춘천 과학 교실 - LED 광섬유 오르골 만들 기 성림 초등 학교 고준 [ 전자 정보 분야 20 세기 이후 10 대 사건 5 ] 이 제 는 빛 으로 통한다 . 광섬유 의 등장 춘천 과학 교실 - LED 광섬유 오르골 만들 기 성림 초등 학교 고준 19 세기 말 에 시작 된 정보 통신 기술 의 발전 은 점점 가속 이 붙 어서 최근 에 와서 는 인터넷 을 중심 으로 우리 일상 생활 은 물론 사회 구조 를 뿌리 째 바꿔 놓 고 있 다 . 거대 한 지식 이 축적 되 고 전파 되 고 있 으며 개인 과 개인 사이 는 물론 국가 나 회사 와 같 은 조직 의 내 외부 소통 방식 도 많 은 부분 정보 통신 기술 에 의존 하 게 되 었 다 . 이러 한 변화 를 가능 하 게 한 다양 한 기술 들 이 있 지만 많 은 정보 를 장거리 에 값싸 게 전달 하 는 것 이 가능 하 도록 한 광통 신 기술 은 정보 통신 혁명 의 속도 를 한층 높여 준 터보 엔진 이나 다름없 다 . 19 세기 , 전자기파 통신 의 가능 성 을 열 다 그림 1 모르 스 전신기 . 사진 제공 : storyrobot . com 춘천 과학 교실 - LED 광섬유 오르골 만들 기 성림 초등 학교 고준 19 세기 는 전자기학 에 대한 많 은 발견 이 이루어진 시기 다 . 맥스웰 같 은 과학자 들 의 발견 으로 우리 는 전파 나 빛 등 이 모두 전자기파 이 며 다만 서로 파장 이 다를 뿐 임 을 알 게 되 었 다 . 전자기파 를 이용 해 서로 멀리 떨어진 사이 에 통신 을 하 는 방법 은 전자기파 에 대한 충분 한 이해 가 없 던 시절 에 일찌감치 개발 되 었 다 . 적절 한 주파수 의 전자기파 를 발생 시키 는 장치 와 여기 에 신호 를 싣 는 장치 로 송신기 를 만들 었 고 , 이 전자기파 신호 를 받 아 신호 를 걸러 내 는 수신기 를 만들 었 다 . 송신기 와 수신기 사이 에서 신호 를 실 은 전자파 는 자유공간 을 지날 수 도 있 고 ( 무선 통신 ) 특정 한 도파 로 를 따라 갈 수 도 있 다 ( 유선 통신 ) . 1837 년 에 미국 의 사무엘 모르 스 ( Samuel F . B . Morse , 1791 – 1872 ) 는 전신기 를 발명 해서 수백 , 수천 km 떨어진 장소 사이 에서 모르 스 부호 를 이용 해 실시간 으로 정보 를 주고받 는 장거리 유선 통신 시대 를 열 었 다 . 약 40 년 뒤 인 1886 년 에 는 미국 의 벨 ( A . G . Bell ) 이 전화 를 발명 하 여 유선 통신망 은 급속 하 게 발전 해 나갔 다 . 1890 년 대 에 이탈리아 의 마르코니 ( G . M . Marconi ) 는 무선 전신 기술 을 발전 시켜 ‘ 전선 ’ 을 설치 해야 하 는 유선 통신 의 한계 를 넘어섰 다 . 그 는 1900 년 에 는 대 서양 횡단 무선 통신 에 성공 하 였으며 , 이 업적 으로 1909 년 에 노벨 물리학상 을 받 았 다 . 이런 무선 통신 을 이용 한 대표 적 인 기기 가 라디오 다 . 우리 가 듣 는 AM 라디오 는 수백 kHz , FM 라디오 는 수십 MHz , 그리고 무선 전화 는 수 GHz 정도 파장 을 갖 는 전자기파 를 사용 한다 . 주파수 할당 과 혼선 의 걱정 이 없 는 유선 통신 그림 2 1941 년 동축 케이블 . 사진 제공 : AT & T 춘천 과학 교실 - LED 광섬유 오르골 만들 기 성림 초등 학교 고준 전선 이 없이 신호 를 주 고 받 는 무선 통신 의 위력 은 대단 한 것 이 었 지만 , 계속 발전 하 고 있 는 통신망 의 주축 은 유선 통신 이 었 다 . 