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싱글모드와 멀티모드 광섬유의 차이점

싱글모드 광섬유는 코어 직경이 약 9 µm로 가늘고 빛이 하나의 모드로만 진행하므로, 모드에 따른 속도 차이(모드 분산)가 없어 수십 km 이상의 장거리나 고속 통신에 사용됩니다. 멀티모드 광섬유는 코어 직경이 50 µm나 62.5 µm로 굵고 다수의 모드가 동시에 진행하므로, 모드 분산 때문에 도달 거리가 수십~수백 m 정도로 제한됩니다. 대신 850 nm VCSEL 같은 저렴한 광원을 사용할 수 있고 정렬도 쉬워서 데이터센터나 건물 내부의 짧은 연결에 적합합니다.

비교 항목싱글모드 광섬유멀티모드 광섬유
코어 직경(기준값)약 9 µm(클래딩은 125 µm)50 µm 또는 62.5 µm(클래딩은 125 µm)
전파되는 모드 수하나뿐수백~천 개 정도의 모드가 동시에 전파됩니다
주요 파장1310 nm(O 밴드)와 1550 nm(C 밴드)주로 850 nm 부근
주요 광원단면 발광 반도체 레이저(DFB 레이저 등). 가는 코어에 빛을 좁혀 넣습니다VCSEL(면발광 레이저). 이전 세대에서는 LED도 사용되었습니다
모드 분산없음. 다만 파장 분산이 거리에 따라 영향을 줍니다(1310 nm 부근에서는 거의 0)있음. 코어의 굴절률을 완만하게 바꾼 그레이디드 인덱스형으로 줄이고 있지만, 대역과 거리를 제한합니다
손실(기준값)1310 nm에서 약 0.35 dB/km, 1550 nm에서 약 0.2 dB/km850 nm에서 약 2.5~3.5 dB/km
도달 거리(기준값)수백 m~수십 km. 광증폭기를 쓰면 수천 km 이상10 Gbit/s에서 수백 m 정도, 25 Gbit/s 이상의 레인에서는 약 100 m 이하
정렬까다로움. 서브 µm의 정밀도가 필요하며, 액티브 얼라인먼트를 하는 경우도 많습니다느슨함. 코어가 굵어 광원이나 수광기와의 결합이 쉽습니다
비용광섬유 자체는 저렴하지만, 레이저나 광 트랜시버, 실장이 비싸지기 쉽습니다광섬유는 약간 비싸지만, 광원과 실장이 저렴해 단거리에서는 전체 비용이 낮아지기 쉽습니다
주요 용도장거리·도시 간 통신, 가입자 회선(FTTH), 건물 간이나 데이터센터 내의 수백 m~km급 연결데이터센터 내 랙 간, 건물 내 LAN, 스토리지 연결 등 단거리 연결

수치는 대략적인 자릿수 기준이며, 공정 세대와 제품에 따라 달라져요.

상황별 선택 기준

싱글모드 광섬유
수백 m를 넘는 거리나 향후 고속화를 내다보는 배선. 장거리 통신, 가입자 회선, 데이터센터의 건물 간이나 스위치 간 연결. 파장 다중화(WDM)로 한 가닥에 많은 신호를 싣고 싶을 때.
멀티모드 광섬유
같은 방이나 같은 건물 안 등 대략 100 m 이하의 짧은 연결을 저렴하게 구성하고 싶을 때. 850 nm VCSEL을 사용하는 광 트랜시버와 조합합니다.
추세
레인당 속도가 올라갈수록 멀티모드로 도달할 수 있는 거리가 짧아지므로, 데이터센터 안에서도 싱글모드를 사용하는 범위가 넓어지고 있습니다.

자주 묻는 질문

멀티모드 광섬유는 왜 멀리까지 도달하지 못하나요?

코어가 굵어 다수의 모드(빛의 경로)가 동시에 진행하기 때문입니다. 모드마다 진행 거리와 속도가 조금씩 달라서, 출발할 때는 같았던 펄스가 도착할 때는 시간적으로 퍼져 버립니다(모드 분산). 빠른 신호일수록 펄스 간격이 짧으므로 도달 거리가 짧아집니다.

