섬유 굽힘 손실 광섬유가 특정 반경 이상으로 구부러질 때 발생하는 신호 손실을 말합니다. 이 현상은 빛이 광섬유의 코어에서 클래딩을 통과하면서 새어 나가기 때문에 발생합니다. 광섬유가 구부러지면 빛은 코어와 클래딩 경계면에서 전반사를 일으킵니다. 그러나 굽힘 반경이 너무 작으면 일부 빛이 클래딩을 통해 빠져나가 손실이 발생합니다.

광섬유 굽힘 손실은 여러 요인에 따라 달라집니다.

굽힘 반경: 굽힘 반경이 작을수록 굽힘 손실이 커집니다. 이는 굽힘 반경이 작을수록 광선이 더 큰 곡률을 겪게 되어 클래딩을 통한 누출 가능성이 높아지기 때문입니다.

섬유 종류: 광섬유의 종류에 따라 굽힘 손실 특성이 다릅니다. 예를 들어, 단일 모드 광섬유는 일반적으로 다중 모드 광섬유에 비해 굽힘 손실이 적습니다.

파장: 굽힘 손실은 광섬유를 통해 전송되는 빛의 파장에 따라 달라질 수 있습니다. 일부 파장은 다른 파장보다 더 큰 굽힘 손실을 경험할 수 있습니다.

파이버 디자인: 광섬유의 설계(굴절률 분포 및 사용된 재료 포함)는 굽힘 손실에 영향을 미칠 수 있습니다.

코팅: 섬유에 적용되는 코팅의 종류와 품질은 섬유의 유연성과 굽힘 손실 저항성에 영향을 미칠 수 있습니다.

굽힘 손실을 최소화하려면 광섬유를 조심스럽게 다루고 과도한 굽힘, 특히 급격한 굽힘을 피하는 것이 중요합니다. 광섬유 케이블은 굽힘 손실을 줄이고 신호의 안정적인 전송을 보장하기 위해 보호층과 보강재로 설계되는 경우가 많습니다.

광섬유 응용 분야에서 더욱 복잡한 유형의 광 손실 중 하나는 미세 굽힘 손실입니다. 기기 및 광섬유의 발전과 함께 미세 굽힘 손실은 더욱 중요한 손실 요소로 대두되고 있습니다. 전기적 스위칭 대신 직접적인 광 스위칭 방식이 기기에 도입되면서 광섬유는 매우 작은 공간에서 장기간 스트레스를 받기 쉽습니다. 광섬유의 경우 코팅 두께를 줄이거나 클래딩 직경을 줄여서 가늘어지거나 직경이 작아질수록, 특히 다중 코어 광섬유의 경우 유효 클래딩 두께가 크게 감소하여 미세 굽힘 손실 발생 위험이 증가합니다.

미세 굽힘 손실과 거시 굽힘 손실은 문자 그대로 굽힘과 관련이 있지만, 손실 발생 메커니즘 측면에서 분명한 차이가 있습니다. 따라서 실제 적용에서는 손실의 성격에 따라 미세 굽힘 손실과 거시 굽힘 손실을 구분하는 것이 매우 중요하며, 이는 문제의 정확한 위치 파악과 해결 방법에 영향을 미칩니다.

1. 기하학적 변형 측면에서

미세 굽힘 손실은 광섬유의 미세한 변형으로 인해 발생하는 손실인 반면, 거시 굽힘 손실은 실제 굽힘으로 인해 발생하는 손실이며, 광섬유의 외경은 이상적인 상수로 유지됩니다. 이는 기하학적 측면에서 명확한 차이를 보여줍니다. 광섬유의 작은 변형은 광섬유의 길이 방향으로 기하학적 원주에 대한 고주파 섭동으로 간주할 수 있습니다. 이 섭동은 진폭과 주파수라는 두 가지 속성을 가집니다. 미세 굽힘 현상은 고주파 및 저진폭에서 발생합니다. 외부 교란을 모사할 수 있으며, 그 주파수와 진폭은 시간에 따라 무작위로 변화합니다. 이러한 무작위 변동에 대한 푸리에 변환을 취하면, 크기는 전력에 해당하며, 전력 스펙트럼 밀도와 공간 주파수 사이에는 상응하는 관계가 있습니다.

