KR20060132993A - 통신시스템 및 누설 광화이버 - Google Patents

Abstract

이동체 등과의 통신과 같이 가늘고 긴 통신범위에서의 고속, 고품질의 통신을 실현한 통신시스템을 제공함과 동시에, 그러한 통신시스템에서 이용하여 적합한 누설 광화이버를 제공한다.

광화이버(2)는, 중심의 굴절률이 크고, 주변을 향함에 따라서 서서히 굴절률이 낮아지도록 코어가 구성된 GI형의 광화이버로서, 산란체를 혼입해 둘 수 있다. 송신기(1)로부터 광화이버(2)로 변조광이 입사하면, 변조광은 광화이버(2) 내를 진행하지만, 일부가 광화이버(2)의 측면으로부터 누설한다. 수신기(3)는, 이 누설광을 수광하고, 복조하여 정보를 얻는다. 광화이버(2)가 GI형이기 때문에, 파형의 무디어짐이 적어, 고속, 고품질의 이동통신이 가능하다.

Description

통신시스템 및 누설 광화이버{COMMUNICATIONS SYSTEM AND LEAKAGE OPTICAL FIBER}

본 발명은, 이동체와의 통신 등과 같이, 가늘고 긴 영역에서 통신을 행하기 위한 통신시스템과 그 통신시스템에 이용하는 광화이버에 관한 것이다.

이동통신 등과 같이 가늘고 긴 통신범위에서 정보를 송신하는 기술로서, 종래부터 누설 동축케이블(LCX: Leaky Coaxial Cable)을 이용하여 전파에 의한 통신을 행하는 기술이 있다. 누설 동축케이블은, 동축케이블의 외부 도체에 슬롯을 주기적으로 설치하여, 케이블의 내부를 전파하는 VHF대의 전파의 일부를 외부에 복사시키도록 한 것이다. 복사전계는, 거의 원대칭으로 되어 있고, 발생한 전계를 이용하여 케이블의 주위에서, 도로, 철도 등의 한정된 범위의 통신에 이용되고 있다.

그러나, 이 기술은, 고주파에서 감쇠가 커진다고 하는 결점이나, 통신속도가 늦다고 하는 결점이 있다. 예를 들면 신칸센(일본의 고속철도)에서 실용화되어 있는 기술에서는, 1채널의 통신속도는 64kbps로서, 40채널을 이용하여 통신을 행하므로, 합계 2.56Mbps 정도의 통신속도이다. 이 통신속도는, 현재의 지상의 유선방식과 비교하면 훨씬 늦다.

한편, 고속, 대용량의 통신을 행하기 위한 전송로로서, 광화이버가 많이 이 용되고 있다. 광화이버의 종류로서 크게 나누어 2종류가 있고 Step Index형(SI형) 광화이버와 Graded Index형(GI형) 광화이버가 있다. 도 11은, SI형 광화이버의 설명도이다. SI형 광화이버는, 굴절률이 코어와 클래드(도 11에서는 코어만을 나타내고, 클래드는 생략되어 있다)의 경계면에서는 확실히 둘로 나뉘어져 있고, 빛은 코어의 경계면에서 스넬의 법칙에 따라서 전반사하면서 화이버 내를 진행한다. 빛의 궤적이 중심선가를 지나, 경계면에 반사하지 않고 진행한 경우에, 제일 빠른 시간에 출구에 가까스로 도착한다. 그러나, 경계면에서 복수회 반사하면서 진행한 경우, 궤적이 중심선보다 길기 때문에, 출구에 가까스로 도착하는 시간이 길게 걸리게 된다.

이와 같이 다양한 방향에서 진행한 빛이 출구에서 섞이므로, 도 11에 나타낸 바와 같이, 모처럼의 입구에서는 짧아서 샤프했던 광펄스도 출구에 가까스로 도착하면 그 신호의 상승속도, 하강속도가 늦어져 버려, 결과적으로 고속의 데이터 통신을 행할 수 없다.

도 12는, Gl형 광화이버의 설명도이다. Gl형 광화이버에서는, 도 12에 나타내는 바와 같이, 중심의 굴절률이 크고, 주변을 향함에 따라서 서서히 굴절률이 낮아지도록 구성되어 있다. 이러한 구성에 의해서, 빛의 궤적은 굴절률의 변화에 따라 완만하게 사행(蛇行)한다. 게다가 여러 가지 방향을 가진 궤적의 빛이 같은 타이밍으로 말단까지 운반된다고 하는 특성을 가지고 있다. 즉, 빛의 궤적이 중심을 지나 진행한 경우와, 크게 사행하여 진행한 경우로, 궤적의 길이는 다르지만, 전파시간을 같게 할 수 있다. 따라서, 일끝단으로부터 입사한 짧아서 샤프한 광펄스는 출구에 가까스로 도착해도, 그 파형은 거의 변형되지 않고 보존된다. 그 결과, 고속의 데이터통신을 행할 수 있고, 또한 전송거리를 늘리지 않을 수도 있다.