무선 통신 은 같 은 주파수 할당 이나 혼선 의 문제 가 있 었 지만 , 유선 통신 에서 는 신호 를 실 은 전자파 가 송신기 와 수신기 사이 에 직접 연결 된 도파 로 를 지나 기 때문 에 신뢰 성 있 게 장거리 전송 이 가능 했 기 때문 이 다 . 유선 통신 을 연구 한 과학 기술자 들 은 가능 한 한 많 은 정보 를 가능 한 한 먼 거리 에 값싸 고 신뢰 성 있 게 전달 하 기 위해 노력 했 다 . 이 들 은 전자기파 의 주파수 가 클수록 단위 시간 당 많 은 신호 를 운반 할 수 있 다는 사실 을 알아내 어 , 높 은 주파수 의 전자기파 를 발생 시키 는 다양 한 방법 을 연구 했 다 . 또한 신호 를 실 은 전자기파 는 송신기 에서 수신기 로 가 는 과정 에서 신호 의 크기 가 작아지 는 단점 이 있 었 다 . 전자기파 가 물리 적 으로 확산 될 수 도 있 고 중간 매질 에서 흡수 나 분산 이 생겼 기 때문 이 다 . 과학 기술자 들 에게 이러 한 에너지 손실 과 잡음 보다 충분히 큰 전자기파 신호 를 수신기 까지 정확 하 게 전달 하 는 일 이 큰 숙제 로 남 았 다 . 많 은 연구 와 노력 끝 에 과학자 들 은 전자기파 신호 를 손실 없이 정확 하 게 보내 는 방법 을 알아냈 다 . 중심 에 도체 가 있 고 이 를 부도체 로 둘러싼 다음 , 다시 그 바깥 을 원통형 도체 로 둘러싸 고 있 는 구조 로 전선 을 만들 면 , 전자기파 가 두 도체 사이 에 갇혀서 지 나간다 . 이런 전선 을 두 도체 축 이 같 다고 하 여 ‘ 동축 케이블 ’ 이라고 부른다 . 그러나 동축 케이블 은 전송 가능 한 전자파 는 진동수 가 수 GHz 를 넘 지 않 아 에너지 손실 은 여전 해 , 수백 미터 나 수 km 이내 에 신호 가 원래 크기 의 백 분 의 일 이하 로 줄어드 는 단점 이 있 었 다 . 따라서 신호 를 장거리 전송 하 려면 수 km 마다 신호 를 받 은 다음 다시 새 전자파 에 실 어 보내 는 중계기 를 설치 해야 했 다 . 유리 섬유 에 레이저 를 쏘 다 1958 년 에 타운 즈 ( Charles H . Townes , 1915 – ) 는 레이저 를 발명 했 다 . 레이저 는 특정 한 주파수 의 빛 을 만들 어 낸다 . 즉 수백 THz 나 되 는 높 은 주파수 의 전자파 발생 장치 가 태어난 것 이 다 . 그 는 이 업적 으로 1964 년 에 노벨 물리학상 을 수상 했 다 . 이 를 이용 해 통신 을 하 려는 시도 가 생겼 다 . 다시 말 해 적 은 손실 로 빛 신호 를 장거리 전송 하 는 도파 로 를 만들 어 내 려는 노력 이 시작 된 것 이 다 . 그림 3 1953 년 레이저 를 발명 한 찰스 타운스 . 사진 제공 : pointerpen . net 춘천 과학 교실 - LED 광섬유 오르골 만들 기 성림 초등 학교 고준 중국 계 미국인 과학자 카오 ( Charles K . Kao , 1933 – ) 연구 팀 은 1966 년 에 발표 한 논문 에서 유리 로 된 섬유 를 레이저 신호 의 전송로 로 쓸 것 을 주장 했 다 . 즉 직경 이 빛 의 파장 백 배 정도 되 는 원통형 유리 섬유 를 만들 고 이 의 중심축 에 빛 의 파장 정도 직경 을 갖 는 범위 안 의 굴절 율 을 1 % 정도 높인 광섬유 구조 를 처음 제안 한 것 이 다 . 가운데 유리 섬유 의 굴절 율 을 높이 면 전반사 현상 으로 빛 이 중심축 에서 벗어나 지 않 는다 . 