초고속 인터넷에 쓰이는 광섬유(유리 섬유) 내부에서 빛이 전반사되며 진행하도록, 코어 부분의 이산화규소에 게르마늄 등의 산화물을 첨가하여 굴절률을 높이는 원리는 무엇인가요?

Question

초고속 인터넷에 쓰이는 광섬유(유리 섬유) 내부에서 빛이 전반사되며 진행하도록, 코어 부분의 이산화규소에 게르마늄 등의 산화물을 첨가하여 굴절률을 높이는 무기 재료적 원리는 무엇인가요?

Answer 1

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.

광섬유의 코어에 게르마늄과 같은 산화물을 첨가하여 굴절률을 높이는 원리는 재료 내부의 전자 분극률과 밀도 변화로 설명할 수 있습니다. 굴절률이라는 수치는 본래 빛이 매질을 통과할 때 그 안의 전자들과 상호작용하며 속도가 느려지는 정도를 의미합니다.

​먼저 무기 재료적 관점에서 게르마늄 원자는 기존의 규소 원자에 비해 원자 번호가 크고 전자 구름의 크기가 훨씬 넓습니다. 이렇게 원자핵으로부터 멀리 떨어진 외곽 전자가 많아지면 외부에서 들어오는 빛의 전자기파 에너지를 받았을 때 전자 구름이 더 쉽게 변형되는데, 이를 분극률이 높다고 표현합니다. 코어 내부에 분극률이 큰 게르마늄 이온이 배치되면 빛과의 상호작용이 강해지면서 빛의 위상 속도가 늦춰지게 되고, 결과적으로 순수한 이산화규소보다 높은 굴절률을 갖게 됩니다.

​또한 원자량의 차이에 따른 물리적 밀도 변화도 중요한 요인입니다. 게르마늄은 규소보다 무거운 원소로, 유리 망상 구조 내에서 규소 자리를 대신하며 매질의 광학적 밀도를 높입니다. 입자가 조밀하고 무거워질수록 전자기적 간섭이 빈번해져 빛을 더 강하게 붙잡아두는 효과가 발생합니다. 이렇게 인위적으로 굴절률을 높인 코어를 굴절률이 낮은 클래딩이 감싸게 되면, 빛이 경계면에서 밖으로 나가지 못하고 안쪽으로 튕겨 들어오는 전반사 현상이 일어나 초고속 데이터 전송이 가능해집니다.

Answer 2

안녕하세요.

초고속 인터넷에 사용되는 광섬유에서 빛이 손실 없이 멀리 전달되기 위해서 섬유 내부에서 빛이 계속해서 전반사를 일으키며 진행해야 합니다. 이를 위해 광섬유는 중심의 코어와 그 바깥의 클래딩으로 이루어지는데요, 이때 코어의 굴절률이 클래딩보다 더 커야 합니다. 아무래도 순수한 이산화규소 만으로는 굴절률 차이를 충분히 크게 만들기 어렵기 때문에, 코어 부분에는 게르마늄 산화물과 같은 물질을 소량 첨가하는데요, 이때 유리의 전자 구조와 분극 특성이 변하면서 굴절률이 증가합니다. 굴절률은 물질 내부에서 빛의 속도가 얼마나 느려지는지를 나타내며, 이는 물질의 전자 구름이 외부 전자기파에 얼마나 잘 반응하여 분극되는지와 밀접하게 관련되어 있습니다. 게르마늄은 규소보다 원자 번호가 크고 전자 수가 많기 때문에, Ge–O 결합은 Si–O 결합보다 전자 구름이 더 쉽게 변형되는 높은 분극률을 가집니다. 이로 인해 빛이 통과할 때 전자들이 더 크게 반응하고, 그 결과 빛의 진행 속도가 더 느려지면서 굴절률이 증가하게 됩니다. 이렇게 코어의 굴절률이 클래딩보다 커지면, 빛이 코어 내부에서 경계면에 도달할 때 임계각보다 큰 각도로 입사하게 되어 외부로 빠져나가지 못하고 완전히 반사되는 전반사 조건이 성립합니다. 그 결과 빛은 섬유 내부를 따라 거의 손실 없이 길게 전달될 수 있습니다. 감사합니다.