Hot Tech - 광통신용 고신뢰성 자웅동체형 확장빔 커넥터 기술
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▲ 박창현 대표이사
엑스빔테크(주)
기술 개요
광섬유 기반의 통신 기술은 경량화, 대역폭, 전송거리, 전자파 내성, 데이터 무결성 및 보안성 등 구리선 통신보다 매우 강력한 장점으로 인해 응용 분야가 지속해서 확대되고 있다.
최근 국방, 우주항공 등 높은 신뢰성이 요구되어 기술도입이 매우 엄격한 사용처의 이더넷, 비디오, 고속 데이터수집 분야에서 기존의 한계를 극복하는 전기통신 성능이 요구되고 있으며, 광통신 적용 범위를 확대하고자 많은 노력을 기울이고 있다.
이러한 응용 분야에서 광통신 기술을 사용하기 위해서는 극한 환경에서 높은 신뢰성을 보장하는 고품질의 광소자가 요구된다.
특히 광전송장치와 광케이블 또는 광케이블 간의 연결에 사용되는 광커넥터는 광통신을 구성하는 필수 수동 소자로서 광케이블과 같이 유일하게 외부 환경에 직접적으로 노출되어 영향을 받는다.
따라서 사용 환경에 적합한 고품질 광커넥터의 선정과 올바른 사용은 전체 통신 시스템의 안전성을 유지하는 데 매우 중요한 요소가 된다.
일반적인 광커넥터는 대부분 물리적 접촉 방식의 구조를 가진다. 즉 연결되는 두 광섬유의 잘 연마된 끝 단면이 정밀하게 정렬되어 연접해 있어야 신호전송이 유지될 수 있는 구조이다.
이러한 커넥터 접속기술은 페룰 및 슬리브 등 광섬유를 상호 정렬하는 초정밀 부품들을 시장에서 손쉽게 구할 수 있으므로 우수한 광 특성을 가진 커넥터를 설계하고 구현하기에 충분히 발전되었다.
하지만 광통신의 적용 분야 확대로 인해 사용 환경 또한 다양해지고 이에 따른 다양한 물리적 요구 사양을 모두 충족시키는 데 한계점을 가진다.
예를 들어 국방 전술망의 경우, 극한 진동, 충격환경에 직접 노출되는 상황에서 신속한 통신망 전개, 잦은 변경 및 반복 결합에 높은 내구성이 요구된다.
아무리 전용 장비와 툴을 구비하더라도 사용자가 머리카락 두께의 유리섬유 연마 단면을 손상 또는 미세오염 없이 잘 정렬된 접촉 상태로 항상 유지하는 것은 매우 어려운 일이다.
이러한 제약은 그동안 국방 분야에 광통신을 적용하는 데 걸림돌이 되었으며 우주 항공, 철도, 채광, 오일 탐사, 방송 등 극한 환경에 노출되거나 높은 통신 신뢰성이 요구되는 다양한 산업 등에서 이런 문제를 극복할 수 있는 기술에 대한 요구가 늘어나고 있다.
이러한 문제점을 극복하기 위해 확장빔 광 결합 기술을 기반으로 하는 커넥터가 개발되었다.
확장빔 광결합 기술은 광도파 간의 광 전송시 결합부에 렌즈를 이용하여 전파 모드의 크기를 수백 배 확장하여 전송함으로써 기구적 정렬 허용 공차를 대폭 확대하는 기술이다.
이러한 방법은 오래전부터 잘 알려져 있어 활용됐지만 렌즈와 같은 추가적인 광부품이 필요하고 렌즈와 광섬유 간에는 매우 정밀한 정렬이 요구된다.
따라서 비교적 단순한 구조로 제작되어 높은 내구성이 요구되는 커넥터에 적용하기는 어려웠다. 그러나 최근 정밀가공 기술의 발달로 가공부품의 마이크로 단위의 정밀도 구현이 가능해져 단순한 구조로 렌즈와 광섬유의 정렬이 가능해졌다.
이로 인하여 십수 년 넘게 제자리걸음을 하던 확장빔 기술 기반의 광커넥터의 개발이 활성화되기 시작하였고, 2011년부터 엄격한 기술 검증이 요구되는 국방, 항공 산업에 확장빔 커넥터의 표준이 확립되면서 광통신 시스템 도입을 확산시켰다.
