광전자공학 : 전기/광 변환기 (Electrical to Optical Converter)

[상과하]

광전자공학 : 전기/광 변환기 (Electrical to Optical Converter)

【 이론 】

광통신의 개요

광통신이란 전기통신에서 전기적 신호를 정보전달 수단으로 이용하는 것과는 달리 빛을 이용하여 통신을 가능하게 하는 방식을 말한다. 즉, 정보를 나타내는 전기 신호를 광 신호로 바꾸고 이것을 광섬유를 통하여 전달하고 전달된 광 신호를 다시 전기 신호로 바꾸어 원하는 정보를 재생하는 통신 수단으로써, 빛을 사용하는 모든 통신 방식을 가리켜 광통신이라 일컫고 있다. 빛은 그림 18-15와 같은 전자파의 일종으로 고주파, 3차원 정보의 처리가 가능, 전파와 같은 위상 정보의 처리가 가능 등의 3가지 특성을 갖는다. 빛은 대단히 높은 주파수를 갖는 파이므로 고속, 대용량의 정보 전달이 가능하고, 짧은 시간 펄스의 발생이나 좁은 공간으로의 에너지 집중도가 높다. 그리고 전자 유도의 영향을 받지 않는다.

1. 광전송의 구성

광섬유 전송의 구성은 그림 18-16과 같이 굴절율이 높은 영역(여기에서는 물)을 굴절율이 낮은 영역(여기에서는 공기)으로 막아서 광이 전반사하는 것을 이용한 것이다. 이 원리를 이용하여 플라스틱이나 유리를 실용화한 것이 광섬유이다.

최근에 이용되는 광섬유는 주로 외경이 0.1~0.2mm로 미세한 한개의 선이다. 이 광섬유는 그림 18-17과 같이 굴절율이 다른 재질인 광전력을 집중시키는 코아(core)와 광전력을 가두는 작용을 하는 크래드(clad)로 구성되고 여기에 광이 입사되면 광은 코아부분(외경 0.05~0.1mm)의

$$

theta ~

이하의 각도로 전송된다.

이 각도

$$

theta ~

를 임계각이라 부르고 다음과 같은 관계식이 성립된다.

$$

NA ~=~ n_o SQRT {{n_1}^2 - {n_2}^2} ~=~ sin theta ~

여기에서 NA(Numerical Aperture)를 개구수라 부르며 단위는 없다.

$$

theta ~

가 클수록 광섬유에 들어오는 광의 각도가 크게되어 광량이 많이 들어오지만

$$

theta ~

가 클수록 광섬유의 특성이 우수한 것은 아니다.

$$

theta~

는 전송 특성과 밀접한 관계가 있고 보통 통신용 광섬유의 NA는 0.2~0.25 정도, 각도는 ±12°∼±15° 로 적은 것이다. 이에 비해 상업용이나 Fiber Scope 등에 사용되고 있는 광섬유는 사용 용도에 따라 ±30°∼ ±50°로 큰 개구각이 이용되기도 한다.

광섬유에 광이 입사되면 광은 코어와 크래드 경계면에서 전반사하여 진행되는 것을 의미하지만, 광섬유 속에는 각도가 큰 광인 고차 모드(mode)와 각도가 적은 광인 저차 모드가 존재한다. 저차 모드 성분이 높을수록 광대역 전송에 적합하다. 또 일반적으로 저차 모드일수록 장거리 전송이 가능하고, 고차 모드는 감쇠되는 것이므로 광섬유에서는 출사각을 입사각보다 적게 한다.

2. 광섬유의 종류

광섬유는 전송 형태로 단일 모드형과 다중 모드형으로 구분되고, 또 다중 모드형은 Step Index형과 Graded Index형으로 구분된다. 한편 재질면에서는 그림 18-18과 같이 플라스틱, 다성분 유리, 석영 유리, 플라스틱과 유리의 복합체 등으로 구분된다. 이 광섬유들은 각각 다른 특성이 있지만 전송 능력은 단일 모드형이 우수하다. 다중 모드형에서는 Graded Index형이 Step Index형보다 광대역에서의 장거리 전송에 적합하다. 또한, 단일 모드 섬유와 다중 모드 섬유의 차이를 그림 18-19에 나타내었다. 신뢰성은 전송 특성면에서는 석영 섬유가 우수하고 이하 타성분 유리 섬유, 플라스틱과 유리의 복합체 섬유, 플라스틱 섬유의 순이다. 또, Step Index형은 SI, Graded Index형은 GI로 약칭하고 최근에는 GI형 석영 섬유가 많이 사용되고 있다. SI형과 GI형 광섬유 전송의 굴절율 구조는 그림 18-20과 같이 다르다. 결국, SI형은 광이 계단 형태로 GI형은 광이 선회하는 형태로 진행된다.

