물리학 고3 빛과 정보통신

광섬유와 레이저

전반사를 이용한 광섬유 통신 원리와 레이저 발진 원리(유도 방출)를 이해하고 정보통신·의료 응용 사례를 탐구한다.

광섬유는 굴절률이 큰 코어와 작은 클래딩의 경계에서 일어나는 전반사로 빛을 가두어 멀리 보내는 통신선이고, 레이저는 유도 방출로 위상과 방향이 가지런한 빛을 만드는 광원입니다.

광섬유는 '빛이 새어 나갈 수 없는 미끄럼틀'입니다. 빛이 벽에 부딪힐 때마다 100% 되튕겨 나오므로, 수십 킬로미터를 달려도 신호가 거의 줄지 않습니다.

쉽게 말하면

전반사는 굴절률이 큰 매질에서 작은 매질로 빛이 갈 때, 입사각이 임계각보다 크면 굴절 없이 전부 되돌아 나오는 현상입니다. 임계각 $θ_{c}$ 는 두 매질의 굴절률로 정해집니다.

$sin θ_{c} = \frac{n _{2}}{n _{1}} (n_{1} > n_{2})$

광섬유는 이 조건을 항상 만족하도록 만든 유리 실입니다. 가운데 코어의 굴절률을 바깥 클래딩보다 아주 조금 크게 해 두면, 코어 안에서 축과 거의 나란하게 달리는 빛은 경계에 매우 큰 입사각으로 부딪히므로 계속 전반사되어 갇힙니다. 거울로 감싼 관이 아니라는 점이 핵심입니다 — 금속 거울은 반사할 때마다 조금씩 흡수하지만, 전반사는 원리적으로 빛을 잃지 않습니다.

광섬유로 보내는 것은 전자기파 스펙트럼 중에서도 적외선 영역의 빛입니다. 진동수가 전파보다 훨씬 높으므로 같은 시간에 훨씬 많은 정보를 실어 나를 수 있고, 유리는 전기가 통하지 않아 주변 전자기 잡음의 영향도 받지 않습니다.

이 빛을 만드는 광원이 레이저입니다. 들뜬 상태의 원자에 마침 같은 에너지의 빛이 지나가면, 원자는 그 빛과 파장·위상·진행 방향이 똑같은 빛을 하나 더 내놓고 내려옵니다(유도 방출). 들뜬 원자가 바닥 상태 원자보다 많아지도록 에너지를 계속 넣어 주고(밀도 반전), 두 거울 사이에 빛을 가두어 왕복시키면 이 복제가 눈덩이처럼 불어나 결맞고 단색이며 거의 퍼지지 않는 빛이 나옵니다.

이렇게 나타납니다

예시 1

코어와 클래딩의 임계각 계산

$sin θ_{c} = \frac{n _{2}}{n _{1}} = \frac{1.48}{1.50} \approx 0.987 \Rightarrow θ_{c} \approx 80. 6^{\circ}$

코어 굴절률 $1.50$ , 클래딩 $1.48$ 이라면 임계각이 약 $80. 6^{\circ}$ 입니다. 즉 빛이 경계면의 법선과 $80. 6^{\circ}$ 보다 큰 각으로 부딪혀야 전반사되는데, 이는 곧 빛이 광섬유 축과 거의 나란하게 달려야 한다는 뜻입니다. 그래서 광섬유 입구에 빛을 아무 각도로나 쏘아 넣으면 안 됩니다.
예시 2

레이저 발진에 반드시 필요한 세 가지

빛을 내놓을 매질(기체·결정·반도체 등), 그 매질을 계속 들뜨게 만드는 에너지 공급(펌핑), 그리고 빛을 왕복시키는 두 개의 거울(공진기)입니다. 거울 한쪽은 살짝 투과성이 있어서, 증폭된 빛의 일부가 그쪽으로 새어 나온 것이 우리가 보는 레이저 빔입니다.
예시 3

광통신 — 빛을 껐다 켜서 0과 1을 보낸다

레이저를 빠르게 껐다 켜서 0과 1의 펄스를 만들고, 광섬유로 보낸 뒤 반대편에서 광다이오드가 다시 전기 신호로 바꿉니다. 신호가 약해지는 정도가 구리선보다 훨씬 작아서, 중간에 증폭기를 훨씬 드물게 놓아도 됩니다.