이러한 광화이버를 이용한 통신은, 빛을 이용하여 데이터를 통신선의 끝단으로부터 끝단까지, 빛을 누설시키지 않고 송신하는 것을 목적으로 하는 것이다. 빛이 누설되면, 그것은 전송손실이 되기 때문에, 얼마나 빛을 누설시키지 않고 끝단으로부터 끝단까지 빛을 보낼지가, 광화이버의 중심적인 기술이었다.

종래의 광화이버 기술에서는, 통신용으로서는 끝단으로부터 끝단까지 빛을 보내는 것이 제 1 의이며, 가능한 한 빛이 누설되지 않게 하고 있다. 반대로, 빛이 누설되어 버리는 광화이버는 통신용으로서는 이용되는 일은 없고, 그러한 누설광을 조명이나 디스플레이 등에 응용하는 것이 생각되고 있을 뿐이다.

도 13은, 조명용의 광화이버의 일례의 설명도이다. 도면 중, 41은 SI형 광화이버, 42는 산란체이다. 조명용의 광화이버로서는, 예를 들면 도 13에 나타내는 바와 같이, SI형 광화이버(41)에 산란체(42)를 혼입하고, SI형 광화이버(41) 내에서 빛을 산란시켜, 주위로부터 빛을 누설시키고 있다. 이것에 의해서 누설하는 광량을 늘릴 수 있다. 또한, 다른 방법으로서, 코어의 측면에 백색의 페인트나 필름을 밀착시켜, 코어의 경계면에서 빛을 산란시켜서 외부에 누설시키는 방법 등도 있다.

이러한 빛을 누설시키는 광화이버에 있어서는, 상술한 바와 같이 조명이나 디스플레이 등에의 응용은 생각되고 있지만, 통신에 사용하는 것은 생각되고 있지 않았다.

또한, 상술한 바와 같은 빛을 누설하는 광화이버를 통신에 이용해도, 고속의 통신을 행할 수 없다. 도 14는, 조명용의 광화이버를 통신에 이용한 경우의 문제점의 설명도이다. 상술한 바와 같이 조명용 등의 빛을 누설하는 종래의 광화이버에서는, SI형의 광화이버를 이용하고, 혹은 산란체를 더 혼입하여 구성되어 있다. 광화이버에 입사한 빛은 화이버의 코어 내를 다양한 방향으로 직진하여 경계면에서 반사하면서 진행하고, 산란체에서 반사, 굴절 등이 일어나면 진행방향을 바꾼다. 바뀌어진 진행방향이 스넬의 법칙에 의한 전반사의 각도보다 깊은 경우는 전반사하지 않고 경계면에서 바깥으로 빛이 누설된다. 빛이 산란되지 않고 화이버 내를 장거리간 경계면에서 반사를 반복하면서 진행한 경우, 종래의 SI형 광화이버와 같이 짧은 광펄스는 파형이 무디어져 버려, 보다 늦은 상승시간과 하강시간을 갖는 펄스가 된다. 이 파형은, 누설하여 화이버의 바깥으로 나왔던 빛에서도 마찬가지로서, 상승, 하강이 늦은 누설 광펄스가 된다. 이상과 같은 이유로부터, SI형 누설 광화이버를 고속통신용의 누설 광화이버로서 사용하는 것은 어렵다.

종래의 GI형이나 SI형과는 다른 구조에서는, 산란체를 이용하지 않고 빛을 누설시키는 광화이버도 고안되어 있어, 예를 들면 특허문헌 1 등에 기재되어 있다. 도 15는, 종래의 누설 광화이버의 일례의 설명도이다. 도면 중, 51은 센터코어, 52는 세컨드코어이다. 도 15에 나타낸 누설 광화이버에서는, 광화이버의 코어의 바깥둘레에 그 코어보다 굴절률이 작은 클래드(도시하지 않음)를 갖는 광화이버인 것은 종래와 변함없지만, 그 코어를 안쪽의 센터코어(51)와 바깥쪽의 세컨드코어(52)로 형성하고, 세컨드코어(52)를 그 지름방향의 굴절률 분포가 바깥둘레면으 로 향하여 포물선 형상으로 커지도록 형성한 것이다. 또한, 화이버에 따라서 길이방향으로 길게 누설시키기 위해서, 코어의 굴절률을 길이방향으로 0.06%／㎞ 이상의 변동율로 증가시키거나, 코어의 지름을 길이방향으로 3%／㎞ 이상의 변동율로 감소시키거나 하고 있다. 그러나, 이러한 화이버를 작성하기 위해서는, 센터코어(51)의 바깥에 세컨드코어(52)를 작성하지 않으면 안되고, 또한 길이방향으로 굴절률을 증감시키거나 지름을 변동시킬 필요가 있어, 제조상, 매우 곤란한 것이었다.

이상과 같이, 통신선의 측면에서 통신정보를 누설하는 기술은 전파용이나 광용으로 이미 존재하지만, 성능이나 제조기술상 여러 가지 문제가 있고, 고속인 통신속도로 통신할 수 있고, 게다가, 용이하게 제조할 수 있는 기술이라고 하는 것은 지금까지 발명되고 있지 않았다.

