[스크랩] 광통신의 배경2010년

제1장 광통신 개론

 

1-1  서론

 

1. 광통신의 배경

 

광통신의 출현시기를 이야기한다는 것은 매우 어려운 일이다.

빛이 통신수단으로 이용된 시점은 고대 그리스 시대로 고대 그리스인들은 거울을 이용하여 의사전달을 한 것으로 보인다. 거울에 의한 의사전달도 빛을 이용한다는 관점에서 광통신의 범주에 포함시킬 수 있을 것이다. 이러한 계에서 손동작은 빛을 변조시키는 변조기(modulator)이며, 대기는 빛을 전달하는 전송채널(transmission channel)로 볼 수 있다. 또한, 이를 수신하는 측의 눈은 메시지(message)를 식별하는 검파기(detector)이며, 머리는 메시지를 처리하는 신호처리기(signal processor)로 하나의 통신계를 구성한다고 볼 수 있다.

BC 800년경에 이르러 중국에서 불을 이용한 봉화가 처음 등장하여 거울에 의한 시간 및 거리의 제약을 어느 정도 극복하게 되었고, 미국 대륙의 인디언들은 연기를 상호 의사교환의 수단으로 이용하였다. 옛날, 우리 나라에서도  봉수대가 사용되었다.

[그림 1-1-1] 우리 나라의 봉수대

 

<표 1-1-1> 수신호와 광통신의 비교

	수신호	광섬유 통신
광원	태 양	LD, LED
변조방식	몸의 움직임	광원의 점멸
전송모재	대  기	광섬유
수신기	사람의 눈	PIN, APD
신호처리	두  뇌	전자회로
특징	공간분할	시분할
	파장분할	파장분할
응용	저속영상처리	고속신호

 

그러나 이러한 통신계들은 매우 단순하여 표현할 수 있는 메시지 량이 극히 제한되었다. 그 후, 유럽의 해군들 사이에 램프를 이용하여 모르스 부호(Morse code)로 의사를 전달하였다. 이러한 통신계는 전송거리에 있어서는 크게 향상되지 못하였지만, 신호를 부호화(encoding)함으로써 메시지 량을 크게 증대시키게 되었고, 신호의 부호화라는 관점에서 디지털 광통신의 시조로 볼 수 있다.

현대 광통신의 시작은 레이저(laser)의 개발에서부터 찾을 수 있다. 레이저의 개발은 1960년에 Maiman에 의해 이루어졌다. Maiman은 사파이어(sapphire)를 도핑한 크롬(chromium)인 크리스털 구조의 루비에서 적외선영역의 광선을 얻을 수 있었다. 이듬해에 HeNe 가스레이저가 개발되어 현재까지 측량기기 등에 사용되고 있으며, 1962년에 GE, IBM, MIT에서 GaAs반도체를 이용한 반도체 레이저(semiconductor laser)를 선보였다.

이 당시 반도체 레이저는 발진시간(oscillation time)이 수초에서 수분으로 제한되어 실용화가 어려웠으나, 수[㎽]의 전력에서 동작이 가능하며, 전기-광(electric-optical) 변환효율이 높아 기술상의 큰 진전을 가져오게 되었다. 그 후, 반도체 레이저에 대한 연구는 발진시간을 연장하는 측면에서 연구되어져 1970년에 이르러 GaAlAs 반도체의 개발로 연속발진이 가능하게 되었다.

 

 

2. 광섬유와 레이저의 출현

 

인류가 유리를 처음으로 손에 넣은 것은 약 5천년전이며, 이후 장기간 유리나 플라스틱 내 광의 전송에 관한 연구를 해 왔으나, 광이 가느다란 투명체를 따라 전송하는 원리를 과학적으로 기술한 것은 약 130년 전 영국의 친달이 처음이라 한다. 친달은 잘 흘러나오는 물 속을, 광이 물과 공기와의 경계 면에서 전반사(total reflection)하면서 전파하는 것을 발견하고, 그 원리를 명확히 한 것이다.

1930년경 독일의 람은 유리 섬유에 의한 광의 전송을 시도했고, 1958년 영국의 카파니 등은 굴절률(refractive index)이 큰 유리를 굴절률이 작은 유리로 피복을 한 광섬유를 만들었다. 즉 광섬유가 최초로 만들어진 것은 지금으로부터 30년 전이라는 이야기가 있다. 당시의 광섬유는 다성분 유리로 투명도가 좋지 않았고, 잘 만든 광섬유에서도 광이 1[m]만 진행하면 강도는 매우 약해졌다. 따라서 그 용도는 장식용이나 광을 수십[㎝]에서 수[m] 보내는 것이었다.