3. 광섬유의 구조

광섬유의 외경은 0.1~0.2mm로 매우 가늘고, 기계적인 신뢰성을 높이기 위해 그림 18-21과 같은 구조를 가지고 있다. (플라스틱 섬유는 제외) 유리 섬유의 위에 Polyamide를 피복한 것을 광섬유 심선, 그 위에 Vinyl-sheath를 보강하여 입힌 것을 광섬유 코드라 부르며 일반적으로 광섬유 심선을 취급하는 최소의 구조이다. 또한, 다심 케이블화하는 경우에는 기구내의 배선들을 광섬유 코드로 묶어서 사용하고 있다. 광섬유를 통신 실험으로 취급하는 것은 기계적 강도면에서 광섬유 코드가 적합하다. 그림 18-22는 석영 섬유의 제조 방법을 나타내고 있다.

광섬유를 다심화하는 경우에는 소위 Sheath를 입힌 케이블화이지만 광섬유 케이블은 통상의 케이블과는 다르며 그림 18-23과 같이 Tension Member를 갖는 구조로 되어 있다. Tension Member는 케이블 제조시나 시설 공사에 중요한 역할을 하는 것으로 이것이 없으면 광섬유 케이블이 성립되지 않는다. 또, 광케이블은 Tension Member의 재질, 동선 케이블의 유무, Sheath 구조 등에 의해 금속형과 비금속형이 있다. 비금속형은 가령 가까운 거리에 전력 케이블이 있어도 전혀 영향을 받지 않는 특징을 갖고 있어 많은 분야에 사용되고 있다.

4. 광섬유의 특징

광섬유는 전송 매개체를 주로 해서 절연체 역할을 하는 유리와 같은 절연체로 보호한 것으로 그림 18-24와 같은 특징을 갖는다.

5. 적외선 LED의 특징

1) LED(발광 다이오드)의 구동

E/O Converter에 사용되고 있는 적외선 LED는 그림 18-25에 나타낸 것과 같이 순전류-상대광도 특성을 갖고 있다.

그림 18-25의 특성으로부터 LED는 흐르는 전류에 거의 비례한 광 출력이 얻어지는 것을 알았다. 한편, 그림 18-26의 순전압-순전류 특성을 보면, LED의 인가 전압과 LED에 흐르는 순전류 사이에는 직선성이 없다. 그러므로 LED 구동 회로의 Feedback Loop에 LED를 포함시켜서, 직류 입력 전압과 순전류(발광 출력)가 비례하도록 하고 있다.

2) 전기 신호를 광 신호로 변환(LED의 직접 강도 변조)

LED의 발광 특성을 구동 회로로 제어하는 것에 의해 전기 신호의 변화에 의한 광출력의 강도 변조가 가능하게 된다. 그림 18-27은 LED의 입력 전압-광 강도 특성과 변조 방식의 Graph이다.

LED의 직접 강도 변조의 방법으로는 그림 18-27에 나타낸 것과 같이 디지털 변조와 아날로그 변조의 두 종류로 나누어진다. 디지털 변조는 디지털 TTL 신호 Level에 대응해서 0V일 때는 소등, 5V일 때에 점등 상태로 되고 전기 신호의 ON-OFF 또는 1, 0의 논리 상태를 LED 점등의 유무로 나타내는 변조 방식이다. 이 경우는 구동 회로를 직류 결합으로 해서 사용한다. 아날로그 변조는 LED의 직선성이 좋은 발광 특성을 이용해서 교류 신호의 파형과 같이 동일한 발광 강도를 얻는 방식이다. 파형의 Clipping이 없도록 적당한 Bias 전류(25mA)를 흐르게 하고, 구동 회로를 교류 결합으로 해서 사용한다.

3) 입력 신호의 종류

입력의 전기 신호로는 TTL/ANALOG 입력에 의해 0~5V DC의 직류 전압(아날로그 또는 TTL Level Pulse 신호) 또는, 5Vp-p의 최대 100kHz까지의 정현파 신호를 인가할 수 있다.

실제 회로의 구성설명

E/O Converter는 전기 신호를 광의 강약 신호로 변화시키는 변환기이다. 광통신 기술에 필요한 전기 신호를 광 신호로 변환시키는 원리를 이해하기 위해, 변환 소자로 Infrared LED(적외선 발광 다이오드)를 사용하였고, 그 전류를 0~50mA까지 변화시키도록 되어 있다. 또, 변환 기술의 응용으로 0~5V의 직류 또는 교류 신호, 0~5V의 TTL digital 신호를 LED에 의해 광의 강도 변조 신호로 변환시키고, 광섬유로 전송한다.

M-18의 회로-4는 OP Amp를 전압 비교기로 사용하여 입력된 전압의 크기에 따라 LED1, LED2가 점멸되도록 한 회로이다.

$$

R_4

를 조정하여 OP Amp의 비반전 입력으로 들어오는 입력전압에 대한 회로의 감도를 조정한다. 만일 입력전압이 OP Amp의 반전입력단자에 가해져 있는 전압보다 크다면 OP Amp의 출력은 (+)로 되고 따라서 TR은 ON이 된다. TR이 ON이 되므로 LED1과 LED2는 점등된다. 입력전압이 OP Amp의 반전 입력단자에 가해져 있는 전압보다 작다면 OP Amp의 출력은 (-)로 되고 따라서 TR은 OFF상태가 된다.