[특허문헌 1] 일본 특허공개공보 2001-133652호

본 발명은, 상술한 사정에 감안하여 이루어진 것으로서, 이동체 등과의 통신과 같이 가늘고 긴 통신범위에서의 고속, 고품질의 통신을 실현한 통신시스템을 제공함과 동시에, 그러한 통신시스템에서 이용하여 적합한 누설 광화이버를 제공하는 것을 목적으로 하는 것이다.

본 발명은, 통신시스템에 있어서, 정보에 의해 변조된 빛을 보내어 통하는 광화이버와, 상기 광화이버의 측면으로부터 누설되는 빛을 수광하여 정보를 취득하는 수신수단을 갖고, 상기 광화이버는, 중심의 굴절률이 크고, 주변을 향함에 따라서 서서히 굴절률이 낮아지도록 코어가 구성된 GI형의 광화이버인 것을 특징으로 하는 것이다. GI형의 광화이버에는, 산란체를 혼입하여 누설하는 빛의 강도를 늘릴 수 있다. 또한, 광화이버의 중심부와 주변부의 굴절률과의 관계에 의해 누설광 강도 및 전송거리를 조정할 수 있다.

또, 통신을 행할 때에는, 수신수단을 이동체에 설치하고, 광화이버는 이동하지 않는 구성으로 하거나, 혹은 반대로 광화이버를 이동체에 설치하고, 수신수단은 이동하지 않는 구성으로 하여, 광화이버로부터 누설하는 빛을 수신수단으로 수광하는 것에 의해 정보의 송수신을 행할 수 있다.

또한 본 발명은, 예를 들면 본 발명의 통신시스템에 이용되는 누설 광화이버에 있어서, 중심의 굴절률이 크고, 주변을 향함에 따라서 서서히 굴절률이 낮아지도록 코어가 구성된 GI형의 광화이버로서, 내부에 산란체가 혼입되어 있는 것을 특징으로 하는 것이다.

도 1은 본 발명의 통신시스템의 실시형태를 나타내는 개념도이다.

도 2는 본 발명의 통신시스템에서 이용하는 광화이버에 있어서의 빛의 누설원리의 설명도이다.

도 3은 본 발명의 누설 광화이버의 일례에 있어서의 끝단면으로부터의 거리와 누설광 강도분포의 구체적인 예를 나타내는 그래프이다.

도 4는 산란체를 혼입하고 있지 않는 GI형의 광화이버의 일례에 있어서의 끝단면으로부터의 거리와 누설광 강도분포의 구체적인 예를 나타내는 그래프이다.

도 5는 본 발명의 누설 광화이버에 있어서의 누설광의 방사분포의 하나의 구체적인 예의 설명도이다.

도 6은 본 발명의 누설 광화이버에 있어서 누설 광화이버 안을 전송되는 파형의 일례의 설명도이다.

도 7은 본 발명의 누설 광화이버에 있어서의 끝단면으로부터의 거리와 대역폭의 구체적인 예를 나타내는 그래프이다.

도 8은 광화이버에의 입사각도와 화이버 내에서의 반사의 관계의 설명도이다.

도 9는 개구수 NA의 차이에 의한 거리와 누설광 강도의 관계의 일례를 나타내는 그래프이다.

도 10은 본 발명의 누설 광화이버를 이용한 본 발명의 통신시스템의 응용 예의 설명도이다.

도 11은 SI형 광화이버의 설명도이다.

도 12는 GI형 광화이버의 설명도이다.

도 13은 조명용의 광화이버의 일례의 설명도이다.

도 14는 조명용의 광화이버를 통신에 이용한 경우의 문제점의 설명도이다.

도 15는 종래의 누설 광화이버의 일례의 설명도이다.

[부호의 설명]

1 : 송신기 2 : 광화이버

3 : 수신기 11 : 산란체

21 : 고정 네트워크 22 : 고정 중계기

23 : 고정 송신기 24 : 고정 광화이버

25 : 고정 수신기 31 : 이동체 수신기

32 : 이동체 중계기 33 : 이동체 네트워크

34 : 이동체 송신기 35 : 이동체 광화이버

41 : SI형 광화이버 42 : 산란체

51 : 센터코어 52 : 세컨드코어

도 1은, 본 발명의 통신시스템의 실시형태를 나타내는 개념도이다. 도면 중, 1은 송신기, 2는 광화이버, 3은 수신기이다. 송신기(1)는, 송신하는 정보에 의해 변조된 빛을 광화이버(2)로 방출한다. 예를 들면 레이저·다이오드(LD: Laser Diode) 등을 이용하여, 레이저광을 광화이버(2) 내에 입사시키도록 구성할 수 있다. 물론 광원은 레이저·다이오드에 한정되는 것이 아니고, LED 등, 고속으로 광량 혹은 점멸을 제어할 수 있는 광원이면 송신기(1)의 광원으로서 이용할 수 있다.