또한 굴절 율 높 은 부분 의 크기 를 파장 크기 정도 로 작 게 하 면 빛 의 경로 가 여럿 이 생기 지 않 고 하나 로 되 어 장거리 전송 이 가능 하 다 . 이 를 단일 모드 광섬유 라고 한다 . 당시 이 이론 을 근거 로 만든 실제 광섬유 는 손실 이 1 , 000 dB / km 수준 이 었 다 . 즉 빛 이 불과 20 m 가 면 원래 세기 의 백 분 의 일 수준 으로 작아져서 사실상 장거리 전송 이 불 가능 했 다 . 그러나 이 들 은 이러 한 손실 은 불순물 때문 이 고 유리 자체 의 특성 은 훨씬 투명 해서 손실 을 20 dB / km ( 1 km 에 100 배 의 손실 ) 이하 로 낮출 수 있 으며 이러 한 광섬유 를 이용 하 면 1 Gb / s 정도 의 고속 신호 를 전송 하 는 것 이 가능 할 것 이 라고 예측 했 다 . 이 논문 은 유리 로 된 섬유 로 레이저 의 도파 로 를 만들 려는 경쟁 에 불 을 지폈 다 . 이 공로 로 카오 는 2009 년 에 노벨 물리학상 을 받 았 다 . 수백 Km 를 가 도 손실 은 1 % 이하 카오 의 도전 적 인 예측 에 힘입 어 유리 섬유 를 이용 한 광통 신 기술 은 급격히 발전 했 다 . 1970 년 에 코닝 ( Corning ) 사 의 모러 ( Maurer ) , 켁 ( Keck ) , 그리고 슐츠 ( Schultz ) 는 티타늄 을 도핑 하 여 17 dB / km 수준 의 단일 모드 광섬유 제작 에 성공 했 다 . 이 들 은 1972 년 6 월 에 는 Ge 를 도핑 하 여 삽입 손실 을 4 dB / km 로 줄였 다 . 이어서 1978 년 일본 의 NTT 이바라키 연구소 ( Ibaraki Electrical Communication Laboratory ) 의 연구원 인 미야 ( T . Miya ) , 테루 누마 ( Y . Terunuma ) , 호사카 ( T . Hosaka ) 그리고 미야시타 ( T . Miyashita ) 는 1 . 55 μ m 대역 에서 단일 모드 광섬유 삽입 손실 기록 을 0 . 2 dB / km 로 단축 했 다 . 30 년 이 지난 현재 쓰이 고 있 는 광섬유 의 삽입 손실 도 이 와 큰 차이 가 없 다 . 게다가 이 들 은 광섬유 를 대량 으로 생산 하 는 기술 도 확보 했 다 . 이제 100 km 를 전송 해도 원래 빛 의 세기 에서 1 % 이상 이 유지 되 는 장거리 광통 신 시대 가 열린 것 이 다 춘천 과학 교실 - LED 광섬유 오르골 만들 기 성림 초등 학교 고준 그렇지만 광섬유 를 통해 장거리 전송 을 하 기 위해서 는 수십 km 마다 중계기 를 통해 신호 를 재생 해야 했 다 . 광 신호 에서 신호 를 찾아내 어 새로운 광원 에 다시 신호 를 싣 는 과정 에 는 신호 의 광 / 전 변환 ( 광 신호 에서 전기 신호 로 변환 ) 에 이 은 전 / 광 변환 ( 전기 신호 에서 광 신호 로 변환 ) 이 라는 복잡 한 절차 가 필요 하 다 . 이 를 수행 하 는 광중 계기 의 가격 은 매우 비쌌 다 . 하지만 1986 년 에 영국 사우스 햄프턴 대학 의 리키 ( Reekie ) , 풀 ( Poole ) , 그리고 미어 즈 ( Mears ) 는 광 신호 를 광 / 전 , 전 / 광 변환 없이 광 신호 를 그대로 증폭 하 는 ‘ 어븀 도핑 광 증폭기 ’( EDFA , Erbium - doped fiber amplifier ) 를 발명 했 다 . 