광섬유가 빛을 전달하는 과학적 원리는 무엇인가요?

Question

광섬유 케이블을 사용하면 초고속 인터넷 데이터를 빛의 속도로 손실 없이 먼 거리까지 전송할 수 있다고 하네요. 광섬유가 빛을 전달하는 과학적 원리는 무엇인가요?

Answer 1

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.

광섬유가 에너지 손실 없이 빛을 멀리까지 전달하는 원리는 빛의 전반사 현상 때문입니다. 광섬유 내부에서 전반사가 일어나는 구조와 원리에 대해 자세히 설명해 드릴게요.

광섬유는 투명한 유리나 플라스틱으로 된 매우 가느다란 가닥으로, 중심부와 겉면의 재질이 서로 다릅니다. 코어는 빛이 실제로 통과하는 중심 통로로, 굴절률이 상대적으로 높은 물질로 만들며, 클래딩은 코어를 둘러싸고 있는 외피로 코어보다 굴절률이 낮은 물질로 만듭니다.

빛은 굴절률이 높은 물질에서 낮은 물질로 진행할 때 꺾이는 성질이 있는데, 이때 입사각을 점점 크게 하면, 빛이 경계면을 뚫고 나가지 못하고 100% 내부로 튕겨 나가는 순간이 오는데 이를 전반사라고 합니다. 광섬유에 빛을 쏠 때 입사각을 임계각보다 크게 유지하면, 빛은 클래딩 밖으로 새어나가지 않고 코어 내부 벽면에 부딪히며 지그재그로 계속 반사되어 끝까지 이동합니다. 케이블이 완만하게 구부러져 있어도 이 전반사 조건이 유지되기 때문에 빛은 밖으로 빠져나가지 않습니다. 이런 전반사 원리 덕분에 경계면을 통한 빛의 누설 손실은 거의 없지만, 유리 재질 자체의 미세한 원자 구조에 의한 산란이나 불순물에 의한 흡수로 인해 빛이 진행할수록 조금씩 약해집니다. 따라서 수십~수백 km 이상의 대륙 간 해저 케이블 등에서는 일정 간격마다 신호를 다시 키워주는 광증폭기를 배치하여 전송합니다.

Answer 2

안녕하세요. 광섬유가 빛을 먼 거리까지 전달할 수 있는 핵심 원리는 전반사입니다. 광섬유는 주로 유리나 플라스틱으로 만들어진 아주 가느다란 섬유로, 중심부인 코어와 그 주변을 감싸는 클래딩으로 구성되는데요, 이때 코어의 굴절률이 클래딩보다 높도록 설계되어 있습니다. 빛이 코어와 클래딩의 경계에 특정 각도 이상으로 입사하면 밖으로 빠져나가지 않고 경계면에서 계속 안쪽으로 반사되는데, 이것이 전반사입니다. 따라서 빛은 광섬유 내부를 지그재그로 진행하면서 매우 먼 거리까지 전달될 수 있습니다.

인터넷 데이터를 전달할 때는 단순히 빛을 보내는 것이 아니라 빛의 세기나 위상 등의 특성을 매우 빠르게 변화시켜 정보를 실어 보냅니다. 예를 들어 레이저나 LED 같은 광원이 전기 신호에 따라 빛을 빠르게 변조하면, 광섬유는 이 빛을 목적지까지 전달하며, 반대쪽에서는 광검출기가 빛의 변화를 다시 전기 신호로 변환하여 컴퓨터가 데이터를 읽을 수 있게 합니다. 즉, 인터넷 데이터가 광섬유 안에서 ‘빛 자체의 형태로 변환되어 이동한다’고 생각하면 이해하기 쉽습니다.

다만 흔히 말하는 ‘빛의 속도로 손실 없이 전달된다’는 표현은 정확하게는 조금 과장된 표현인데요, 진공에서 빛은 약 초속 30만 km로 이동하지만, 유리에서는 물질과 상호작용하기 때문에 그보다 느린 속도로 진행합니다. 또한 광섬유에서도 빛이 완전히 손실되지 않는 것은 아닙니다. 유리 내부의 미세한 불순물이나 구조적 요인에 의한 흡수와 산란 때문에 거리가 길어질수록 신호가 약해집니다. 그래서 장거리 통신에서는 광증폭기나 중계 장비 등을 이용해 신호를 보완합니다. 이때 구리 전선보다 광섬유가 초고속 통신에 유리한 것은 광섬유가 매우 높은 주파수의 빛을 이용할 수 있기 때문에 하나의 섬유 안에 엄청난 양의 정보를 실어 보낼 수 있기 때문입니다. 또한 전기 신호를 사용하는 구리선과 달리 전자기 간섭의 영향을 거의 받지 않고, 가볍고 가늘다는 장점도 있습니다. 여러 파장의 빛을 동시에 사용하는 파장분할다중화 기술을 이용하면 하나의 광섬유에서 서로 다른 색깔의 빛에 각각 다른 데이터를 실어 전송할 수도 있습니다. 감사합니다.