확장빔 커넥터 기술은 최초 개발 이래 수년이 지났으나, 아직 몇몇 선도기업만 상품화에 성공한 것으로 보아 기술 장벽이 높은 편이라 할 수 있다.
또한, 시장 형성 가격이 비교적 높고 광통신의 적용 범위 확대와 더불어 시장이 점점 확대되고 있어 성장기의 고부가가치 기술임이 분명하다.
확장빔 커넥터 기술
확장빔 커넥터는 일반적으로 두 개의 렌즈를 통해 일측의 광섬유 출력광이 확대 평행빔으로 성형되고 수신측 커넥터에서 다시 광섬유에 집속되어 신호가 전달된다(그림 2).
관련 기술의 특허를 참고하면, 렌즈는 일반적으로 볼렌즈 또는 GRIN렌즈를 이용할 수 있으나, 구조적으로 대칭 구조인 볼렌즈가 정렬이 유리하기 때문에 대부분의 상용화 기술은 볼렌즈를 이용한다.
볼렌즈는 내부의 일정한 굴절률을 가진 유리 재질이 이용되며 공기층과의 경계면에서 굴절을 일으켜 확산하는 광신호를 평행빔으로 성형하거나, 평행빔을 집속하여 광섬유에 전달한다.
이 구조의 광학적 해석은 볼렌즈의 반지름과 굴절률에 의한 초점의 위치만 고려하면 되므로 매우 간단하다.
또한, 빔의 굴절은 볼렌즈의 직경에 비해 상대적으로 작은 부분만 활용하기 때문에 구면수차 등의 결함에 의한 신호 손실은 무시될 수 있다.
이처럼 이론적으로 매우 간단한 구조라도 실제 기술을 구현하기 위해서는 매우 정밀하게 광 정렬이 이루어져야 하므로 부품의 가공부터 조립까지 높은 기술 노하우가 요구된다.
커넥터 간 확장빔 광 전송의 가장 큰 이점은 광 인터페이스의 오염에 의한 광 신호 손실을 현저히 감소시키는 것이다.
이러한 장점으로 전용 현미경과 별도의 세척 기구 없이 간단히 광 채널을 청소·관리할 수 있으며, 광 채널 간의 물리적 접촉이 없어서 잠재적인 기계적 마모 및 결함으로부터 벗어난다.
따라서 야전과 같이 극한 상황에서도 사용자에게 빠르고 손쉬운 관리방법을 제공하면서 반영구적 결합 수명을 구현할 수 있다.
그림 3은 광커넥터의 전송모드와 오염입자 크기를 상대적으로 나타내었다.
그림과 같이 접촉 방식의 광전송 모드의 경우 육안으로 관찰하기 어려운 미세먼지 하나만으로도 광신호가 100% 차단될 가능성을 가진다.
이러한 이유로 기존 광커넥터의 경우 전문 관리장비를 통해 조심스러운 세척 관리가 요구된다.
반면 확장빔 커넥터는 고운 모래 입자가 오염되더라도 신호일부만 차단되는 것을 알 수 있다.
전송모드를 차단할 정도의 오염은 육안 식별이 가능하므로 관리 방법이 매우 간편해진다.
또한 그림 4의 그래프를 참고하면, 확장빔 커넥터의 경우에 커넥터 간의 측방향 위치 오차에 따른 손실 값의 변화가 크게 둔감한 것을 확인할 수 있다.
이는 임의의 사용 환경에서 확장빔 커넥터가 기존 접촉방식보다 안정적으로 신호 전송이 가능한 것을 단적으로 보여준다.
그림 5는 확장빔 커넥터 제품의 내구성 확인을 위한 머드 시험 장면이다.
커넥터가 개방된 상태에서 광채널이 심하게 오염된 이후에도 간단한 세정 과정 후 곧바로 사용이 가능할 정도로 오염에 강한 특성을 실험적으로 확인할 수 있다.
이러한 편의성의 차이는 미항공 규격인 ARINC 문서를 통해서도 확인할 수 있다.