광화이버(2)는, 중심의 굴절률이 크고, 주변으로 향함에 따라서 서서히 굴절률이 낮아지도록 코어가 구성된 GI형의 광화이버이다. 특히 본 발명의 통신시스템에서는, GI형의 광화이버에 산란체를 혼입하여, 누설하는 빛의 강도를 증가한 본 발명의 누설 광화이버를 광화이버(2)로서 이용할 수 있다. 이러한 광화이버(2)의 제조에는, 이미 확립되어 있는 GI형 광화이버의 제조방법을 그대로 이용할 수 있ㅇ 어 용이하게 제조할 수 있다.

광화이버(2)의 일끝단면에 송신기(1)로부터 입사된 빛은, 광화이버(2) 내를 사행(蛇行)하여 진행되지만, 일부는 광화이버(2)의 측면으로부터 누설한다. 이것에 의해서, 광화이버(2)가 설치되어 있는 가늘고 긴 영역에, 정보에 의해 변조된 빛이 방출되는 것이 된다.

수신기(3)는, 광화이버(2)의 측면으로부터 누설하여 오는 변조광을 수광하고, 복조하여 정보를 수신한다. 광화이버(2)에 따른 가늘고 긴 영역에서는, 같은 정보에 의해 변조된 빛이 광화이버(2)로부터 누설하고 있다. 그 때문에, 예를 들면 수신기(3)와 광화이버(2)가 상대적으로 이동하고 있는 경우에서도, 광화이버(2)로부터의 누설광을 수신기(3)로 수광하는 것에 의해서 통신을 계속할 수 있다.

또, 광화이버(2)의 송신기(1)와는 반대측의 끝단면에 수광기와 발광기를 갖는 중계기를 설치하고, 중계기의 발광기로부터 방사되는 빛을 다른 광화이버에 보내는 것에 의해서, 매우 장거리의 통신이 가능하다.

도 2는, 본 발명의 통신시스템으로 이용하는 광화이버에 있어서의 빛의 누설원리의 설명도이다. 11은 산란체이다. 도 2 A에는, GI형의 광화이버에 산란체(11)를 혼입한 본 발명의 누설 광화이버를 이용한 경우를 나타내고, 도 2 B에는, 종래의 GI형 광화이버를 이용한 경우를 나타내고 있다.

본 발명의 통신시스템에서는 광화이버(2)로서 GI형의 광화이버를 이용하고 있으므로, 그 특성상, 송신기(1)로부터 광화이버(2)에 입사한 빛은, 광화이버(2) 내를 사행(蛇行)하여 진행된다. 광화이버(2)로서 본 발명의 누설 광화이버를 이용 하는 경우에는, 도 2 A 중, 검은 동그라미로 나타내고 있는 산란체(11)에 충돌하면 반사, 굴절이 일어나, 빛의 진로가 변경된다. 진로가 변경된 빛이, 광화이버(2)의 경계면에 임계각 이하의 입사각으로 도달하면, 외부로 누설하게 된다. 이 누설한 빛을 수신기(3)로 수광하면 좋다.

빛이 광화이버(2) 내에서 산란체에 의한 반사굴절을 받을 때까지는, 종래의 GI형 광화이버와 같이, 같은 타이밍으로 광화이버(2) 내를 사행하여 진행한다. 그 때문에, 만약 산란체(11)에 충돌하여 반사, 굴절이 일어나, 그 결과 그 진로가 변경되어 광화이버(2)의 바깥으로 누설된 경우에서도, 그 누설한 빛도 같은 타이밍으로 광화이버(2)의 바깥으로 누설하여 오는 것이 된다. 즉, 일끝단으로부터 입사한 짧아서 샤프한 광펄스는, 도중에 화이버 바깥으로 누설하여도, 그 파형은 거의 변형하지 않고 보존된다. 따라서, 고속, 고품질인 데이터통신을 행할 수 있다. 또한, 빛이 광화이버(2) 내의 산란체(11)에서 복수회의 반사, 굴절을 받아도, 광화이버(2) 바깥으로 누설하지 않고 광화이버(2) 내에 남을 가능성은 매우 적으므로, 복수회의 반사, 굴절에 의한 지연 확대(delay spread)는 크게는 되지 않는다.

이러한 특징은 종래의 누설 광화이버에서는 얻을 수 없는 특성이다. 또한, GI형 광화이버는, 화이버 내를 빛을 보내어 통하게 하는 것만을 목적으로 하여 개발되어 오고 있고, GI형 광화이버로부터 누설광을 이용하려고 하는 시도는 지금까지 행하여진 경우는 없다. GI형 광화이버를 이용하는 것에 의해서, 기가비트급 고속통신이 가능하게 된다.

도 2 A에 나타낸 본 발명의 누설 광화이버에 있어서, 산란체(11)의 농도를 바꿈으로써 여러 가지 특성의 누설 광화이버를 작성할 수 있다. 구체적으로는, 산란체(11)의 농도를 진하게 하면, 보다 많은 빛이 누설하게 되어, 누설광의 파워는 강해진다. 그러나, 많은 빛이 누설하는 분만큼 전송거리는 짧아진다. 또한, 산란체(11)의 농도를 엷게 하면, 누설광의 파워는 약해지지만, 전송거리를 늘릴 수 있다. 그 극단적인 예로서, 도 2 B에 나타내는 바와 같이 산란체(11)를 굳이 혼입하지 않는 경우에도, 광화이버(2) 내의 불순물이 산란체의 대신이 되어, 혹은 제조할 때의 얼룩짐 등에 의해서, 소량의 빛이 광화이버(2)로부터 누설한다. 이것은 실험적으로 확인되고 있어, 그 미소한 누설광을 이용해도 통신을 행할 수 있다.