싱글모드 광섬유가 더 비싼가요?

광섬유 자체는 오히려 싱글모드가 더 저렴한 편입니다. 비싸지기 쉬운 것은 광 트랜시버 쪽으로, 약 9 µm의 가는 코어에 빛을 넣기 위해 출력이 안정된 레이저와 서브 µm 정밀도의 정렬이 필요합니다. 짧은 거리에서는 VCSEL을 쓸 수 있는 멀티모드가 링크 전체로 더 저렴한 경우가 많습니다.

멀티모드 광섬유에서는 왜 850 nm 빛을 많이 사용하나요?

850 nm 부근의 VCSEL은 저렴하게 대량 생산할 수 있고, 웨이퍼 상태로 검사할 수 있으며, 멀티모드 광섬유와의 결합도 쉽기 때문입니다. 멀티모드 광섬유도 이 파장에서 대역이 넓어지도록 만들어져 있습니다.

싱글모드 광섬유에서는 모드 분산 외에 무엇이 거리를 제한하나요?

손실과 파장 분산입니다. 손실은 1550 nm 부근에서 최소(약 0.2 dB/km)가 되고, 표준 싱글모드 광섬유의 파장 분산은 1310 nm 부근에서 거의 0이 됩니다. 장거리에서는 광증폭기로 손실을 보완하고, 분산은 보상이나 신호 처리로 대처합니다.

이해도 확인

파장 850 nm 부근의 VCSEL과 다중 모드 광섬유를 조합한 광 연결의 특징으로 올바른 것은?

  1. A부품이 저렴하고 위치 맞춤도 쉽지만, 도달 거리는 수십~수백 m 정도의 단거리로 제한된다
  2. B광섬유의 손실이 최소가 되는 파장 대역을 사용하므로, 수백 km를 넘는 장거리 통신의 주류가 되어 있다
  3. C실리콘이 850 nm의 빛을 잘 통과시키므로, 실리콘 도파로와 직접 연결해 사용하기에 최적이다
정답과 해설 보기

정답: A. 부품이 저렴하고 위치 맞춤도 쉽지만, 도달 거리는 수십~수백 m 정도의 단거리로 제한된다

VCSEL은 웨이퍼 상태로 검사할 수 있고, 저렴하게 양산할 수 있으며 소비 전력도 작은 면발광 레이저입니다. 다중 모드 광섬유는 코어 직경이 50 µm 등으로 굵기 때문에 위치 맞춤이 쉽습니다. 그래서 서버와 스위치를 잇는 랙 내부나 랙 간의 짧은 연결에 널리 사용되어 왔습니다. 한편 다중 모드 광섬유에서는 여러 전달 방식(모드)으로 도착 시간이 어긋나는 모드 분산이 일어나기 때문에, 고속이 될수록 거리가 짧아지며(1레인 100 Gb/s급에서는 OM4 광섬유로 50~100 m 정도, OM3에서는 더 짧음), 850 nm에서는 광섬유의 손실도 약 3 dB/km 전후로 큰 편입니다. 실리콘은 850 nm의 빛을 흡수하므로 도파로에 사용할 수 없습니다.

데이터센터 내의 비교적 짧은 거리의 광 연결에서 파장 1.31 µm 부근(O밴드)이 자주 사용되는 이유로 올바른 것은?

  1. A광섬유의 손실이 전체 파장 중에서 가장 작아, 증폭기 없이 수천 km까지 도달하기 때문에
  2. B표준 단일 모드 광섬유의 파장 분산이 거의 0이어서, 고속 신호의 파형이 잘 무너지지 않기 때문에
  3. C실리콘의 밴드갭과 같은 에너지의 빛이므로, 광검출기에 실리콘을 그대로 사용할 수 있기 때문에
정답과 해설 보기

