모드분산 (Modal Dispersion)
쉽게 풀면
넓은 통로에서는 사람들이 곧게 걷기도 하고 지그재그로 걷기도 합니다. 곧게 걷는 사람은 빨리 도착하지만, 지그재그로 걷는 사람은 실제로 걸은 거리가 더 길어서 늦게 도착합니다. 다중모드 광섬유 안에서 빛도 마찬가지로 코어의 중심을 곧게 지나가는 빛(모드)과 벽에 여러 번 반사되며 지그재그로 지나가는 빛(모드)이 함께 존재하는데, 이들이 실제로 이동하는 거리가 다르기 때문에 도착 시간이 서로 달라집니다. 이렇게 여러 모드의 도착 시간 차이로 신호가 퍼지는 현상을 모드분산이라고 합니다.
왜 중요한가
모드분산은 다중모드 광섬유를 이용한 통신에서 전송 거리와 대역폭을 제한하는 주요 요인이기 때문에, 근거리 통신망이나 데이터센터 내부 광링크를 설계할 때 반드시 고려해야 하는 특성입니다. 이 문제를 줄이기 위해 경사형 굴절률 광섬유와 같은 구조가 개발되기도 했습니다.
논문에서는 이렇게 쓰입니다
여러 모드의 도착 시간 차이로 인해 신호가 얼마나 퍼지는지를 실제로 측정했다는 의미입니다.
굴절률 구조를 개선해 모드 간 도착 시간 차이를 줄이는 데 성공했다는 뜻입니다.
조금 더 깊게 보면
모드분산은 원리적으로 단일모드 광섬유에서는 발생하지 않으며, 오직 여러 모드가 함께 전파되는 다중모드 광섬유에서 나타나는 현상입니다. 계단형 굴절률을 가진 다중모드 광섬유는 모드분산이 비교적 크고, 경사형 굴절률 광섬유는 각 모드의 실효 속도를 조정해 도착 시간 차이를 줄이는 방식으로 이 문제를 완화합니다. 모드분산은 다중모드 광섬유에서 여러 전파 모드가 서로 다른 각도(또는 유효굴절률)로 진행하면서 코어를 통과하는 시간이 모드마다 달라져 펄스가 시간축으로 퍼지는 현상으로, 재료 자체의 파장 의존적 굴절률 변화로 생기는 색분산과는 원인이 다릅니다.
주의할 점
모드분산과 색분산은 서로 다른 원인에서 발생하는 별개의 현상이므로, 신호 왜곡의 원인을 분석할 때 두 가지를 구분해서 고려해야 합니다.
단일모드 광섬유는 하나의 모드만 전파하므로 모드분산이 원리적으로 존재하지 않는 반면, 다중모드 광섬유는 이 분산 때문에 전송 대역폭이 단일모드보다 훨씬 낮아 장거리 통신보다는 근거리 링크에 주로 쓰입니다.