Gbps를 달성합니다. 대기 감쇠는 없지만 수천 킬로미터에 걸쳐 정확한 포인팅을 수행하려면 정교한 알고리즘이 필요합니다. 상대 운동으로 인한 도플러 편이는 보상되어야 합니다. 그리고 우주 쓰레기는 끊임없는 위협을 가하고 있습니다.

FSO는 섬유질을 대체하기보다는 보완합니다. Fiber는 높은-신뢰성 백본을 제공하는 반면 FSO는 Fiber가 실용적이지 않은 극단적인 경우를 처리합니다. 하이브리드 시스템은 기본 경로로-파이버를 사용하고 FSO를 장애 조치 또는 용량 확대로 사용합니다.

 

신기술과 미래방향

 

중공-코어 섬유는 고체 유리가 아닌 광결정 구조 내부의 공기를 통해 빛을 안내합니다. 이는 대기 시간(빛은 공기 중에서 거의 300,000km/s, 유리에서는 200,000km/s로 이동)을 줄이고 비선형 효과를 제거합니다. 금융 거래 회사는 절약된 모든 마이크로초에 대해 프리미엄을 지불하므로 특정 경로에서 중공-코어 섬유를 경제적으로 실행 가능하게 만듭니다. 기술적인 문제는-더 높은 제조 비용, 더 큰 취약성 및 증가된 굽힘 감도로 남아 있습니다.

공간{0}}분할 다중화(SDM)는 멀티-코어 또는 소수의{2}}모드 광섬유를 사용하여 용량을 늘립니다. 7-코어 광케이블은 하나의 케이블에 7개의 독립 광케이블을 효과적으로 제공합니다. WDM과 결합된 SDM을 사용하여 100Tbps 이상의 성능을 달성한 데모 시스템입니다. 그러나 코어 간의 모드 결합은 혼선을 일으키고 접합은 기하급수적으로 더 어려워집니다. 상용화까지는 5~10년 남았습니다.

OAM(궤도 각운동량) 다중화는 빛을 나선형 파면으로 비틀어 또 다른 다중화 차원을 생성합니다. 실험실 시연에서는 용량 증가가 나타났지만 실제 구현에는 심각한 문제가 발생했습니다. OAM 모드는 여유-공간이나 특수 광섬유가 필요하고 손실이 높으며 교란에 매우 민감합니다. 대부분의 연구자들은 이제 OAM을 혁신적이기보다는 기존 기술에 대한 보완적인 것으로 보고 있습니다.

광섬유를 통한 양자 통신은 양자 키 분배(QKD)를 통해 이론적으로 깨지지 않는 암호화를 가능하게 합니다. 광자는 방해 없이는 측정할 수 없는 양자 상태를 인코딩하여 도청 시도를 드러냅니다. 중국은 2017년에 2,000-킬로미터의 QKD 네트워크를 배포했습니다. 그러나 QKD 시스템은 비용이 많이 들고 복잡하며 데이터 용량을 직접적으로 늘리지 않습니다.{7}}채널을 확장하는 것이 아니라 보안을 유지합니다. 실용적인 QKD는 여전히 보안 수준이 높은 애플리케이션으로 제한됩니다.

Silicon Photonics는 CMOS 제조를 사용하여 광학 부품을 실리콘 칩에 통합합니다. 이는 트랜시버, 스위치 및 멀티플렉서에 대한 엄청난 비용 절감을 약속합니다. Intel, Cisco 등은 2024년에 실리콘 포토닉 제품을 출시했습니다. 그러나 실리콘은 일반적인 통신 파장에서 빛을 흡수하므로 레이저용 III{3}}V 재료와의 하이브리드 통합이 필요합니다. 기술은 계속해서 개선되고 있지만 아직 약속된-규모의-비용 절감 수준을 달성하지 못했습니다.

 

자주 묻는 질문

 

광섬유를 통한 데이터 전송의 실제 속도는 얼마나 됩니까?

유리 섬유를 통한 빛의 물리적 전파 속도는 초당 약 200,000km입니다.{2}}진공에서의 빛 속도의 약 67%이며 유리 굴절률 1.5로 인해 느려집니다. 데이터 전송 용량의 경우 최신 단일{5}파장 시스템은 100~400Gbps를 달성하는 반면, 여러 파장을 동시에 전달하는 WDM 시스템은 광섬유당 초당 8~38테라비트에 도달합니다. 일반적인 거리에서의 지연 시간은 킬로미터당 약 5마이크로초입니다.

광섬유가 데이터와 함께 전력을 전달할 수 있습니까?

표준 광섬유는 광 신호만 전달하며 전력을 전송할 수 없습니다. 그러나 하이브리드 케이블은 광섬유를 구리 도체와 함께 묶어 산업 응용 분야 및 통신 장비에 일반적으로 사용되는 데이터와 전력을 모두 제공합니다.- 일부 연구에서는 광 신호의 인코딩 전력 전송을 탐구하지만, 광전 변환 효율 및 섬유 손상 임계값으로 인해 제한되는 대부분의 응용 분야에서는 실제 전력 수준이 여전히 불충분합니다.

광섬유 손실이 너무 낮은데 광섬유 시스템에 여전히 증폭기가 필요한 이유는 무엇입니까?

킬로미터당 0.2dB만큼 낮은 감쇠를 사용하더라도 장거리에서는 신호가 상당히 약해집니다. 100km가 지나면 신호 강도는 원래 전력의 1/100,000로 떨어집니다. 광검출기는 허용 가능한 비트 오류율을 유지하기 위해 최소 전력 수준이 필요합니다. 증폭기(장거리 시스템에서는 일반적으로 40-80km마다 EDFA)가 전자 장치로 변환하지 않고 신호 강도를 복원하여 수천 킬로미터에 달하는 대양 횡단 케이블을 가능하게 합니다.

