광섬유의 특성 실험[광학 정반] 

 - 광섬유의 특성 실험에서는 밴딩 손실, 스플라이스 손실, 개구 수 등의 광 파이버의 특성을 이해할 수 있는 실험을 할 수 있다. 

 - 멀티모드 광섬유와 다이오드 레이저(650nm, 3mW)를 이용하는 실험이다.
 - 광섬유 커플러는 레이저 광원으로 부터 나오는 빛을 광섬유에 효율적으로 집광시켜 전송할 수 있게한다

1) 광섬유 소개

광섬유는 중심부에 굴절률이 높은 유리로 바깥 부분은 굴절률이 낮은 유리로 되어 있는 머리카락 굵기 정도의 섬유를 말한다. 광섬유는 빛을 손실 없이 전달하기 위해 만들어졌으며 중앙을 코어(core)라고 부르고 바깥쪽을 클래딩(cladding)이라고 부른다.

코어의 굴절률은 클래딩보다 크며 빛은 굴절률이 큰 매질에서 작은 매질로 진행할 때 매질과 매질의 경계면에서 전반사가 일어난다. 광섬유는 전반사의 원리를 이용하는 정보통신 방법이다. 

2) 광성유의 특성 실험

광섬유의 특성 실험에서는 몇 가지 실험을 통해 광섬유의 다양한 특징에 대해 알아볼 수 있다. 또한 광섬유에는 크게 단일모드 섬유와 다중모드 섬유가 있다.

-단일모드 섬유: 단 하나의 광선을 이용하는 광섬유

-다중모드 섬유: 빛이 여러 개의 펄스로 다중 경로를 그리며 코어를 통과하는 광섬유

[실험1] 다중모드 섬유의 개구수(NA) 측정

개구수(NA)란 광학계에서 빛을 받아들이거나 내보내는 입사각의 특징을 지닌 차원이 없는 수이다. 광섬유에서의 개구수는 광섬유 내에서 전반사 조건을 만족하며 광원으로부터 빛을 얼마나 받을 수 있는지를 수치로 나타낸 값이다. 개구수가 큰 광섬유일수록 광원과의 결합이 용이하다. 

NA=sinθ_a

*θ_a:최대 입사각

[실험2] 다중모드 섬유의 밴딩 손실 측정

밴딩은 물체를 구부리거나 곡률을 변화시키는 것이다. 광섬유가 휘어질 때 코어과 클랜딩 사이의 경계면이 임계각 보다 커야 전반사가 잘 일어나는데 이때 임계각 보다 작아지면 빛은 잘 전달되지 못하고 손실되는 현상이 발생한다. 이렇게 광섬유의 휘어짐 및 구부러짐에 의해 발생할 수 있는 빛의 손실을 밴딩 손실이라고 부른다. 

이 실험에서는 반경이 다른 다중모드 섬유의 밴딩 손실에 대해 확인한다. 광섬유를 다양한 직경의 특정 회전수로 구부릴 때 직경에 따라 손실이 발생 또는 감소하는 것을 확인한다.

[실험3] 다중모드 섬유의 스플라이싱(splicing) 손실의 상대적 측정

광섬유에서 스플라이싱 손실은 광 섬유와 섬유 간의 연결이 불완전하여 일어나는 손실로 여러 요인에 의해 발생한다. 스플라이싱 손실을 최소화하기 위해서는 섬유 코어가 완벽하게 정렬되어야 하며 접촉 부분의 마감이 적절해야 하며 먼지가 없어야 한다. 수신 섬유의 코어에 접속이 안전한 빛만 전파되기 때문에 불안전한 코어의 빛은 모두 손실된다. 

[실험4] 단일모드 섬유의 개구수(NA) 측정 * [실험1] 내용 참고

[실험5] 단일모드 섬유 V number 또는 정규화 주파수 계산

광섬유 내에 존재할 수 있는 전파모드의 수는 정규화된 주파수이며 V값으로 표현할 수 있다. 

V값은 광섬유의 직경이 d이고 주어진 파장이 λ 일 때 다음과 같은 관계식으로 표현할 수 있다. 

V=πd/λ √(〖n_1〗^2-〖n_2〗^2 )

⟹V=πd/λ NA

*n_1: 코어의 최대 굴절률

*n_2: 클래딩의 최대 굴절률

즉, 개구수와 코어 직경이 크고, 파장이 작을수록 광섬유 내 전파모드의 수는 커진다. 

[실험5] 단일모드 섬유의 모드 필드 직경(MFD) 계산

모드 필드 직경(MFD)은 단일모드 섬유 내에서 전파되는 광 에너지의 직경을 말한다. 모드 필드 직경은 코어에서 클래딩의 일부까지 미치는 전력밀도가 1/e^2 인 지점이다. 이 실험을 통해 단일 모드 섬유의 경우 최고 출력은 코어의 중심이라는 것을 확인할 수 있다. 

광섬유의 특성 실험을 통해 단일모드 섬유와 다중모드 섬유를 이해하고 밴딩 손실 및 스플라이싱 손실을 확인하며 광섬유에서 나타날 수 있는 빛의 손실에 대해 확인한다. 또한 개수구, V값, 모드필드 직경 등의 광섬유의 특징에 대해 확인할 수 있다.