본 발명의 누설 광화이버의 구체적인 예에 대해서 설명한다. 본 발명의 누설 광화이버로서는, 예를 들면 코어로서 PMMA(Poly Methyl Methacrylate)라고 하는 메타크릴수지를 사용하고, 산란체로서 직경 7.3㎛의 토스펄(tospearl)이라고 하는 구형상을 한 실리콘수지 미립자를 사용할 수 있다. 이러한 재료를 이용하여, 계면겔 중합법에 의해서, 산란체가 혼입한 GI형의 굴절률 분포를 갖는 직경 1㎜의 광화이버를 작성할 수 있었다. 토스펄은, 발수성, 윤활성, 내열성이 뛰어나고, 입자지름이 잘 갖추어지고, 입자지름 분포가 샤프하므로, 빛의 산란체로서 적합하다. 이러한 본 발명의 누설 광화이버에 가시광선의 670㎚의 파장의 가시광선 레이저의 붉은 빛을 주입했더니, 화이버의 표면으로부터 효율적으로 빛이 누설하였다.

도 3은, 본 발명의 누설 광화이버의 일례에 있어서의 끝단면으로부터의 거리와 누설광 강도분포의 구체적인 예를 나타내는 그래프이다. 도 3에서는, 본 발명의 누설 광화이버에 100㎽의 레이저를 주입하고, 그때의 입사 끝단으로부터의 거리 를 가로축으로 하고, 누설광의 강도(전력)를 세로축으로 하여, 양자의 관계를 나타내고 있다. 또한 도 3에서는, 토스펄과 PMMA를 다른 중량 혼합비(wt%)로 혼합하여 작성한 복수의 누설 광화이버에 대해서, 그 누설광 강도를 측정하였다. 그 결과, 산란체인 토스펄이 가장 많이 혼합된 중량혼합비가 0.1wt%의 예에서는, 입사 끝단으로부터 5미터 정도에서 -50dBm까지 누설광 강도가 떨어졌다. 그러나, 중량 혼합비가 0.0001wt%의 예에서는 20미터 근처까지 누설광이 어느 정도 나와 있는 것을 알 수 있다. 현재의 APD(Avalanche Photo Diode)의 감도가 -50dBm 정도이므로, 이것을 수신기(3)에 사용하면 15미터 근처까지 통신할 수 있다고 하는 것을 알 수 있다. 반대로 입사 끝단에 가까운 영역에서는, 산란체인 토스펄의 혼입량이 많은 편이 누설광 강도가 큰 것도 알 수 있다. 이와 같이, 산란체의 농도를 바꾸는 것에 의해서, 누설광의 강도를 제어할 수 있는 것을 알 수 있다.

도 4는, 산란체를 혼입하고 있지 않은 GI형의 광화이버의 일례에 있어서의 끝단면으로부터의 거리와 누설광 강도 분포의 구체적인 예를 나타내는 그래프이다. 도 3에 나타낸 산란체가 혼입되어 있는 본 발명의 광화이버의 경우와 비교하여, 입사 끝단에 가까운 영역에서는 누설광 강도가 작기는 하지만, 보다 장거리까지 빛이 누설하고 있고, 15미터의 거리에서는, 0.0001wt%와 비교하여 15dBm 정도 누설광 강도가 강하고, 20미터 이상에서도 -35dBm 정도의 누설광 강도가 있으므로 통신이 가능하다고 하는 것을 알 수 있다.

도 5는, 본 발명의 누설 광화이버에 있어서의 누설광의 방사분포의 하나의 구체적인 예의 설명도이다. 도 5 A에 있어서의 각도 ø1은, 도 5 B에 나타내고 있 는 바와 같이, 광화이버에 수직인 방향에서 광화이버 중의 빛의 진행방향으로의 각도를 나타내고 있다. 도 5에 나타낸 바와 같이 각도 ø1이 약 70°, 즉 화이버의 진행방향에서 각도 20°의 방향으로 가장 강하게 빛이 누설하고 있는 것을 알 수 있다.

도 6은, 본 발명의 누설 광화이버에 있어서 누설 광화이버 안을 전송되는 파형의 일례의 설명도이다. 누설 광화이버의 입사 끝단으로부터 입사되는 광펄스 파형이, 입사 끝단으로부터의 거리와 함께 어떻게 변화하는가를 도 6에 나타내고 있다. 여기에서는 펄스폭이 0.15nsec의 광펄스를 입사하고 있다. 전송거리와 함께 펄스폭은 넓어지지만, 빛이 25미터 정도 진행해도 0.5nsec 정도 밖에 퍼지지 않아, 거의 파형은 무디어지지 않는 것을 알 수 있다.

