‘레이저’, 빛과 통신

「깨어라!」 영국 통신원 기

빛—그것은 사람에게 얼마나 귀중하고 필수적인가! 바로 우리의 생명이 이에 달려 있다. 태양계의 거대한 발전소인 태양으로부터 빛이 비취지 않는다면 지상 생물은 모두 멸망되고 말 것이기 때문이다. 틀림없이, 색깔과 형태가 무한히 다양한 빛의 뛰어난 아름다움에 이끌려 사람들은 태고적부터 빛의 성질에 대한 더 깊은 이해를 추구해 왔다. 이에 더하여 사람들은 더 큰 유익을 주는 빛을 만들어 이용할 수 있는 방법들을 탐구해 왔다.

사람들의 갖가지 ‘아이디어’ 중에서도 가장 매혹적인 것 중 하나가 1960년대에 실현되어, 많은 사람들 심지어 과학계 밖의 사람들의 상상에 까지 불을 붙였다. 그것은 ‘레이저’의 발명이었다. 1960년대에 최초로 작동에 성공한 ‘레이저’는 그 재료로 ‘루비’를 이용하여 붉은 빛 광속(光束)을 만들어냈다. 그러나 오늘날은 이산화탄소, 물, ‘헬륨’, ‘아르곤’ 등 여러 가지 상이한 재료들이 이용될 수 있으며 이들은 각각 특유의 색깔을 지닌 빛을 만들어낸다.

‘레이저’로 만들어낸 빛은 다른 광원(光源)에서 나오는 빛과 어떻게 다른가? 그리고 오늘날 여러 가지 ‘레이저’의 실용적 용도는 무엇인가?

기본적으로, ‘레이저’는 다른 광원들에는 없는 두 가지 특성을 가지고 있다. 첫째로, ‘레이저’는 전구처럼 빛을 여러 방향으로 발하지 않고, 좁고 강렬하며, 다발로 묶은 것 같은 광속(光束)으로 한정시킨다. 둘째로, 빛 자체가 극도로 순수 혹은 “밀집”되어 있다. 이는 마치 악기가 여러 음을 동시에 내지 않고 단 하나의 음만을 내는 것과 같다.

이 두 특성으로 인하여 ‘레이저’들은 여러 분야에서 다양하게 응용되고 있다. ‘레이저’의 지향성(指向性)을 이용해서 152‘센티미터’ 직경의 망원경으로 광속(光束)을 조종하여 지구에서 달까지의 거리를 측정한 일이 있는데 그 오차는 25‘밀리미터’도 되지 않았다. ‘레이저’는 빛이 고도로 강렬하기 때문에 절단 및 용접에 유용하다. 종이, 천 및 심지어는 ‘다이아몬드’도 자를 수 있으며, 강력한 이산화탄소 ‘레이저’를 이용하면 두꺼운 강철판을 순식간에 용접할 수 있다. 의학계에서는 현재 여러 가지 ‘레이저 메스’를 이용하고 있다. 의사들은 이것을 외과용 칼보다도 더 정확하게 다룰 수 있으며, 이에 더하여 피를 응고시키는 빛 자체의 특성 때문에 혈관에 겸자(鉗子)를 댈 필요가 없다는 부가적인 이점이 있다. 눈의 박리된 망막을 접합시키기 위해 현재 ‘아르곤 가스 레이저’가 의례 사용되며, 목의 경우 신중을 요하는 성대 수술이 실험적으로 행해지고 있다.

그러나 ‘레이저’ 및 광원들의 기타 용도 중에서도 아마 가장 자극적이고 광범위한 용도 중 하나가 지금 개발되고 있다. 과학자들은 이미 광파(光波) 통신 ‘시스템’을 성취했다. 이미, 전선을 통해 전기를 보내는 대신 전화나 ‘텔레비젼’ 신호를 유리 섬유를 따라 흐르는 빛에 실어 보내는 초보적 기구들이 가동되고 있다. 사실상, 1980년대 초에는 광파 통신 ‘시스템’이 전화 송신에 광범위하게 이용될 것으로 기대되고 있다.

빛을 이용하여 통신하는 일이 어떻게 가능한가? 이 방식에는 어떠한 유익이 있으며 우리의 일상 생활에는 어떠한 영향을 미칠 것인가? 광파 통신 ‘시스템’이 어떻게 발전되어 왔는지 자세히 검토해 보기로 하자. 먼저, 빛이 이제까지 통신 목적으로 흔히 이용되어 온 전파들과 어떤 면에서 대단히 흡사하다는 사실을 이해하기 위해서는 빛 자체의 물리적 특성을 간단히 고려할 필요가 있다.

