광섬 패치 코드에서 "모드 필드 직경(MFD) 불일치"란 무엇인가요?

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다른 제조업체의 광섬유를 함께 연결하면 단방향 손실이 발생하는 이유는 무엇인가요?

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다른 제조사의 광섬유(또는 G.652D와 G.657과 같은 다른 유형의 광섬유)를 연결할 때 발생하는 ‘단방향 손실’(즉, A 방향에서 B 방향으로 측정된 손실과 B 방향에서 A 방향으로 측정된 손실이 일치하지 않거나, 한 방향에서는 ‘음수 손실/이득’이 측정되는 현상)은 고전적인 광학 물리 및 테스트 측정 현상입니다.

이 현상의 본질은 모드 필드 직경(MFD, Mode Field Diameter) 불일치와 광섬유 후방 산란 계수 차이가 복합적으로 결정하는 것입니다.

1. 핵심 물리 메커니즘: ‘단방향 손실’은 왜 발생하는가?

광섬유 링크 테스트에서는 일반적으로 **광 시간 영역 반사계(OTDR)**를 사용하여 접속 손실을 측정합니다. OTDR은 접속부를 통과하는 투과광을 직접 측정하는 것이 아니라, 광섬유 내부에서 발생하는 **레일리 산란(Rayleigh Scattering)**의 반향 신호를 수신하여 손실을 계산합니다. 이로 인해 다음과 같은 두 가지 차원에서 문제가 발생합니다:

1. 실제 물리적 커플링 손실(양방향 대칭)

다른 제조사의 제조 공정 및 도핑 농도가 다르기 때문에, 동일한 단일 모드 광섬유라도 **모드 필드 직경(MFD)**에 미세한 편차가 존재할 수 있습니다.
두 개의 모드 필드 직경이 다른 광섬유가 접속될 때, 횡방향 필드 불일치로 인해 고유한 물리적 커플링 손실이 발생합니다. 전자기 도파 이론에 따르면, 물리적 손실은 다음 식으로 근사 계산할 수 있습니다:

𝐿𝑜𝑠𝑠𝑀𝐹𝐷=−20lg⁡(2⋅𝑤1𝑤2𝑤21+𝑤22)

  • (여기서* 𝑤1,𝑤2 는 각각 두 광섬유의 모드 필드 반지름입니다.)

이 공식에서 볼 수 있듯이 𝑤1과 𝑤2의 위치는 대칭적입니다. 이는 실제 물리적 광 에너지 손실이 두 방향에서 완전히 동일하다는 것을 의미하며, 물리적으로 진정한 ‘단방향 손실’은 존재하지 않습니다.

2. OTDR 측정의 겉보기 단방향 손실(테스트 아티팩트)

테스트에서 우리가 보는 ‘단방향 손실 차이’는 두 광섬유의 후방 산란 계수(Backscatter Coefficient) 차이로 인해 발생하는 측정 아티팩트입니다. 후방 산란 계수는 광섬유의 모드 필드 직경(MFD)에 반비례합니다. 즉, 모드 필드 직경이 작을수록 광 에너지 밀도가 높고, 후방 산란 반향이 강해집니다.

광이 한쪽 끝에서 다른 쪽 끝으로 전송될 때, OTDR은 접속부에서 다음과 같은 다른 양상을 보입니다:

  • 작은 MFD 광섬유에서 큰 MFD 광섬유로 들어갈 때 (작음 → 큼):
    입사광이 후방 산란 계수가 강한(반향이 강한) 광섬유에서 후방 산란 계수가 약한(반향이 약한) 광섬유로 들어갑니다. OTDR 입장에서는 접속부 이후의 반향 신호 레벨이 순간적으로 크게 떨어집니다. OTDR 곡선(Trace)에서 접속부 위치는 매우 가파른 하강 계단으로 나타납니다.
    • 측정 결과:
      이때 OTDR이 읽어내는 손실값은 실제 물리적 접속 손실보다 현저히 크게 측정됩니다.
  • 큰 MFD 광섬유에서 작은 MFD 광섬유로 들어갈 때 (큼 → 작음):
    입사광이 후방 산란 계수가 약한 광섬유에서 후방 산란 계수가 강한 광섬유로 들어갑니다. 접속부 이후의 반향 신호 레벨이 갑자기 강해집니다. OTDR 곡선에서 접속부 위치는 위로 올라가는 계단으로 나타납니다.
    • 측정 결과:
      OTDR이 읽어내는 손실값은 매우 작게 측정되거나, 심지어 음수 값(즉, 소위 ‘겉보기 이득’ 또는 ‘허위 이득’, Gain )으로 나타납니다.

2. 엔지니어링 상의 해결 및 계산 방법

MFD 불일치 및 후방 산란 계수 차이로 인한 테스트 오류를 제거하기 위해, 광 네트워크 엔지니어링 규격에서는 반드시 양방향 측정(Bidirectional Measurement)을 수행하고 그 산술 평균값을 사용해야 한다고 규정합니다.

실제 접속 손실 계산 공식은 다음과 같습니다:

𝐿𝑜𝑠𝑠𝑇𝑟𝑢𝑒=𝐿𝑜𝑠𝑠𝐴→𝐵+𝐿𝑜𝑠𝑠𝐵→𝐴2

양방향 측정 후 평균값을 취함으로써, 큰 MFD에서 작은 MFD로 갈 때 발생하는 ‘허위 이득’과 작은 MFD에서 큰 MFD로 갈 때 발생하는 ‘허위 큰 손실’이 서로 상쇄되어 실제 물리적 커플링 손실을 복원할 수 있습니다.

3. 공식 OFSCN® (대성영승) 제품의 MFD 손실 억제 응용

정밀 광학 테스트 및 광섬유 격자 센싱 분야에서, 모드 필드 직경(MFD) 불일치로 인한 추가적인 물리적 손실과 테스트 오류를 최소화하기 위해서는 광섬유의 기하학적 구조와 도파관 구조의 일관성을 유지하는 것이 매우 중요합니다.

대성영승 (OFSCN®)에서 제공하는 광섬유 패치 코드 및 특수 광섬유 제품은 표준 및 기하학적 제어 측면에서 엄격한 산업 규격을 준수합니다:

  1. OFSCN® 표준 광섬유 패치 코드(Standard Fiber Patch Cord):
    기본적으로 표준 **OFSCN® G.652D 광섬유**를 사용합니다. 코어 직경은 9μm, 클래드 직경은 125μm로 엄격하게 제어되어, 주류 통신 장비 및 기타 표준 G.652D 광섬유 장치와의 연결 시 MFD 편차를 극소 범위로 제어하여 단방향 손실 편차를 줄입니다.

  2. OFSCN® G.657 광섬유(굴곡 불감 단일 모드 광섬유):
    높은 굴곡 요구 사항이 있는 시나리오의 경우, OFSCN®은 G.657 A2 또는 G.657 B3 표준을 준수하는 광섬유를 제공합니다. G.657 광섬유는 굴곡 성능 향상을 위해 굴절률 프로파일이 약간 조정되었지만, 대성영승은 생산 과정에서 MFD를 정밀하게 조정하여 표준 G.652D 광섬유와의 우수한 호환성 및 극히 낮은 접속 손실을 달성합니다.