Recent growth of internet usage, on-line works and on-line services make local area network (LAN) provide gigabit transmission capacity. Gigabit Ethernet using multi-mode fiber (MMF) is developed for 1 Gb/s capacity and 300 m distance LAN, however now LAN demands not only large capacity but also long distance. Next generation LAN will connect several building or make up Ethernet back-born network, so capacity must be 10 Gb/s and distance will be longer than 300 m. Gigabit Ethernet cannot be used such application because of small bandwidth of MMF. Bandwidth of MMF is limited by modal delay, but single-mode fiber (SMF) has only one mode has large bandwidth. SMF can be one solution of next generation LAN, but optical parts for SMF too expensive to be used in LAN. Cost of optical parts mainly depend on coupling cost, and small core size of SMF make it expensive.
Quasi-single-mode fiber (QSMF) was proposed for cost effective implementation of next generation LAN. QSMF has larger core size than SMF, which make coupling cost be reduced. Bandwidth of QSMF is limited by modal delay like MMF, but optimizing index profile can reduce modal delay to support 10 km distance.
In this thesis, we compared conventional mode solving methods, and find a suitable mode solving method for QSMF design. We also design various types of QSMF with selected mode solving method. Analytic mode solving and numerical solving methods are compared, and we selected direct mode solving method which numerically calculating differential equation for QSMF design. We designed QSMF with graded-index profile which is good for coupling, and two-step-index profile which can be manufactured ins various processes.
최근 인터넷 사용량의 증가와 기업, 학교의 업무 전산화에 따라 기존의 기간망과 가입자망뿐만 아니라 근거리 통신망에서도 광섬유를 이용해 넓은 대역폭을 제공하려는 연구가 활발히 진행되고 있다. 기존의 근거리 통신망은 이더넷으로 알려져 있으며 300 m 거리에 100 Mb/s의 전송용량을 제공한다. 현재는 다중모드 광섬유를 이용하여 근거리 통신망의 전송용량을 1 Gb/s이상으로 늘린 기가비트 이더넷에 대한 표준안이 개발되었다. 그리고 최근에는 근거리 통신망의 전송용량을 10 Gb/s까지 늘리며, 동시에 전송거리도 300 m이상 늘리려는 연구도 활발히 진행되고 있다.
기존의 기가비트 이더넷이 1 Gb/s의 신호를 300 m 밖에 못 보내는 것은 기가비트 이더넷에서 사용하는 다중모드 광섬유의 전송거리와 용량에 한계가 있기 때문이다. 다중모드 광섬유는 데이터가 여러 모드로 나누어 전달하며 이들 모드간의 속도차이에 의해 모드 색분산이 발생한다. 이로 인하여 다중모드 광섬유의 전송거리와 용량에 제한이 생기게 된다. 반면 단일모드 광섬유는 광섬유 내의 하나의 모드만 존재하여 모드 색분산에 의한 전송거리와 용량의 제한이 없다. 이러한 단일모드 광섬유를 근거리 통신망에서 사용하지 않는 것은 단일모드 광섬유를 사용할 경우 광부품의 가격이 비싸 경제적이지 못하기 때문이다. 단일모드 광섬유의 코어 지름은 8 ~ 10 ㎛으로 매우 작으며, 따라서 광소자에서 나오는 빛을 코어에 인가하기 어려우며, 많은 비용이 필요하다. 이러한 이유로 전송거리와 전송용량이 제한되더라도 근거리 통신망에서는 다중모드 광섬유를 사용한다.
근거리 통신망의 전송거리와 전송용량을 경제적 늘리기 위해 단일모드 광섬유의 경제성과 다중모드 광섬유의 전송거리, 전송용량을 보완한 유사단일모드 광섬유가 제안되었다. 제안된 광섬유는 단일모드 광섬유에 비해 코어의 크기가 커서 다중모드 광섬유처럼 소자와 광섬유의 연결이 쉽다. 따라서 단일모드 광섬유를 사용할 경우에 비해 광부품의 가격이 낮아지는 장점이 있다. 반면 유사단일모드 광섬유는 다중모드로 동작하면서 여러 모드가 존재하여 전송거리와 용량이 제한된다. 그러나 모드간 속도차이를 최소화하여 목표로 하는 근거리 통신망 내에서는 단일모드 광섬유처럼 성능에 제한 없이 사용할 수 있다.
본 논문에서는 기존의 광섬유 분석방법을 비교하고 새롭게 제안된 유사단일모드 광섬유의 설계에 적합한 분석방법을 살펴보았다. 그리고 이를 바탕으로 실제 유사단일모드 광섬유의 굴절률 형태를 설계하였다. 광섬유 분석방법은 굴절률 형태에 따라 이론적인 분석과 수치해석적인 분석 모두 살펴보았다. 그리고 기존의 많이 사용되던 계단형 굴절률 형태과 언덕형 굴절률 형태을 가지는 유사단일모드 광섬유를 설계하였다. 또한 새로운 형태로 이중 계단형 굴절률 형태의 유사단일모드 광섬유도 설계하였으며, 이들의 특징을 비교하였다.