빛의 성질

1864년에 ‘스코틀랜드’의 물리학자인 ‘제임스 클라아크 맥스웰’은 전기 및 자기(磁氣)의 법칙을 결합하는 데 성공했다. 그는 이렇게 두 가지 법칙을 결합하면 여러 가지 형태의 파장의 존재를 예측할 수 있다는 것을 알았다. 그 중의 하나가 빛이라는 것이 밝혀졌다. 당시는 알려지지 않았으나 후에 발견된 다른 것들은 현재 전파, ‘레이다’파 및 ‘X-레이’로 알려져 있는데, 이것들은 모두 눈에 보이지 않는다.

‘맥스웰’의 이론은 빛을 포함한 갖가지 파장들이 모두 비슷한 성질을 가지고 있다는 것을 증명했다. 즉 어느 파장이나 진동하는 전기 및 자기력으로 구성되어 있다는 것이다. 가령, 광파와 전파에 차이점이 있다면 단지 진동의 속도 즉 “주파수”뿐이다. 광파의 경우 그 힘은 전형적인 전파보다 약 1억배 빨리 진동한다.

따라서, 전파가 ‘라디오’와 ‘텔레비젼’에 음악 및 화상(畫狀) 신호들을 전달해 주는 것과 마찬가지로 광파도 유사한 원리와 기술을 이용하여 동일한 일을 수행하도록 할 수 있다. 그러나 그 주파수가 매우 빠르기 때문에 밀집된 빛은 이론상 훨씬 월등하다. 빛은 전파보다 훨씬 많은, 막대한 정보를 전달할 수 있는 잠재력을 지니고 있다. ‘레이저’가 발명된 직후 과학자들이 광파 통신 ‘시스템’을 연구하도록 자극받은 것은 바로 이 가능성을 실현시키고자 하는 희망 때문이었다.

빛의 전송

실용적인 ‘시스템’을 개발하는 데 있어서 맨 먼저 부닥친 주요 문제들 중 하나는 중심 시설에서 수신기로 전송하는 문제였다. 전파의 경우처럼 ‘레이저’ 광선을 대기 중으로 직접 보내는 것은 확실성도 없고 실용적이지도 못하다는 사실이 곧 드러났다. 원거리를 가는 동안 안개, 비, 구름 또는 눈이 광선을 흩거나 막을 수 있을 뿐 아니라 맑은 날씨라 할지라도 대기의 온도차로 인하여 광선이 굴절 즉 구부러져서 엉뚱한 방향으로 나가게 될 수 있다. 이에 더하여 광선이 모퉁이를 돌아가게 하거나 건물 속으로 들어갔다 나오도록 하기 위해서는 거울들을 정확하게 배열할 필요가 있을 것이다.

1966년에 영국의 ‘스탠다아드’ 통신 연구소에서 일하던 ‘K. C. 카오’와 ‘G. A. 혹크함’의 두 영국인 기사는 이 문제에 대한 더 나은 해결책을 제안했다. 전류가 전선으로 전도되는 것과 같이 빛도 사람의 머리털처럼 가는 유연한 유리 섬유로 “전도” 즉 유도될 수 있다는 사실이 여러 해 전부터 알려져 있었다. 그러나 당시는 섬유의 재료인 유리가 좋지 못했다. 그것은 빛이 섬유를 따라 3‘미터’만 흘러도 그 힘의 절반이 소모될 정도로 빛을 흩고 흡수하였다. ‘카오’와 ‘혹크만’ 양인은 유리의 질이 괄목할 만큼 개선되기만 한다면 유리 섬유가 빛을 수 ‘마일’ 전달하는 데 이용될 수 있을 것이라고 제안했다.

이러한 착상에 근거하여 미국의 ‘코닝’ 유리 회사 및 ‘벨’ 회사, 일본의 ‘니폰’ 판유리 회사, 그리고 영국의 여러 연구 단체들은 각각 독자적으로 유리 섬유 제조 방식에 주의를 돌렸다. 최초로 돌파구가 생긴 것은 1970년에 ‘코닝’ 회사가 순도가 거의 100‘퍼센트’인 ‘실리카’ 유리를 재료로 손실이 적은 새로운 섬유를 만드는 데 성공했다고 발표했을 때였다. 잇달아 다른 연구 집단들이 더욱 발전을 진전시켜 새로운 종류의 유리를 개발하고 새로운 섬유 제조 방법을 발전시켰다. 오늘날 일정하게 생산되는 유리 섬유들은 그 힘을 잃지 않고 빛을 1.6‘킬로미터’ 유도할 수 있다. 현재 생산되는 최상의 섬유들 중 얼마는 이 거리에서 빛의 3분의 1 정도만 잃을 뿐이다!