이는 직관적으로 이해하기 쉽고 정성적인 결론을 도출할 수 있습니다. 즉, 교란 주파수가 매우 높을 때는 광섬유의 변형이 균일하고 미세 굽힘 손실의 영향이 크지 않습니다. 그러나 교란 주파수가 매우 낮을 때는 실제 굽힘이 발생할 수 있으며 거시 굽힘 손실이 지배적입니다.

2. 손실 메커니즘으로부터

거시적 굽힘 손실에서는 광섬유 내 기본 모드(단일 모드 광섬유)의 모드 필드 분포가 굽힘 방향으로 확산되고, 클래딩 깊숙이 확산된 부분은 방사되어 점차 손실된다고 볼 수 있습니다. 미시적 굽힘 손실에서는 이상적인 광섬유를 통해 전파되는 기본 모드의 에너지 일부가 교란 조건 하에서 다양한 고차 모드로 결합됩니다. 전파 거리가 증가함에 따라 이러한 고차 모드에 의해 전달되는 에너지는 오란 10소자 광섬유 외부로 방사되며, 물론 기본 모드로 다시 결합될 수도 있습니다.

미세 굽힘 손실 분석은 일반적으로 모드 결합 이론을 기반으로 하며, 기본 관계는 다소 복잡합니다.

여기서 C는 기본 모드와 고차 모드 중 하나 사이의 결합 계수로, 유도 모드에서 고차 모드 또는 클래딩 모드(단일 모드 시나리오)로 결합되는 전력의 양을 나타냅니다. Qfiber는 직접적인 응력 하에서 광섬유의 교란을 나타내고, Qenv는 환경 변화 시 간접적인 응력 하에서의 교란을 나타냅니다. 미세 굽힘 손실을 유발하는 교란은 매우 무작위적이기 때문에 이 모델링 분석의 정확도를 확보하기는 어렵지만, 이 분석의 목적은 유용한 지침을 제공하는 것이며, 특정 시나리오에서는 추가 계수를 사용하여 시뮬레이션 결과를 근사화할 수 있습니다.

올샨스키는 초기 단계에서 관찰 관계를 연구하고 제안했습니다.

a - 코어 반경

b - 외장재 반경

델타 - 굴절률 차이

EE 폴리머 코팅의 탄성 계수

예: 광섬유 유리의 탄성 계수

대부분의 사용 사례에서 이러한 관계가 더 유용합니다.

3. 미세 굽힘 손실의 원인

미세 굽힘 손실의 주요 원인은 외부 요인입니다. 광섬유를 케이블 형태로 만들지 않고 그대로 사용하는 경우, 자유 공간에 외부 힘이 작용하지 않으므로 미세 굽힘 손실이 발생할 가능성이 없습니다. 광섬유 자체의 기하학적 불규칙성으로 인해 미세 굽힘 손실이 발생할 가능성은 있지만, 공장 출하 시 손실 테스트를 통과했으므로 광섬유 자체로 인한 미세 굽힘 손실의 영향은 무시할 수 있습니다. 여기서는 광케이블이나 장치에 외부 고정될 때 발생하는 광섬유의 미세 굽힘 손실 영향만을 고려합니다.

미세 굽힘 손실의 원인은 주로 세 가지 측면에서 비롯됩니다.

첫 번째는 광섬유 자체의 설계입니다. 광섬유 설계 자체는 미세 굽힘 손실의 원인이 아니지만, 미세 굽힘에 대한 민감도는 광섬유 설계 자체에 의해 결정됩니다. 광섬유 코어의 설계는 주로 MAC 값의 영향을 받습니다. 이는 올샨스키의 특징 공식과 일치합니다.

