빛이 서로 다른 매질의 경계면을 통과할 때 속도 차이로 인해 꺾이는 굴절 현상과 전반사가 일어나는 굴절률의 조건이 광섬유 통신 기술에 어떻게 활용되나요?

Question

빛이 서로 다른 매질의 경계면을 통과할 때 속도 차이로 인해 꺾이는 굴절 현상과 전반사가 일어나는 굴절률의 조건이 광섬유 통신 기술에 어떻게 활용되나요?

Answer 1

안녕하세요. 설재훈 전문가입니다. 빛은 서로 다른 매질을 통과할 때 속도가 달라지면서 진행 방향이 꺾이는 굴절 현상이 나타납니다. 이때 굴절률이 큰 매질에서 작은 매질로 빛이 진행하고, 입사각이 임계각보다 커지면 빛이 경계면 밖으로 빠져나가지 않고 되돌아오는 전반사가 발생합니다. 

 광섬유는 이 원리를 이용합니다. 가운데 빛이 지나가는 코어의 굴절률을 바깥쪽 클래딩보다 높게 만들어 빛이 경계면에서 계속 전반사하도록 합니다. 그래서 빛이 광섬유 내부에 갇힌 채 멀리까지 이동할 수 있고, 신호 손실을 줄여 인터넷이나 통신 데이터를 빠르게 전달할 수 있습니다. 

 쉽게 말해, 광섬유는 빛이 밖으로 새어 나가지 않도록 유리 내부에 길을 만들어 놓은 것입니다. 빛을 깜빡이는 신호로 바꾸어 정보를 전달하고, 반대편에서 그 신호를 다시 전기 신호로 변환해 인터넷 데이터로 이용합니다.

Answer 2

안녕하세요. 강세훈 전문가입니다.

광섬유는 중심의 코어와 바깥쪽 클래딩이 이중 구조로 되어 있어, 코어와 클래딩 경계면에서 빛이 임계각보다 큰 각도로 입사하면 전반사되어 외부로 빠져나가지 않고 코어 내부를 따라 이동합니다. 이원리로 신호 손실을 최소화하며 장거리 대용량 통신이 가능하답니다.

Answer 3

안녕하세요. 김재훈 전문가입니다.

광섬유 통신은 빛이 서로 다른 매질을 통과할 때 발생하는 속도와 굴절률 차이를 활용해 데이터를 손실 없이 전송하는 첨단 기술입니다 광섬유는 상대적으로 굴절률이 높은 중심의 코어와 굴절률이 낮은 바깥쪽 클래딩의 이중 구조로 설계됩니다 빛이 코어 내부를 진행하다가 코어와 클래딩의 경계면에 임계각보다 큰 각도로 입사하면 밖으로 굴절되어 나가지 못하고 전면 반사되는 전반사 현상이 일어납니다 이 전반사 조건이 지속적으로 유지됨에 따라 빛은 굴절률 경계면에 의해 외부로 새어나가지 않고 내부를 따라 끊임없이 반사되며 멀리 이동할 수 있습니다 결과적으로 전력 손실과 신호 왜곡을 최소화하면서 대용량의 디지털 정보를 초고속으로 장거리 전송하는 핵심 기반이 완성됩니다

Answer 4

안녕하세요. 이수민 전문가입니다.

빛은 굴절률이 큰 매질에서 작은 매질로 나갈 때 경계면 쪽으로 더 눕게 꺾여요. 입사각이 임계각(sinθc = n₂/n₁)을 넘으면 빛이 바깥으로 나가지 못하고 100% 반사돼요. 이게 전반사이고, 일어나려면 안쪽 굴절률이 바깥보다 커야 해요.

광섬유는 이 조건을 그대로 구조로 만든 유리 실이에요. 가운데 코어에 게르마늄을 조금 섞어 굴절률을 1.468 정도로 높이고, 바깥 클래딩은 그보다 0.3~0.5% 낮게 만들어요. 차이가 작아 임계각이 85°쯤 되니, 축과 거의 나란하게 들어온 빛만 갇혀 경계면에 튕기며 나아가요. 전반사는 반사 때 에너지를 잃지 않아 남는 손실은 유리의 흡수와 산란뿐이고, 1550nm 빛 기준으로 1km에 0.2dB 정도라 100km를 가도 1%가 남아 증폭기로 이어 붙일 수 있어요.

장거리용 단일 모드 광섬유는 코어를 9μm까지 줄여 빛이 지나는 경로를 하나로 만들어요. 경로가 여러 개면 비스듬한 빛이 늦게 도착해 신호가 퍼지는데, 이를 막아 대용량 전송이 가능해요. 반대로 광섬유를 너무 급하게 구부리면 입사각이 임계각보다 작아져 빛이 새니 설치할 때 휨 반경을 지켜야 해요 :)