접촉방식의 커넥터 관리방법은 수 페이지에 걸쳐 복잡하게 기술되어 있으나 확장빔 커넥터는 매우 간단한 관리 방법만 제시되어 있다.
자웅동체형 광 커넥터 기술
일반적인 커넥터는 암수 구분을 하고 결합된다. 예를 들어 휴대전화에 연결되는 USB를 살펴보면, 휴대전화의 USB 타입 리셉터클에 전선과 연결된 USB 플러그를 꽂아 연결하는 것과 같다.
이처럼 장비 측에 구비된 리셉터클과 선과 연결된 플러그가 서로 결합되는 구조가 일반적이다.
이때 리셉터클과 플러그의 결합부 구조가 서로 다르므로 플러그-플러그 간의 연결은 불가능하다.
따라서 선을 추가로 연장해야 하는 경우, 플러그와 플러그 중간에 어댑터를 추가로 연결하거나, 특수하게 제작된 한쪽이 리셉터클로 구성된 어댑터 케이블 조립체를 사용해야 한다.
일반적인 전기 커넥터의 경우는 어댑터나 특수 케이블을 저렴하게 구할 수 있어 이러한 연결 구성은 어렵지 않게 해결할 수 있으나, 산업용 광커넥터에서는 이러한 어댑터 또는 케이블 조립체의 구현이 복잡하거나 많은 추가비용이 발생하게 된다.
자웅동체형 커넥터는 커넥터의 암수 구분이 없이 연결될 수 있는 커넥터를 말한다.
플러그 간 연결시 어댑터가 필요 없어 빠르고 손쉽게 케이블을 추가 연장하거나 기존 연결을 변경할 수 있으며 추가비용이 발생하지 않는다.
이러한 이점은 야전과 같이 현장에서 통신망 구성의 잦은 변경이 필요한 경우 매우 편리하다(그림 6).
자웅동체형 커넥터는 리셉터클과 플러그의 결합부가 대칭 구조를 이루도록 설계되어야 한다. 일반적으로 광 채널이 핀과 소켓으로 구분되는 접촉방식의 커넥터는 하나의 커넥터에 핀과 소켓이 같이 배치되기 때문에 복잡한 설계 구조를 가진다.
하지만 확장빔 커넥터의 경우 광 채널에 핀 소켓의 구분이 없고 대칭형 인서트 구조로 되어 있어 비교적 간단한 구조로 자웅동체 커넥터 설계가 가능하다(핀과 소켓으로 구분되는 광 채널로 구성된 확장빔 커넥터도 있으나, 여기서는 보다 일반적으로 상용화된 확장빔 인서트를 사용하는 커넥터를 기준으로 설명하였다.).
기계적, 광학적 성능을 만족하면서 같은 비용이라면, 사용자 입장에서는 통신망 구성의 자유도 및 편의성을 위해 자웅동체형 커넥터를 선택하는 것이 합리적일 것이다.
결론
확장빔 커넥터는 기존 접촉방식보다 커넥터 간 넓은 위치 공차, 간편한 관리방법, 강한 반복결합 내구성 등 많은 장점이 있으나 모든 면에서 유리한 것은 아니다.
렌즈를 이용하기 때문에 약간의 추가적 손실(~0.5㏈)이 불가피하며, 렌즈에 물방울이 맺힐 수 있는 습한환경에는 손실 값이 증가할 수 있다.
통신 시스템 설계자는 이러한 특징을 고려하여 사용 환경에 따라 적절한 커넥터를 선정하는 것이 중요하다.
그런데도 대부분의 열악한 환경에서 확장빔 커넥터가 편의성 및 내구성, 관리 비용 등에 이점을 갖는 것은 명확하다.
아직은 확장빔 커넥터의 생산비용이 비싸므로 텔레콤 및 데이터 컴 응용 분야에서의 사용은 제한적이나, 빈번한 결합 해제가 수행되고 외부 오염에 쉽게 노출될 수 있는 다양한 환경에 최적의 선택이 될 수있다.
현재 주요활용 분야로는 국방, 항공, 방송 등이 있고, 최근에는 커넥터 생산비용을 절감하여 높은 반복 결합 내구성이 요구되는 상업용 의료분야까지 시장이 확대되고 있으며, 응용분야 또한 지속해서 확대될 것으로 판단된다.