[MHN과학] 세상에서 가장 빠른 통신 방법 2009 노벨 물리학상: 광섬유
  • 권성준 기자
  • 승인 2020.12.02 15:24
  • 댓글 0
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전반사 현상을 이용하여 손실 없이 정보 전달 가능
찰스 가오, 최초로 광섬유 실증...2009년 노벨 물리학상
출처: 픽사베이
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[문화뉴스 MHN 권성준 기자] 광랜이 보급되기 시작한 것은 2000년대 초반이었다. 그 이전만 하더라도 인터넷은 구리로 이루어진 동축선으로 연결되었다. 더 옛날엔 전화기선으로 연결되어 전화를 사용하면 인터넷은 사용할 수 없었다.

21세기가 된 현재 그런 인터넷은 80~90년대를 다룬 영화에서 밖에 볼 수 없다. 이제 세상은 구리선을 통해 전기로 인터넷을 연결하지 않는다. 광섬유라고 불리는 플라스틱 선으로 빛을 이용해 인터넷을 연결한다.

광섬유와 광랜의 등장으로 인터넷은 비약적인 발전을 이루게 된다. 전자보다 훨씬 빠른 빛의 속도로 정보를 전달하기 때문에 인터넷 속도가 비교도 할 수 없을 정도로 빨라졌으며 2020년 현재는 1초에 10기가 바이트를 전송하는 10기가 인터넷에 대한 말도 나오고 있다.

출처: 픽사베이
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빛은 세상에서 가장 빠른 존재이다. 정확히 말하자면 빛의 속도는 우주의 속도 상한선이다. 이 우주의 어떤 물질도 정보도 빛의 속도, 광속을 초월하여 전달될 수는 없다. 질량을 가진 물체는 절대로 빛의 속도에 도달할 수가 없으며 최고 속도로 달리는 빛은 질량이 없다.

빛은 질량이 없기 때문에 광속으로 달리며 속도가 변하지 않는다. 즉, 정지해 있을 수가 없다. 이러한 성질을 보면 빛으로 정보를 전달하는 것은 우주에서 가장 빠른 방법으로 정보를 전달하는 방법이라고 말할 수 있다.

출처: 픽사베이
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빛이 가지는 중요한 성질 중 하나는 파동의 성질을 가진다는 점이다. 광섬유는 빛의 파동성을 이용해 만든다. 어떠한 원리인지 보기 위해선 먼저 고전적인 파동의 성질부터 알아보아야 한다.

고전적으로 파동은 운동이나 에너지가 매질의 진동을 통해 전달되는 현상을 의미한다. 이러한 기술은 탄성파를 의미하며 빛, 다시 말해 전자기파는 매질 없이 전기장과 자기장의 진동으로 에너지를 전달한다.

하지만 매질의 유무와 관계없이 두 파동은 파동 방정식이라는 수학적으로 동등한 형태의 방정식으로 기술된다. 그래서 탄성파가 가지는 많은 성질을 전자기파도 그대로 가지는데 그중 한 성질로 반사가 있다.

출처: 미국 물리학회
출처: 미국 물리학회

파동은 한 매질에서 다른 매질로 진행할 때 경계면에서 반사와 굴절 현상을 일으킨다. 매질의 점성과 같은 물성으로 인해 흔들림의 정도가 다르고 이는 곧 매질에 따라 파동의 속도가 변한다는 의미이다.

파동이 다른 매질로 들어가면 속도가 변하는데 이를 파동 방정식의 해를 이용해 기술할 수 있다. 운동량 보존 법칙과 에너지 보존 법칙을 여기에 적용시키면 매질의 경계면에서 파동의 반사와 투과가 일어남을 알 수 있다.

투과한 파동은 변한 속도가 페르마의 원리를 만족하는 방향으로 휘어지게 되고 반사하는 파동은 운동 방향이 변하고 속력은 변하지 않았으므로 입사한 파동과 정확하게 같은 각도로 반사한다.

출처: 노벨 재단
출처: 노벨 재단

만약 빛이 느린 매질에서 빠른 매질로 진행하는 경우 입사각보다 굴절각이 크다. 입사각을 점점 키울 경우 굴절각 또한 점점 커지는데 그러다 굴절각이 90도가 되는 순간이 찾아올 수 있다.

빛은 항상 진행하는 데 최단 시간이 걸리는 경로를 선택한다는 페르마의 원리를 따르는데 굴절각이 90도가 되면서 더 이상 빠른 매질로 진행할 수 있는 경로가 존재하지 않게 된다. 이때의 입사각 조건은 스넬의 법칙을 이용해 구할 수 있다.

입사각이 더 커지면 이제 빛은 다른 매질로 진행하지 못하고 경계면에서 전부 반사된다. 이러한 현상을 전반사라고 한다. 이 경우 파동의 에너지가 다른 매질로 넘어가는 경우가 존재하지 않으므로 모든 에너지가 고스란히 반사된다.

출처: 노벨 재단
출처: 노벨 재단
광섬유 구조

광섬유는 이 전반사를 이용해 정보를 전달한다. 얇은 도선 안에서 전반사가 일어나는 각도 영역으로 빛을 쏘면 도선 내에서 계속해서 전반사가 일어나 에너지 손실 없이 빛의 정보를 원하는 곳으로 전달할 수 있다.

빛의 깜빡임을 이용해 1,0으로 이루어진 정보를 만들면 광섬유를 통해 빛의 속도로 이 정보를 전달할 수 있다. 현대의 초고속 인터넷은 이 원리를 이용해 만들어졌으며 전기의 흐름을 조절해 1,0을 만들던 과거 구리선 인터넷과 비교도 안되는 속도를 가진다.

전반사 현상은 먼 옛날부터 알려져 왔고 이를 이용해 정보를 전달하자는 생각도 오랫동안 제시되어 왔던 아이디어였다. 하지만 실제 현실에서 도선 속의 빛이 항상 전반사 조건을 만족하도록 만들기 어려웠고 만들어진 광섬유들은 전부 에너지 손실이 구리보다 큰 상황이었다.

출처: 노벨 재단 / 찰스 가오
출처: 노벨 재단 / 찰스 가오

하지만 20세기가 되어 레이저가 발명되고 전반사 조건을 맞추기 쉬어졌고 물리학자 찰스 가오가 가볍고 깨끗한 유리를 이용하여 광섬유를 만들면 장거리로 빛을 전송할 수 있는 기술을 발명하면서 실증되기 시작하였다.

결국 21세기 들어 광섬유는 완벽하게 상용화되었고 현재는 광섬유가 아닌 인터넷을 찾기가 더 어려워졌다. 이러한 업적을 인정받아 가오는 2009년 노벨 물리학상을 수상하였다.

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[MHN과학] 세상에서 가장 빠른 통신 방법 2009 노벨 물리학상: 광섬유

전반사 현상을 이용하여 손실 없이 정보 전달 가능
찰스 가오, 최초로 광섬유 실증...2009년 노벨 물리학상





 
 



 
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