MAC 값이 작을수록 동일한 외부 교란 조건에서 미세 굽힘 손실이 작아집니다.

이는 특정 광섬유의 특성에 반영되는데, 일반적으로 G657 광섬유는 G652 광섬유보다 미세 굽힘 손실이 적습니다.

코어 반경을 줄이고 굴절률 차이를 늘리면 미세 굽힘 손실을 줄일 수 있지만, 다른 매개변수는 그대로 두고 하나의 매개변수만 변경하는 시나리오에서는 광섬유 매개변수와 광섬유 표준화 간의 상관관계가 존재할 가능성이 낮습니다. 하지만 이러한 추세는 계속되고 있습니다.

광섬유의 클래딩 설계 또한 성능 향상에 기여할 수 있습니다. 특정 홈 설계를 클래딩에 추가하면 미세 굽힘 손실의 파장 의존성이 크게 달라집니다.

그림에서 홈이 있는 광섬유의 미세 굽힘 손실의 파장 의존성은 표준 광섬유의 그것과 매우 다릅니다. 이 그림에서 표준 광섬유의 파장 의존성은 기존 데이터에서 약간 벗어나는데, 이는 미세 굽힘 손실이 평탄화된 홈이 있는 설계의 광섬유 때문입니다. 즉, 일반적인 문제 위치 파악 및 문제 분석 시 광섬유 설계를 고려해야 하며, 그렇지 않으면 경험에만 의존하는 것은 잘못된 결과를 초래할 수 있습니다. 요약하자면, 광섬유 설계는 미세 굽힘 손실을 최적화하며, 이는 특정 시나리오에서 유리합니다.

둘째로, 미세 굽힘 손실의 원인은 광섬유 케이블의 특성과 관련되어 있으며, 이는 더욱 복잡합니다. 광섬유 케이블의 종류가 너무 많고 설계가 매우 다양하기 때문에 복잡하지만, 특정 유형에 대해서는 비교적 쉽게 설명할 수 있습니다. 대표적인 예로 코팅의 영향을 들 수 있습니다. 직관적으로 생각해 보면, 광섬유를 보호하는 1차 방어선인 코팅은 효과적인 응력 전달자 역할을 합니다. 코팅을 응력 전달 함수로 간주할 때, 내부 탄성 계수가 작을수록, 그리고 외부 탄성 계수가 클수록 응력 전달 함수의 값이 작아지고, 이에 따른 미세 굽힘 손실의 영향도 작아집니다. 코팅의 직경이 클수록 미세 굽힘 손실의 영향은 더욱 두드러지게 나타납니다.

명백히, 900μm 직경의 광섬유는 250μm 광섬유의 미세 굽힘 손실보다 훨씬 작습니다. 또한 동일한 광섬유 케이블 설계에서 900μm 광섬유의 활동 영역은 작지만, 일반적인 상황에서는 케이블 내에서의 미세 굽힘 손실이 실제로 훨씬 작다는 것을 알 수 있습니다.

세 번째 요인은 케이블이 설치된 환경의 영향입니다. 미세 굽힘 손실은 매우 복잡하기 때문에 현재 표준화된 시험 방법이 없으며, 일반적으로 IEC/TR62221에서 제공하는 시험 방법을 그대로 사용합니다. 이 경우 환경적 교란을 정확하게 파악하기 어렵습니다. 특정 시험 방법, 시험 환경 및 시험 장비를 사용하더라도 설치 위치에 따라 결과가 달라질 수 있습니다. 따라서 서로 다른 시험 기관과 시험 방법의 결과를 직접 비교할 수는 없으며, 모두 정성적인 비교에 그칩니다. 이러한 시험 결과는 개별적으로 평가해야 합니다.