매일 쓰는 초고속 인터넷과 스마트 기기, 과연 어떤 원리로 작동하는지 궁금하지 않으셨나요? 당연하게 누려온 빠르고 편리한 통신망 이면에는 ‘레이저’와 ‘광섬유’라는 놀라운 물리적 혁신이 숨어 있습니다. 세상을 아날로그에서 디지털 바꾸고, 초고속 인터넷을 만든 광통신의 비밀을 소개합니다.
[참고자료] 과학·기술의 역사 <시라토리 케이 著>
아날로그에서 디지털로 바꾼 현대 과학기술
【1분 순삭】바쁜 당신을 위한 핵심 포인트
① 세상을 바꾼 레이저의 탄생
아날로그를 디지털로 바꾼 핵심 기술. 원자의 ‘유도 방출’ 원리를 이용해 파장과 위상이 일치하는 강력하고 곧은 단색광을 만들어냅니다.
② 무한한 확장성을 가진 활용도
단순한 조명이 아닙니다. 미세 정밀 가공, 의료용 메스, 3D 지형 측정(라이다), 심지어 핵융합과 원자 냉각 기술 등 첨단 물리학의 최전선에서 활약합니다.
③ 빛을 가두는 마법, 광섬유의 원리
머리카락 굵기의 유리관 내부에 빛을 쏘아 보냅니다. 굴절률이 다른 ‘코어’와 ‘클래드’의 이중 구조가 빛의 ‘전반사’를 일으켜 데이터를 손실 없이 수백 km 밖으로 전송합니다.
④ 상상을 초월하는 초고속 인터넷의 비밀
단일 파장의 한계를 넘기 위해 여러 파장의 빛을 한 가닥에 섞어 보내는 WDM(파장 분할 다중) 기술을 적용하여, 1테라바이트 데이터를 눈 깜짝할 새(2만 분의 1초)에 보내는 통신 혁명을 이뤘습니다.
⑤ 광통신의 역사와 숨겨진 비하인드
19세기 물줄기를 따라 빛이 휘어지는 실험에서 착안해 내시경을 거쳐 현대의 통신망으로 진화했습니다. 이 위대한 발견 뒤에는 노벨상을 휩쓴 과학자들과 아쉽게 기회를 놓친 천재들의 흥미로운 역사도 숨어 있습니다.
I. 현대 과학기술을 뒤바꾼 레이저의 탄생
■ 아날로그를 디지털로 바꾼 빛의 기술
제2차 세계대전 이후, 전 세계는 생존을 위한 군사 기술을 경제 발전을 위한 상용 기술로 전환하기 시작했다. 이 시기 트랜지스터와 컴퓨터 기술의 등장과 함께 인류 사회를 아날로그에서 디지털로 완전히 탈바꿈시킨 결정적인 발명품이 바로 레이저(LASER)다.
■ 물리학이 만든 유도 방출의 기적
① 레이저는 ‘유도 방출에 의한 빛의 증폭 방사’를 뜻하는 영문 약자다. 전자에 빛 에너지를 가해 높은 궤도로 들뜨게 한 뒤, 다시 안정된 궤도로 떨어질 때 발생하는 잉여 에너지를 빛의 형태로 정밀하게 통제하여 뿜어내는 원리다.
② 일반적인 빛과 달리 레이저는 주파수가 일정한 단색광이며, 파장과 위상이 완벽하게 일치하는 코히런트(결맞음) 특성을 지닌다. 또한, 빛이 흩어지지 않고 한 방향으로 곧게 뻗어나가는 강한 지향성 덕분에 에너지가 쉽게 줄어들지 않는다.
II. 산업과 일상을 지배하는 레이저의 활용
■ 다방면으로 확장되는 레이저 응용 기술
① 레이저는 빛을 방출시키는 매질(고체, 가스, 액체, 반도체)에 따라 다양하게 분류된다. 이는 곧 산업용 정밀 가공부터 레이저 메스나 암 치료 같은 최첨단 의료 분야, 초정밀 지표면 측량(라이다)까지 광범위하게 쓰임을 의미한다.
② 현대 물리학에서는 레이저의 비선형 효과를 이용한 고차 분광 분석이나, 절대영도에 가깝게 원자의 움직임을 얼려버리는 레이저 냉각 기술도 활발히 연구 중이다. 심지어 차세대 에너지원인 핵융합로의 초고온·초고압 환경을 조성하는 데에도 레이저가 핵심적인 역할을 수행한다.
III. 초연결 시대를 연 광통신과 광섬유 원리
■ 레이저 기술의 최대 아웃풋, 광통신망
① 태양광과 유사한 백색광은 조명에 적합하지만 통신용으로는 쓸 수 없다. 반면 위상과 파장이 일정한 레이저 빛은 정보 전송에 최적화되어 있다. 이 빛을 멀리까지 손실 없이 보내기 위해 고안된 특수 매질이 바로 광섬유다.
② 거리의 전봇대에서 흔히 볼 수 있는 알록달록한 통신 케이블의 내부에는 머리카락 두께(약 125마이크로미터)의 석영 유리 가닥이 들어있다.
■ 빛의 전반사를 이용한 초고속 데이터 전송
① 광섬유는 중심부인 ‘코어’와 이를 둘러싼 ‘클래드’의 이중 구조를 갖는다. 코어의 굴절률을 클래드보다 약간 높게 설계하면, 내부로 들어온 레이저 빛이 경계면에서 100% 반사되는 ‘전반사 현상’을 일으켜 밖으로 새어 나가지 않고 수백 킬로미터까지 뻗어나간다. 주로 직진성이 뛰어나고 감쇠가 적은 1550나노미터 파장의 적외선 레이저가 활용된다.
② 최신 기간망에서는 ‘파장 분할 다중(WDM)’ 방식을 통해 하나의 광섬유에 여러 파장의 빛을 동시에 쏘아 보낸다. 그 결과 초당 23페타비트(1테라바이트 용량 데이터를 2만 분의 1초 만에 전송)라는 경이로운 통신 속도를 구현해 냈다.
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[참고자료]
베레출판社 <「과학·기술의 역사」를 한 권으로 통째로 알 수 있다> 시라토리 케이 著