광섬유 굽힘손실 (Fiber Bend Loss)
쉽게 풀면
곧게 뻗은 광섬유에서는 빛이 코어 안에 잘 갇혀 있지만, 섬유를 구부리면 바깥쪽 가장자리를 도는 부분이 안쪽을 따라잡기 위해 빛의 속도보다 빨라야 하는 상황이 됩니다. 물리적으로 불가능하니 그 부분의 에너지는 더 이상 갇히지 못하고 밖으로 빠져나갑니다. 육상 트랙의 바깥 레인 주자가 안쪽 주자와 나란히 가려면 훨씬 빨리 달려야 하는 것과 같은 사정입니다. 곡률 반지름이 작아질수록 손실은 완만하게가 아니라 지수적으로 급격히 커집니다.
왜 중요한가
가입자망이나 데이터센터처럼 광섬유를 좁은 공간에 감아 넣는 환경에서 실제 손실 예산을 좌우하는 항목입니다. 굽힘손실은 파장이 길수록 커지기 때문에 감시 파장 선택에도 영향을 주고, 굽힘 둔감 광섬유 설계와 시공 불량 진단의 직접적인 근거가 됩니다.
논문에서는 이렇게 쓰입니다
굽힘손실은 곡률 반지름이 줄어들면 지수적으로 커집니다. 1550 나노미터에서는 모드가 더 넓게 퍼져 있어 같은 곡률에서도 짧은 파장보다 손실이 크게 나타납니다.
코어 바깥에 굴절률이 낮은 층을 두면 새어 나가려던 빛이 다시 안쪽으로 반사됩니다. 굽힘 둔감 광섬유에서 널리 쓰이는 대표적인 설계 방식입니다.
광시간영역반사측정 곡선에서 반사 피크 없이 계단처럼 내려앉는 부분은 굽힘이나 접속 손실의 특징입니다. 위치를 알면 시공 불량을 찾아낼 수 있습니다.
조금 더 깊게 보면
굽힘손실은 눈에 보이는 곡률에서 생기는 거시굽힘 손실과, 피복이나 케이블 제조 과정의 미세한 요철이 만드는 미세굽힘 손실로 나뉩니다. 거시굽힘 손실은 곡률 반지름에 대해 지수적으로 증가하며, 모드가 클래딩 쪽으로 얼마나 퍼져 있는지를 나타내는 모드필드 직경이 클수록 커집니다. 그래서 장파장일수록, 또 차단파장이 짧은 섬유일수록 불리합니다. 굽힘은 동시에 응력을 만들어 복굴절을 유발하므로, 편광에 민감한 시스템에서는 세기 손실뿐 아니라 편광 상태의 변동도 함께 고려해야 합니다.
주의할 점
굽힘손실은 재료 흡수나 산란과 달리 곡률에 따라 급변하므로 평균 감쇠 계수 하나로 뭉뚱그려 계산하면 안 됩니다. 또 굽힘 둔감 광섬유라 해도 무제한은 아니어서, 규정된 최소 곡률 반지름보다 작게 감으면 손실은 물론 피로 파단의 위험도 함께 커집니다.