단일-모드 또는 다중-모드 광섬유 사용 여부를 결정하는 것은 무엇입니까?

거리와 대역폭 요구 사항에 따라 선택이 결정됩니다. 다중-모드 광섬유(50-62.5미크론 코어)는 10Gbps에서 550미터 미만의 거리에서 잘 작동하고 저렴한 LED 트랜시버를 사용하며 접합 및 연결이 더 쉽습니다. 550미터 이상의 거리와 10Gbps 이상의 데이터 전송률에는 단일 모드 광섬유(8-10미크론 코어)가 필요하고 더 비싼 레이저 트랜시버가 필요하며 정밀한 정렬이 필요하지만 증폭을 통해 사실상 무제한의 거리를 지원합니다.

날씨는 매설 광섬유 케이블이나 공중 광섬유 케이블에 어떤 영향을 미치나요?

유리 섬유 자체는 날씨의 영향을 받지 않습니다.-전자기 간섭, 온도 변화 및 습기에 영향을 받지 않습니다. 그러나 얼음 하중, 열팽창/수축 주기 및 침수로 인한 기계적 응력으로 인해 케이블이 손상될 수 있습니다. 공중 케이블은 폭풍과 가지 낙하로 인한 고장률이 더 높습니다. 지하 케이블은 더 잘 보호되지만 스플라이스 클로저의 지면 움직임과 습기 유입에 취약합니다. 적절한 케이블 설계와 설치는 이러한 위험을 완화합니다.

광섬유 케이블을 구리 케이블처럼 탭하거나 차단할 수 있습니까?

광섬유를 차단하려면 물리적 접근과 특수 장비가 필요합니다. 원격으로 포착할 수 있는 전자기 신호를 방출하는 구리 케이블과 달리 광섬유는 내부 전반사를 통해 빛을 코어 내에 가두어 둡니다. 태핑을 하려면 광섬유를 끊거나(명백한 신호 손실 유발) 급격하게 구부려 빛이 누출되도록 해야 합니다(전력 모니터링을 통해 감지 가능). 양자 키 분배 시스템은 비침습적 태핑 시도도 감지할 수 있어 본질적으로 광섬유를 전기 전송보다 더 안전하게 만듭니다.

다양한 파장(850nm, 1310nm, 1550nm)을 사용하는 이유는 무엇입니까?

다양한 파장의 균형이 여러 가지 요인에 따라 달라집니다.. 850nm는 저렴한 다중-모드 광섬유 및 단거리용 VCSEL 레이저와 잘 작동하지만 유리 흡수가 더 높습니다.. 1310nm는 색분산이 최소화되고 대도시 네트워크에 적합한 표준 단일{3}}모드 광섬유의 "제로 분산" 지점에 도달합니다.. 1550nm는 가장 낮은 감쇠(0.15-0.2dB/km)를 가지며 다음과 함께 작동합니다. 에르븀- 도핑 증폭기를 사용하여 장거리 전송에 최적입니다. 선택은 거리 요구 사항, 광섬유 유형 및 증폭 요구 사항에 따라 달라집니다.

광섬유 커넥터는 연결 해제가 가능함에도 불구하고 어떻게 낮은 손실을 달성합니까?

정밀 페룰(세라믹 또는 금속)은 광케이블 끝을 고정하고 -미크론 미만의 평탄도로 연마되고 1~2미크론 이내로 정렬됩니다. 페룰은 결합 시 물리적으로 접촉하며 스프링 압력으로 정렬이 유지됩니다. 그럼에도 불구하고 일반적인 커넥터 손실은 결합당 0.2~0.5dB입니다(약 5~11% 전력 손실). 손실을 낮추려면 섬유를 녹여 영구적으로 결합하는 융합 접합이 필요합니다. 이는 0.01-0.1dB의 손실을 달성하지만 연결 해제 기능을 제거합니다.

 

결론

 

광학 데이터 전송은 내부 전반사가 머리카락보다 얇은 유리 내부에 빛을 가두기 때문에 작동하며 현대 전자 장치는 해당 빛을 초당 수십억 번 조절할 수 있습니다. 물리학은 -유리를 통해 반사되는 빛-이지만 이를 바다 건너 거리를 가로질러 초당-초당{4}}테라비트의 속도로 구현하려면{5}}뛰어난 엔지니어링이 필요합니다.

기술은 완벽하지 않습니다. 오염, 물리적 손상 및 구성요소 호환성으로 인해 실제-실패가 발생합니다. 그러나 적절하게 설치하고 유지 관리하면 광섬유는 비교할 수 없는 대역폭, 거리 성능 및 간섭 내성을 제공합니다. 이것이 바로 집 밖의 거의 모든 인터넷 연결, 모든 데이터 센터 상호 연결 및 모든 대양 횡단 링크가 광섬유를 통해 실행되는 이유입니다.

향후 10년은 혁명적인 변화보다는 점진적인 개선을 가져올 것입니다. 용량은 더 밀도가 높은 WDM과 잠재적으로 SDM을 통해 확장됩니다. 실리콘 포토닉스는 트랜시버 비용을 줄일 수 있습니다. 그러나 광학 데이터 전송-내부 전반사를 통해 유리를 통해 전파되는 변조광-은 글로벌 통신의 중추로 남을 것입니다. 물리학은 교체하기에는 너무 잘 작동합니다.