그 후 광섬유는 위 내시경 카메라 등을 중심으로 한 직접 화상전송용으로 연구 개발되어 1960년대의 후반에 거의 실용적인 것이 만들어졌다.

이는 극히 가는 광섬유를 수천 본에서 수만 본을 정렬시킨 것이며, 그 길이는 겨우 1[m]정도였고, 저 손실화를 위한 연구보다는 사용의 용이성 및 신뢰성, 저가격화 등의 연구개발이 먼저 되었고, 광통신용으로서 연구는 거의 없었다.

그러나, 1964년에 벨(Bell)연구소의 Stewart Miller 및 일본 동북대학에서 GI(grade index)형 광섬유의 특허 출원이 있었고, 당시 광섬유 전송손실은 비교적 컸지만, 광통신의 가능성 연구가 이미 개시되고 있었다. 1966년에 영국의 STL에 있던 C. Kao 등은 광섬유내의 불순물을 어떤 수단으로 제거하면 광섬유를 통신용 전송선로에 사용 가능성을 이론적으로 종합하여 논문을 발표했다.

1968년에는 일본전기가 전송손실이 크기는 하나 다성분 유리를 사용하여 코어의 굴절률이 2승 분포로 되어 있는 셀폭(selfoc) 광섬유를 개발했다.

1970년, 세계 최대의 특수유리 제조사인 미국의 코닝 글라스(corning glass)사는 석영을 주성분으로 한 광섬유로 1[㎞]당 20[㏈]의 광섬유를 제작 발표하여, 세계의 전송선로 기술자들의 주목을 받았다. 당시 저 손실 광섬유의 손실 측정 방법은 확립되어 있지 않았고, 이 손실은 He-Ne 레이저의 0.63[㎛] 파장으로 측정한 값이며, 보다 장파장으로 측정하면 손실은 더욱 적었을 것이다.

코닝 글라스사는 이때 석영을 주성분으로 하고 코어에 굴절률을 높이는 첨가물(dopant)를 함유한 광섬유라는 특허와 석영 파이프를 출발재료로 하고, 이 광섬유의 안쪽에 굴절률을 높이기 위한 첨가물을 함유한 석영분말을 부착시켜, 이것을 유리로 만들어 광섬유를 만드는 방법이라는 2가지 중요한 특허를 제안했다. 전자의 구조특허는 미국, 캐나다, 영국, 프랑스 등의 선진국에서 성립했으나, 일본과 독일에서는 구조에 새로운 점이 없다하여 성립시키지 않았다. 일본 특허청의 판단은 석영이 아주 투명한 유리인 것, 어떤 종류의 첨가물을 가하면 굴절률이 변화하는 것은 잘 알려진 사실이며, 전문가이면 석영 유리가 되는 광섬유 구조 자체는 용이하게 고안할 수 있다는 것이다. 한편, 미국 등에서 특허가 성립된 이유는, 석영 유리를 사용한 광통신용 저 손실 광섬유의 전례가 없다는 이유이다. 또한, 후자의 석영 파이프를 사용하여 그 내면에 첨가물을 함유하는 석영 분말을 부착시킨 후 이를 가늘게 선을 뽑아 광섬유로 하는 제조방법에 관한 특허는 일본도 포함 세계각국에서 성립하고 있다.

코닝 글라스사의 발표 후, 세계 각국에서 통신용 광섬유의 개발 경쟁이 시작됐다. 미국의 벨 연구소, 영국의 BTRL, 일본의 NTT 등 많은 기관에서 재차 다성분 유리도 포함한 각종 광섬유의 연구로 수많은 논문이 발표되었고, 1974년 벨연구소는 일본의 교또에서 개최된 글래스(glass) 회의에서 석영유리에 의해 1[㏈/㎞]의 광섬유를 수정 CVD(MCVD,  modified chemical vapor deposition method)법에 의해 만들었다고 발표했다. 이는 석영 파이프를 출발 모재(preform)로 하고, 그 속에 석영유리를 만드는 원료가스 및 굴절률을 높이는 첨가물의 원료가스를 유입시켜 외부에서 석영 파이프를 가열해 파이프 내에서 화학 반응시켜 광섬유를 만드는 것이다. 이 논문에는 장치의 개요, 가스의 유량, 가열온도, 사용 석영파이프의 치수 등이 자세히 기재되어 있어 많은 기관들이 추적을 개시, NTT와 후지꾸라 전선은 장치를 개량하여 0.47[㏈/㎞]로 당시 세계 최소의 전송손실을 갖는 광섬유를 만들었다. 1979년에는 NTT가 더욱 개량하여 0.2[㏈/㎞]라는 이론한계의 저손실 광섬유를 발표하고, 사실상 저 손실화의 경쟁에 종지부를 찍었다.