도 7은, 본 발명의 누설 광화이버에 있어서의 끝단면으로부터의 거리와 대역폭의 구체적인 예를 나타내는 그래프이다. 도 7에서는, 도 6에 나타낸 바와 같은 광펄스 파형의 측정결과를 퓨리에 변환하여, 3dB 대역폭을 구한 결과를 나타내고 있다. 이 결과에 의하면, 20미터를 넘어도 1GHz 정도의 대역을 확보할 수 있다. 따라서, 본 발명의 누설 광화이버를 이용하면 20미터 정도의 거리에서는 1GHz 이상의 통신이 가능하다고 하는 것을 알 수 있다.

이와 같이, 본 발명의 누설 광화이버를 이용하는 것에 의해서, 펄스파형의 확대가 거의 일어나지 않고, 고속인 통신을 행하는 것이 가능하다. 또, 상술의 각 측정결과는, 시작한 샘플에 의한 것으로, 향후 성능을 개량할 여지는 충분히 남아 있다. 물론, 광화이버의 코어의 재질이나, 산란체의 재질 및 지름 등은 상술의 구 체적인 예에 한정되는 것이 아닌 것은 말할 필요도 없다.

도 4에도 나타낸 바와 같이, 산란체를 혼입하고 있지 않은 GI형의 광화이버를 이용해도, 그 누설광을 이용하여 통신을 행할 수 있다. 이때, 광화이버의 중심부와 주변부의 굴절률의 관계에 의해, 누설광의 강도와, 전송거리를 조정할 수 있다. 광화이버는 일반적으로, 그 중심부와 주변부의 굴절률의 차이에 의해, 빛을 내부에서 굴절시켜 전송한다. 그러나, 양자의 굴절률로 정해지는 최대각도(입사 임계각도 θmax) 이상의 입사각도가 되면, 광화이버 내로부터 외부로의 누설광으로서 출사되게 된다.

도 8은, 광화이버에의 입사각도와 화이버 내에서의 반사의 관계의 설명도이다. 본 발명에서는 Gl형의 광화이버를 이용하고 있지만, 설명을 간단하게 하기 위해, 도 8에서는 SI형의 광화이버에 의해 설명하고 있다. 또한, 광화이버의 중심부인 코어의 굴절률을 n2로 하고, 주변부인 클래드의 굴절률을 n1로 하고 있다. 일반적으로 n1＜n2이다.

도 8 A에 나타내는 바와 같이, 광화이버에의 입사각 θ가 입사 임계각도 θmax보다 작으면, 코어와 클래드의 굴절률의 차이에 의해, 코어와 클래드의 경계에서 반사가 일어나, 입사광은 광화이버 내로 진행된다. 광화이버에의 입사각이 입사 임계각도 θmax의 경우에는, 도 8 B에 나타내는 바와 같이, 코어와 클래드의 경계에서, 그 경계의 방향으로 굴절하여 진행되게 된다. 그리고, 광화이버에의 입사각 θ가 입사 임계각도 θmax보다 커지면, 도 8 C에 나타내는 바와 같이 코어와 클래드의 경계에서 굴절하지만, 그대로 클래드를 빠져나가 외부에 누설하게 된다.

상술의 입사 임계각도 θmax는, 코어의 굴절률 n2와 클래드의 굴절률 n1로 정해지고, θmax = n1·√(2·Δ)

Δ = (n1-n2)/n1

로 구할 수 있다.

이 입사 임계각도 θmax의 정현(正弦), 즉 sin(θmax)을 개구수(Numerical Aperture, 이하, NA라고 약칭한다)라고 한다. 이 개구수 NA가 클수록, 광화이버의 일끝단으로부터 다른 끝단으로 도달하는 빛의 손실이 작은 것이 알려져 있다. 반대로 생각하면, 개구수 NA가 작으면 누설하는 빛이 증가한다고 생각할 수 있고, 누설광을 이용한 통신에 있어서는, 신호강도를 강하게 할 수 있게 된다. 이 경우, 빛의 누설이 도달거리를 단축하게 된다.

이러한 관계는 SI형의 광화이버에 한정되는 것이 아니라, GI형의 광화이버에 있어서도 같은 관계가 있다. GI형의 광화이버의 경우는 중심으로부터 주변으로 향하여 서서히 굴절률이 변화하지만, 그 중심부의 굴절률과 주변부의 굴절률과의 관계에 있어서, 상술과 같이 말할 수 있다.

도 9는, 개구수 NA의 차이에 의한 거리와 누설광 강도의 관계의 일례를 나타내는 그래프이다. 도 9에 나타낸 예에서는, 개구수 NA가 0.20과 0.18의 2종류의 GI형 광화이버를 이용한 경우에 대해서, 0∼20m의 누설광 강도의 측정결과를 나타내고 있다. 그 결과, NA=0.18의 경우는, NA=0.20의 경우에 비해, 15m까지는, 보다 많은 빛이 누설하고 있고, 반대로 15m 이상에서는, 누설광은 적어지고 있다. 예를 들면 강한 누설광을 필요로 하는 경우에는, 개구수 NA가 작은 광화이버를 이용하면 좋고, 보다 장거리에서의 통신을 행하는 경우에는, 개구수 NA가 큰 광화이버를 이용하면 좋은 것을 알 수 있다.