순서대로 하면

전반사가 일어나는지 판단하는 순서

1빛이 굴절률이 큰 쪽에서 작은 쪽으로 가는지 먼저 확인합니다. 반대 방향이면 전반사는 절대 일어나지 않습니다.
2 $sin θ_{c} = n_{2} / n_{1}$ 로 임계각을 구합니다.
3입사각을 '법선과 이루는 각'으로 재고 있는지 확인합니다. 경계면과 이루는 각으로 재면 답이 뒤집힙니다.
4입사각이 임계각보다 크면 전반사, 작으면 일부가 굴절되어 빠져나갑니다.

전구의 빛과 레이저의 빛

구분	전구·형광등	레이저
방출 과정	자발 방출 — 원자가 제각각 아무 때나 방출	유도 방출 — 지나가는 빛이 똑같은 빛을 복제
위상	제멋대로(결맞지 않음)	가지런함(결맞음)
파장	여러 파장이 섞임	거의 한 가지 파장(단색광)
퍼짐	사방으로 퍼짐	거의 평행하게 직진

자주 하는 오해

광섬유 속을 거울이 감싸고 있다고 생각하기

이렇게 생각하기 쉬움광섬유 안쪽 벽이 거울이라서 빛이 반사되며 나아간다

실제로는거울이 아니라 굴절률이 조금 더 작은 유리(클래딩)입니다. 반사를 일으키는 것은 코팅이 아니라 두 유리의 굴절률 차이입니다.

금속 거울은 반사할 때마다 몇 퍼센트씩 빛을 흡수해서, 수천 번 반사하면 신호가 남지 않습니다. 전반사는 이름 그대로 들어온 빛을 전부 되돌려 보내므로 장거리 전송이 가능합니다. 광섬유가 유리로만 만들어지는 이유입니다.

레이저가 특별한 이유를 '아주 세기 때문'이라고 생각하기

이렇게 생각하기 쉬움레이저는 빛이 아주 세서 종이도 태우고 멀리까지 간다

실제로는레이저의 본질은 세기가 아니라 위상이 가지런하고(결맞음), 파장이 한 가지이며(단색), 거의 퍼지지 않는다(직진성)는 점입니다.

레이저 포인터의 출력은 형광등보다 훨씬 작습니다. 그런데도 밝은 점으로 보이는 것은, 그 적은 에너지가 퍼지지 않고 한 점에 모이기 때문입니다. 유도 방출로 나온 빛은 원래 빛과 위상·방향·파장이 같아서 서로 보강 간섭하며 한 다발로 뭉칩니다 — 세기는 그 결과이지 원인이 아닙니다.

선수 개념 — 이걸 먼저 알아야 해요

전반사고2 빛의 간섭·편광과 광학기기고3 전자기파 스펙트럼고3

이후 개념 — 이 개념을 배우면 이어집니다

영상기술과 의료진단고3

같은 단원의 개념 — 빛과 정보통신

빛의 간섭·편광과 광학기기고3 영상기술과 의료진단고3

자주 묻는 질문

Q1광섬유를 구부리면 빛이 새어 나가나요?

완만하게 구부리면 괜찮습니다. 구부러진 곳에서도 빛이 경계면에 부딪히는 각이 여전히 임계각보다 크기 때문입니다. 하지만 아주 급하게 꺾으면 바깥쪽 벽에 부딪히는 입사각이 임계각보다 작아지는 지점이 생기고, 거기서 빛이 굴절되어 빠져나갑니다. 광케이블 시공에 최소 곡률 반지름 규정이 있는 이유입니다.

Q2레이저 빔은 정말 전혀 퍼지지 않나요?

아주 조금은 퍼집니다. 빔이 좁은 구멍을 통과하는 셈이라 회절을 피할 수 없기 때문입니다. 다만 퍼짐이 극히 작아서, 달까지 쏘아 보내도 빔이 수 킬로미터 정도로만 넓어집니다. '퍼지지 않는다'가 아니라 '퍼짐이 물리적으로 허용된 최소에 가깝다'가 정확한 표현입니다.

Q3광섬유가 구리선보다 나은 점이 무엇인가요?

신호 손실이 훨씬 적어 중계기 없이 멀리 갈 수 있고, 빛의 진동수가 높아 같은 시간에 훨씬 많은 정보를 실을 수 있으며, 전기가 통하지 않아 번개나 주변 기기의 전자기 잡음에 영향을 받지 않습니다. 가늘고 가벼워 한 다발에 많이 넣을 수 있다는 점도 큽니다.

교육과정 2022 개정 · 고3 물리학 · 빛과 정보통신 수록 기본 (교육과정 단원)

출처 교육부 고시 제2022-33호 (2022 개정 교육과정) · NCIC 국가교육과정정보센터

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