다음 해 에 는 미국 벨 연구소 ( Bell Labs ) 에서 성능 을 향상 시켜 중계기 없이 저렴 한 가격 의 광 증폭기 만 사용 하 여 수백 km 를 넘 는 장거리 전송 이 가능 하 게 되 었 다 . EDFA 의 광 신호 증폭 기능 은 매우 우수 하 여 넓 은 주파수 대역 의 여러 광 신호 를 동시 에 증폭 해 줄 수 있 다 . 즉 하나 의 광섬유 선로 에 적절 한 간격 마다 EDFA 광 증폭기 를 설치 하 면 , 이 선로 를 통해 서로 일정 한 간격 ( 50 GHz 혹은 100 GHz ) 의 주파수 를 갖 는 수십 개 의 광 신호 를 동시 에 전송 할 수 있 다 . WDM ( Wavelength Division Multiplexing ) 라고 불리 는 이 기술 은 1990 년 대 초반 에 상용 화 되 었 다 . 최근 에 는 하나 의 광섬유 를 통해 광 신호 100 개 를 40 Gb / s 속도 로 전달 하 는 수 Tb / s 급 기술 은 상용 화 되 어 사용 되 고 있 으며 , 실험실 에서 는 수십 Tb / s 급 기술 이 구현 되 고 있 다 . 광섬유 는 천 년 을 버틸 기술 그림 5 광 통신 의 원리 : 굴절 율 이 다른 두 매질 을 통과 하 는 빛 의 전반사 를 이용 해 빛 신호 를 전달 한다 . 사진 제공 : 위키피디아 춘천 과학 교실 - LED 광섬유 오르골 만들 기 성림 초등 학교 고준 오늘날 세계 는 이미 많 은 광섬유 로 뒤덮여 있 다 . 각 국가 마다 갖추 고 있 는 유선 통신망 은 물론 이 고 각 국가 와 대륙 을 연결 해 주 는 해저 케이블 도 광섬유 로 이루어져 있 다 . 물론 아직 도 비교 적 짧 은 구간 에 는 동축 케이블 이나 그 밖 에 다양 한 형태 의 통신 케이블 이 전기 신호 를 전송 하 고 있 다 . 그러나 통신 수요 가 증가 함 에 따라 값싸 고 편리 한 고속 광 통신 을 위해 이 들 은 계속 광섬유 로 대체 되 고 있 다 . 우리 나라 에서 는 아파트 등 건물 을 지 을 때 각 세대 마다 광섬유 가 연결 되 도록 정책 적 으로 장려 하 고 있 다 . 최근 일본 에서 는 아예 ‘ 빛 의 길 ’ 이 라는 이름 으로 모든 가정 을 광섬유 로 연결 하 겠 다고 선언 하 였 다 . 예측 불허 의 기술 발전 시대 임 에 도 광섬유 연구 로 노벨 물리학상 을 수상 한 카오 박사 말 대로 ‘ 광섬유 는 향후 천 년 을 버틸 기술 ’ 인지 지켜볼 일 이 다 . www . scienceall . com / % ec % 9 d % b 4 % ec % a 0 % 9 c % eb % 8 a % 94 -% eb % b 9 % 9 b % ec % 9 c % bc % eb % a 1 % 9 c -% ed % 86 % b 5 % ed % 95 % 9 c % eb % 8 b % a 4 -% ea % b 4 % 91 % ec % 84 % ac % ec % 9 c % a 0 % ec % 9 d % 98 -% eb % 93 % b 1 % ec % 9 e % a 5 / 이제 는 빛 으로 통한다 . 광섬유 의 등장 | 과학 문화 포털 사이언스 올 [ 전자 정보 분야 20 세기 이후 10 대 사건 5 ] 이 제 는 빛 으로 통한다 . 광섬유 의 등장 19 세기 말 에 시작 된 정보 통신 기술 의 발전 은 점점 가속 이 붙 어서 최근 에 와서 는 인터넷 을 중심 으로 우리 일상 생활 � www . scienceall . com 성림 초등 학교 - 고준 kko . to / tuyd 5 ohDB 성림 초등 학교 강원 춘천시 지석 로 47 map . kakao . com