이와 같이, 광화이버의 개구수 NA(또는 입사 임계각도 θmax)를 조정하는, 즉 광화이버의 중심부의 굴절률 n2와 주변부의 굴절률 n1을 조정하는 것에 의해서, 보다 강한 누설광을 얻거나, 반대에 의해 장거리의 통신을 행한다고 하는 조정이 가능하게 된다.

또, 산란체를 혼입하는 경우에는, 그 산란체의 영향이 커지지만, 물론, 산란체를 혼입한 경우라도, 상술한 바와 같이 광화이버의 중심부의 굴절률 n2와 주변부의 굴절률 n1을 조정하는 것에 의해 개구수 NA(또는 입사 임계각도 θmax)를 조정하여, 누설광 강도 및 전송거리를 조정해도 좋다.

도 10은, 본 발명의 누설 광화이버를 이용한 본 발명의 통신시스템의 응용예의 설명도이다. 도면 중, 21은 고정 네트워크, 22는 고정 중계기, 23은 고정 송신기, 24는 고정 광화이버, 25는 고정 수신기, 31은 이동체 수신기, 32는 이동체 중계기, 33은 이동체 네트워크, 34는 이동체 송신기, 35는 이동체 광화이버이다. 상술과 같은 본 발명의 누설 광화이버를 이용하는 것에 의해서, 예를 들면 이동체와 지상과의 통신을 행하는 통신시스템을 구축할 수 있다. 그 일례로서, 도 10에는 열차 통신에의 응용예를 나타내고 있다. 또, 도 10에 나타낸 예는, 도 1에 나타내는 한 방향의 통신시스템을 지상 등의 고정측과, 열차 등의 이동체측에 각각 설치하여, 쌍방향의 통신을 가능하게 하고 있다.

지상측에는, 고정 네트워크(21)에 접속된 고정 중계기(22), 및, 고정 송신 기(23)와 고정 광화이버(24), 고정 수신기(25) 등이 설치된다. 고정 중계기(22)는 고정 네트워크(21)로부터 열차에 송신해야 할 정보를 취득하여, 그 정보를 고정 송신기(23)에 건넨다. 고정 송신기(23)는, 고정 중계기(22)로부터 받은 정보에 따라서 변조된 변조광을 고정 광화이버(24)에 입사시킨다. 고정 광화이버(24)는 본 발명의 누설 광화이버로서, 예를 들면 선로 옆이나 가선(架線) 옆 등, 주행하는 열차의 주변에 부설된다. 고정 송신기(23)로부터 고정 광화이버(24)에 입사한 변조광은, 그대로 고정 광화이버(24) 내를 진행하지만, 그 사이에 누설광이 고정 광화이버(24)의 측면으로부터 누설한다.

한편, 이동체인 열차에는, 차내의 이동체 네트워크(33)에 접속된 이동체 중계기(32)와, 이동체 수신기(31), 및, 이동체 송신기(34)와 이동체 광화이버(35) 등이 설치되어 있다. 상술한 바와 같이 고정 광화이버(24)로부터의 누설광은, 이동체 수신기(31)에 의해서 수광할 수 있다. 이것을 이동체 수신기(31)로 복조하는 것에 의해서, 정보를 얻을 수 있다. 얻어진 정보는 이동체 중계기(32)에 보내어져, 이동체 네트워크(33)로 송출된다.

이와 같이 하여, 지상으로부터 열차로의 정보의 송신을 행할 수 있다. 열차는 고속으로 이동하고 있지만, 1개의 고정 광화이버(24)가 설치되어 있는 구간에서는 같은 정보가 송신되고 있으므로, 열차가 이동해도 안정적으로 고정 광화이버(24)로부터의 누설광을 수광하여, 정보를 수신할 수 있다.

또, 도 10에 나타내는 바와 같이 고정 광화이버(24)를 연속하여 배치해 두는 것에 의해서, 열차는 주행하는 것에 따라 인접하여 설치되어 있는 고정 광화이 버(24)로부터 누설광을 수광하여, 정보를 수신할 수 있다. 1개의 고정 광화이버(24)로부터 큰 누설광 강도를 얻을 수 있는 것은, 현재로서는 상술한 바와 같이 수십미터 정도이기 때문에, 도 10에 나타내는 바와 같이 어느 정도의 길이의 고정 광화이버(24)를 모두 배치하는 것에 의해서, 장거리의 선로이더라도 중단되는 일 없이 통신을 행할 수 있다.

열차 내에서 지상으로 송신해야 할 정보는, 이동체 네트워크(33)로부터 이동체 중계기(32)를 통해서 이동체 송신기(34)로 보내어진다. 이동체 송신기(34)는, 이동체 중계기(32)로부터 받은 정보에 따라서 변조된 변조광을 이동체 광화이버(35)에 입사시킨다. 이동체 광화이버(35)도 본 발명의 누설 광화이버로서, 열차의 진행경로 방향에 설치된다. 이동체 송신기(34)로부터 이동체 광화이버(35)에 입사한 변조광은, 그대로 이동체광화이버(35) 내를 진행하지만, 그 사이에 누설광이 이동체 광화이버(35)의 측면으로부터 누설한다.