정답: B. 표준 단일 모드 광섬유의 파장 분산이 거의 0이어서, 고속 신호의 파형이 잘 무너지지 않기 때문에

파장 분산은 파장에 따라 광섬유 속을 진행하는 속도가 조금씩 달라서 빛의 펄스가 퍼지는 현상입니다. 표준 단일 모드 광섬유에서는 1.31 µm 부근에서 분산이 거의 0이 되므로, 분산을 보상하는 처리 없이 고속 신호를 수 km~10 km 정도까지 보내기 쉬워 데이터센터용 광 트랜시버의 대부분에서 사용되고 있습니다. 손실이 최소인 것은 1.55 µm 부근(약 0.2 dB/km)이며, 1.31 µm에서는 약 0.3~0.35 dB/km로 약간 큰 편입니다. 1.31 µm의 광자 에너지는 약 0.95 eV로, 실리콘에서는 흡수되지 않습니다.

장거리 광섬유 통신에서 파장 1.55 µm 부근(C밴드)이 널리 사용되는 주된 이유는?

  1. A석영 광섬유의 손실이 가장 작아지는 파장 대역이기 때문에
  2. B실리콘이 빛을 가장 강하게 흡수하여 광검출기를 만들기 쉬운 파장 대역이기 때문에
  3. C파장 분산이 0이 되어 펄스가 전혀 퍼지지 않는 파장 대역이기 때문에
정답과 해설 보기

정답: A. 석영 광섬유의 손실이 가장 작아지는 파장 대역이기 때문에

석영(SiO2) 광섬유의 손실은 짧은 파장에서는 레일리 산란, 긴 파장에서는 적외선 흡수로 증가하기 때문에, 그 사이인 1.55 µm 부근에서 최소(약 0.2 dB/km)가 됩니다. 100 km를 진행해도 손실은 약 20 dB에 그치고, 어븀 첨가 광섬유 증폭기(EDFA)로 빛인 채로 증폭할 수 있다는 점도 장거리 통신에 C밴드가 사용되는 이유입니다. 표준 단일 모드 광섬유에서 파장 분산이 거의 0이 되는 것은 1.31 µm 부근(O밴드)이며, 1.55 µm에서는 분산이 남습니다. 실리콘은 이 파장을 거의 흡수하지 않습니다.

  1. VCSEL(수직 공진기 면발광 레이저)의 특징으로 올바른 것은?
  2. 단일 모드 광섬유를 실리콘 광 칩에 고정할 때, 레이저광을 실제로 통과시켜 출력을 측정하면서 위치를 맞추는 액티브 얼라인먼트가 자주 사용되는 이유는?

실리콘 포토닉스 문제 풀기

주요 용어 설명

단일 모드 광섬유
1개의 전파 모드만 통과시키는 광섬유로, 코어 지름은 약 9 µm. 모드에 따라 전달 속도가 다른 데서 오는 펄스 퍼짐(모드 분산)이 없으므로 장거리나 고속 통신에 사용된다.
VCSEL(수직 공진 표면 발광 레이저)
기판에 수직 방향으로 빛을 내는 반도체 레이저. 웨이퍼 상태로 검사할 수 있고 2차원 배열이 쉬워 데이터 통신과 얼굴 인식의 광원 등에 사용된다.
색분산(Chromatic Dispersion)
빛의 진행 속도가 파장에 따라 조금씩 다르기 때문에 광섬유 안에서 빛의 펄스가 퍼지는 현상. 표준 단일 모드 광섬유에서는 1.31 µm 부근에서 거의 0, 1.55 µm에서는 약 17 ps/(nm·km)가 된다.
O 밴드
광섬유 통신에서 사용하는 파장 1260~1360 nm 부근의 대역. 표준 단일 모드 광섬유의 색분산이 거의 0이 되는 1.31 µm 부근을 포함하며, 데이터 센터 내부 등 단거리 연결에 자주 쓰인다.
C 밴드
광섬유 통신에서 사용하는 파장 1530~1565 nm 부근의 대역. 석영 광섬유의 손실이 최소(약 0.2 dB/km)가 되고 어븀 첨가 광섬유 증폭기(EDFA)로 증폭할 수 있어, 장거리 통신이나 고밀도 파장 분할 다중화(DWDM)에 사용된다.

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