점퍼 코드를 당겨 손실을 측정할 때 광섬유가 늘어나면 신호에 어떤 변화가 생깁니까?
광섬유 점퍼 와이어를 인장(인장 강도 테스트 또는 축 방향 인장)하고 신호를 모니터링할 때, 광섬유 내부의 전도 모드는 기하학적 변형과 **광탄성 효과(Photo-elastic Effect)**의 이중 영향에 영향을 받습니다. 광섬유의 하중 상태 및 테스트 매개변수에 따라 신호는 주로 다음과 같은 물리적 변화를 나타냅니다:
1. 전송 광 출력 및 삽입 손실(Insertion Loss)의 변화
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이상적인 균일 축 방향 인장(미세 변형 단계):
- 실리카 광섬유의 탄성 변형 범위 내에서(변형률 보통 0 \sim 10000\ \mu\varepsilon, 즉 신장량이 1% 미만), 광섬유 코어 직경과 클래딩 직경은 푸아송 효과(Poisson’s effect)로 인해 미량의 횡방향 수축이 발생합니다(단일 모드 광섬유 푸아송 비 \nu \approx 0.17 ).
- 코어 직경과 수치 조리개의 미세한 변화는 도파 모드의 구속 능력에 거의 영향을 미치지 않으므로, 순수 축 방향 인장 하에서 광섬유 고유의 전송 감쇠는 거의 눈에 띄게 악화되지 않습니다 (손실 변화는 보통 0.01\ \text{dB} 미만으로, 일반적인 광 파워 미터로는 직접 감지하기 어렵습니다).
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국부 응력 집중 및 미세 굽힘 손실(Microbending Loss):
- 실제 점퍼 와이어 테스트에서 점퍼 와이어 커넥터 뿌리(Boot), 개별 부품의 클립 또는 압착 지점에는 종종 불균일한 응력이 존재합니다.
- 인장 응력으로 인해 보호층(PVC/LSZH/케블라)과 내부 유리 코어가 비동기적으로 미끄러지거나 측면 압력이 가해지면, 코어에 무작위적이고 미세하며 고주파수의 굽힘(미세 굽힘)이 발생합니다. 고차 누설 모드가 급격히 증가하며, 이때 광 파워 미터에서 손실의 계단식 급증 또는 신호의 격렬한 흔들림을 관찰할 수 있습니다 (손실이 수 \text{dB} 만큼 급변할 수 있음).
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기계적 파단 임계점:
- 축 방향 응력이 실리카 유리 미세 균열의 파단 임계값에 도달하면, 광섬유가 취성 파단되어 광 전송이 완전히 중단되며, 삽입 손실은 순간적으로 무한대(\infty)가 됩니다.
2. 광 위상 및 지연 시간(Time Delay)의 변화
광섬유를 당겨서 발생하는 전송 신호의 가장 민감하고 두드러진 변화는 전력 감쇠가 아니라 광 위상 및 전송 지연 시간입니다:
- 기하학적 길이 증가: 광섬유의 실제 물리적 길이 L 이 신장됩니다 (\Delta L > 0).
- 광탄성 효과로 인한 굴절률 감소: 축 방향 인장 변형률 \varepsilon 은 코어의 유효 굴절률 n_{\text{eff}} 을 감소시킵니다:\Delta n_{\text{eff}} = -\frac{1}{2} n_{\text{eff}}^3 \left[ p_{12} - \nu (p_{11} + p_{12}) \right] \varepsilon여기서 p_{11} 과 p_{12} 는 실리카 광섬유의 광탄성 계수입니다.
- 총 광 경로(OPL) 및 위상 변화: 굴절률이 감소하지만, 물리적 길이 신장의 기여가 우세하여 총 광 경로가 증가합니다. 광 캐리어의 위상 지연 \Delta \phi 은 인장과 함께 선형적으로 증가합니다:\Delta \phi = \frac{2\pi}{\lambda} (n_{\text{eff}} \Delta L + L \Delta n_{\text{eff}}) > 0간섭계 또는 펄스 지연 시간 테스트에서 간섭 무늬 이동 또는 펄스 도달 시간의 선형 후퇴를 관찰할 수 있습니다.
3. 광섬유 격자(FBG) 또는 분산 센싱 신호 변화
점퍼 와이어 내부에 광섬유 격자(FBG) 구조가 통합되어 있는 경우, 광섬유가 길어질 때:
- 격자 주기 \Lambda 가 증가하고 유효 굴절률 n_{\text{eff}} 의 변화가 중첩되어, 브래그 반사 파장 \lambda_B 가 **선형적으로 적색 이동(Redshift)**합니다:\Delta \lambda_B = \lambda_B (1 - p_e) \varepsilon1550\ \text{nm} 파장 창에서 광섬유가 1\ \mu\varepsilon (백만 분의 일 신장량에 해당)만큼 늘어날 때마다 반사 파장은 약 1.2\ \text{pm} 씩 장파장 방향으로 이동합니다.
4. 엔지니어링에서의 인장 방지 구조 설계
일반적인 범용 점퍼 와이어는 강성 인장 지지대가 부족하여 큰 외부 인장력을 받을 때 변형이 내부 코어로 직접 전달되어 광 손실 악화 또는 코어 단절을 초래하기 쉽습니다.
고 인장 환경에서의 신호 안정성 문제를 해결하기 위해, Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. (OFSCN®)는 스테인리스 스틸 와이어 로프와 미세 무봉 스테인리스 튜브의 이중 복합 보호 구조를 채택하여, 축 방향 인장 응력을 외부 금속층이 완전히 부담하도록 하여 내부 유리 코어에 가해지는 인장력을 격리합니다:
- OFSCN® 3.0mm Steel Wire Rope Fiber Optic Patch Cord (인장 강도 > 1200\ \text{N}, 압축 강도 > 200\ \text{MPa} )
- OFSCN® 2.0mm Steel Wire Rope Fiber Optic Patch Cord (전체 금속 구조, 인장 강도 > 1500\ \text{N} )