이 열차에 설치된 이동체 광화이버(35)로부터의 누설광은, 선로 옆이나 가선 옆 등에 설치된 고정 수신기(25)에 의해서 수광되고, 복조되어 정보가 수신된다. 수신된 정보는, 고정 중계기(22)를 통하여, 고정 네트워크(21)를 통해서 송신된다.

이와 같이 하여, 열차로부터 지상으로의 정보의 송신을 행할 수 있다. 열차는 고속으로 이동하고 있고, 이동체 광화이버(35)도 이동하지만, 지상의 수신기(25) 위를 이동체 광화이버(35)의 끝단으로부터 끝단까지 통과하는데 어느 정도의 시간을 필요로 한다. 이 시간의 사이에서는 안정된 통신이 가능하다. 지상측에 이동체 광화이버(35)의 길이 이내의 간격으로 수신기(25)를 설치해 두고, 이동 체 광화이버(35)로부터의 누설광을 수광하는 수신기(25)를 차례로 바꾸어 가거나, 혹은 각각의 수신기(25)가 수신할 수 있었던 정보를 다음에 이어 맞추는 것에 의해서, 열차로부터의 정보를 연속하여 수신할 수 있다.

상술한 바와 같이 하여, 지상으로부터 열차로의 통신과, 열차로부터 지상으로의 통신에 의해, 쌍방향의 통신을 실현할 수 있다. 이 경우, 지상으로부터 열차로의 통신과, 열차로부터 지상으로의 통신은, 거의 같은 기가비트 이상의 통신속도에서의 고속통신을 행할 수 있다. 종래의 신칸센에 있어서의 이동통신의 통신속도가 전채널의 합계에서도 2.56Mbps 정도인 것을 생각하면, 본 발명의 통신시스템이 현격히 고속의 통신이 가능하다는 것을 알 수 있다. 이것에 의해서, 승객에 대해서 여러 가지 서비스를 제공할 수 있고, 또한, 열차제어 등에 있어서도 대량의 데이터 통신을 이용한 제어가 가능하게 된다. 이러한 고속통신을 행하기 위한 인프라의 정비는, 본 발명의 누설 광화이버 혹은 종래부터 이용되고 있는 GI형의 광화이버를 부설하게 되지만, 본 발명의 누설 광화이버도 GI형의 광화이버도, 상술한 바와 같이 염가의 재료로 제조할 수 있고, 게다가 용이하게 제조할 수 있기 때문에, 인프라 정비에 필요로 하는 비용도 억제할 수 있다.

물론, 이동체는 열차에 한정된 것이 아니라, 예를 들면 자동차 등에 있어서도, 고정측으로서 도로 옆에 광화이버를 부설하면 마찬가지로 자동차와 도로의 사이에 있어서의 고속통신을 실현할 수 있다.

본 발명에 의하면, 이동체 등과의 통신과 같이 가늘고 긴 통신범위에서의 통 신의 때에, 빛을 이용하여 행하므로, 종래의 전파를 이용한 같은 통신에 비하여, 고속, 고품질의 통신을 행할 수 있다. 이때, GI형의 광화이버를 이용하므로, 누설하는 빛의 파형이 안정되어 있고, 보다 고속, 고품질의 통신을 실현할 수 있다. 또한, 종래와 같이 특수한 누설 광화이버를 이용하지 않고, 저비용으로 통신시스템을 구축할 수 있다고 하는 효과가 있다.

또한, GI형 광화이버에 산란체를 혼입하는 것에 의해서, 광화이버로부터 누설하는 광량을 증가할 수 있어, 보다 확실한 통신을 실현할 수 있다고 하는 효과가 있다.

Claims (6)

1. 정보에 의해 변조된 빛을 보내어 통하는 광화이버와, 상기 광화이버의 측면으로부터 누설하는 빛을 수광하여 정보를 취득하는 수신수단을 갖고, 상기 광화이버는, 중심의 굴절률이 크고, 주변을 향함에 따라서 서서히 굴절률이 낮아지도록 코어가 구성된 GI형의 광화이버인 것을 특징으로 하는 통신시스템.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 광화이버는, 산란체가 혼입되어 있는 것을 특징으로 하는 통신시스템.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 광화이버의 중심부와 주변부의 굴절률과의 관계에 의해 누설광 강도 및 전송거리를 조정하는 것을 특징으로 하는 통신시스템.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 수신수단이 이동체에 설치되고, 상기 광화이버는 이동하지 않는 것을 특징으로 하는 통신시스템.
5. 제 1 항 내지 제 3 항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 광화이버가 이동체에 설치되고, 상기 수신수단은 이동하지 않는 것을 특징으로 하는 통신시스템.
6. 중심의 굴절률이 크고, 주변을 향함에 따라서 서서히 굴절률이 낮아지도록 코어가 구성된 GI형의 광화이버로서, 내부에 산란체가 혼입되어 있는 것을 특징으로 하는 누설 광화이버.

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