그리고, 벨연구소는 이 MCVD법의 특허를 취득하고 있으며, MCVD법을 사용하는 한 코닝 글라스사와 벨연구소의 특허에 저촉된다고 하고 있다.

1977년, NTT는 동경에서 개최된 IOOC '77 국제회의에서 기상 축 증착(VAD, vapor phase axial deposition)법을 발표했다. 이것은 파이프를 사용하지 않고 축방향에 광섬유의 모재를 만드는 것으로 당연히 코닝 글라스사 및 벨연구소의 제조특허에는 저촉되지 않으며, 일본의 독자적 제조법이다. 이 제조법에 의한 대량 생산기술은, 후에 후지꾸라 전선, 후로가와 전공, 스미도모 전공의 3사에 의거 확립되고, 일본에서의 광섬유는 이 방법에 의해 제작되고 있다.

[그림 1-1-2]는 석영계 광섬유 전송손실의 저감을 나타낸 것으로, 현재의 제조기술은 아주 향상되어, 1979년에 챔피언 데이터(Champion data)에서 제시한 것과 같은 이론 한계에 근접한 광섬유가 지금은 대량생산 수준에 도달하고 있다.

 

[그림 1-1-2] 석영계 광섬유의 손실 저감의 경위

 

석영계 광섬유는, 원재료가 비교적 저렴한 것, 광섬유의 강도가 높은 것, 제조법이 간단한 것, 내환경성이 우수한 것 등 많은 특징을 갖고 있어, 현재 통신용으로 사용되는 광섬유의 대부분은 이 석영계이다. 다성분 유리 및 플라스틱 광섬유는 극히 특수한 용도의 사용에 불과하고, 석영계 광섬유는 금후에도 광섬유의 주류를 이룰 것이다.

또한, 레이저 쪽도 광섬유의 역사와 거의 같은 때에 연구, 발명, 실용화가 진행되고 있다. 최초의 레이저 발진은 1960년 루비를 사용한 것이었다.

레이저의 특징은, 광이 마치 전파와 같이 정렬된 파라고 할 수 있다. 이 특징에 따라 광은 많은 정보를 실을 수 있고, 광을 렌즈(le㎱)에 의해 아주 가늘게 집광할 수 있다. 이는 광섬유와 같이 아주 가는 매체로의 광의 입사에 적합하다.

광섬유가 처음 만들어진 후인 1960년대, 기체 레이저 및 고체 레이저 자체에 대한 개량의 진전과 동시에 레이저 응용에도 수많은 고안이 있었고, 광섬유 통신의 실용화에는 반도체 레이저의 출현이 기대되었다.

당시, 이미 화합물 반도체 결정에 의한 발광다이오드(LED, light emitting diode)가 실용화되었고, 일부 광통신 등에도 검토되고 있었으며 그와 같은 재료인 GaAs에 강한 광을 유입시켜, 광을 가두어 발광시키는 반도체 레이저가 1962년 미국에서 보고되었다. 단, 이때의 것은 발광효율(luminous efficiency)이 나쁘고 대전류를 유입할 필요가 있어, 열 파괴로부터 레이저의 보호를 위하여 액체 질소로 냉각시키는 등 실용적이 못되었다. 이를 본질적으로 개선한 것이 1970년에 벨 광기술 연구소에 의해 발명된 이중헤테로 구조(double heterostructure)의 반도체 레이저이다. 이는 발진하는 능동부분인 GaAs의 상하를 GaAlAs로 끼우고, 광과 전류를 발광부분에 가두어 발광효율을 높이고, 필요전류를 줄여 온도상승을 억제하여 실온에서의 연속동작에 성공한 것이다. 이 DH레이저의 발명에 의해 레이저가 광섬유 통신에 사용하게 되었다고 할 수 있다. 그 후 반도체 기술의 진보로 반도체 레이저의 수명은 비약적 신장으로 현재는 미국-일본간의 해저케이블(submarine cable) 중계기에도 사용되는 등, 수명이 길고 신뢰성이 높은 것이 제작되고 있다.

당초 검토된 반도체 재료는 GaAs이고, 발광파장은 0.85[㎛]대였으나, 그 후 광섬유의 특성개량이 진행되어, 1.3[㎛]대에서 저 손실이 됨과 1.3[㎛]대 및 1.55[㎛]대의 InGaAsP을 사용한 레이저가 개발되었다. 현재 광섬유 통신의 주체는 1.3[㎛]대, 1.55[㎛]대로 이동하고 단파장대에서의 반도체 레이저는 주로 컴펙트 디스크 등 광 기억장치에 사용되고 있다.

 

[그림 1-1-3] He-Ne 레이저          [그림 1-1-4] 레이저와 수광 다이오드

출처 : FIBERGIGA

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