섬유는 용광로를 통과시킨 유리를 잡아늘이는 방법으로 제조된다. 이 때 ‘드럼’에다가 섬유를 감음으로써 연속된 길이가 수 ‘킬로미터’ 이상되는 섬유 한올 한올이 만들어진다. 실제 제조 과정에서는, ‘플라스틱’ 보호막이 섬유에 입혀지며 100가닥 이상의 섬유를 나란히 놓아 적당한 강도를 갖게 하며, 여기에다 겉덮개를 입혀 놓은 것이 “광학 섬유 ‘케이블’”이다. 이러한 ‘케이블’들이 현재 광파 통신 ‘시스템’에서 중추적인 부품을 이루고 있으며, ‘케이블’의 섬유 하나 하나는 분리되고 개별적인 ‘채널’이 된다.

유리 섬유는 어떻게 빛을 유도하는가? “전내부반사(全内剖反射)”라고 알려진 물리적 원리가 그 대답이다. 한 줄기의 빛이 가파른 각도로 안쪽의 유리 밀도가(광학적으로) 더 높은 두 종류의 유리 사이 경계를 때린다. 그러면 빛의 일부는 통과하고 일부는 반사된다. (도표 참조) 그러나 입사각을 충분히 완만하게 한다면 경계가 거울이 된 것처럼 모든 빛이 반사된다. 이러한 상태를 칭하여 “전내부반사”라 한다. 섬유의 중심은 밀도가 높은 유리로 되어 있고 겉에는 다른 유리로 입혀져 있다. 입사각이 적당히 완만한 광선은 이와같이 중심 유리 내에서 유도되며 빛은 섬유를 따라 갈짓자로 반사된다.

새로운 ‘레이저’들

지난 10년간 섬유 연구에 병행하여 이 ‘시스템’의 다른 요소들을 개발하고 개선시키기 위한 노력이 경주되었다. 초기의 ‘레이저’들은 부피가 크고 비효율적이었다. 섬유에 걸맞는 수명이 긴 ‘레이저’들을 새로이 개발해 낼 필요가 있었다. 이에 더하여, 발신기에서 빛에다가 전기 신호를 실어 보내고 수신기에서 이것을 해독하는 데 있어서 효율적인 방법이 고안될 필요가 있었다.

오늘날, ‘알미늄’, ‘갈륨’ 및 비소 원소의 합금으로 ‘핀’머리보다도 작은 ‘레이저’들이 제조되고 있는데 수명은 1년 이상이다. 이것들은 전류가 기구 속으로 “주입”될 때 광속(光束)을 만들어낸다. 그래서 이것들을 “주입 ‘레이저’”라 칭한다. 이 동일한 원소를 이용하여 일반적으로 전자 계산기에 이용되는 발광이극관(發光二極管)(LED’s)을 간단히 조립할 수 있다. 여기서 나오는 빛은 밀집되어 있지는 않지만, 저(低)용량의 광파 ‘시스템’에 대단히 중요하다.

상기의 ‘레이저’ 및 발광이극관의 경우, 전기적(電氣的)으로 매초당 수백만번 광선을 켰다 껐다 할 수 있다! 그러므로 마치 극히 빠른 ‘모르스’ 부호와도 같이 전화 혹은 ‘텔레비젼’ 신호가 유리 섬유를 따라 일련의 부호화된 섬광 혹은 “펄스”(순간 파동)의 형태로 전송된다. 수신기의 끝에서는 규소로 만든 특수 빛 검파기가 신속히 흐르는 빛의 순간 파동들을 전기 신호로 다시 전환시킨다.

초보적 ‘시스템’들

몇가지 초보적인 광파 통신 ‘시스템’이 이미 이용되고 있으며 더 발달된 ‘시스템’들이 여러 나라—그 중 대표적인 나라는 영국, 미국, 독일, ‘프랑스’ 및 일본—에서 현재 시험중에 있다는 사실을 보면 연구가 진전되어 온 단계를 명백히 알 수 있다.

가령, 1976년 3월 이후로 영국 ‘해스팅즈’ 지역에서는 약 34,000명의 시청자들에게 ‘텔레비젼’ 신호가 전장 1.4‘킬로미터’의 광학 섬유 ‘케이블’을 통해 송신되고 있다. 전기 신호들은 발광이극관으로 만들어낸 빛을 타고 전달된다.

‘벨’ 회사는 미국 ‘애틀란타’에 있는 실험실에서 하나의 초보적 ‘시스템’을 광범위하게 시험해 왔다. 이 ‘시스템’에서는 하나의 주입 ‘레이저’와 2개의 0.6‘킬로미터’ 길이의 광학 섬유 ‘케이블’을 이용하는데, 각 ‘케이블’에는 144가닥의 유리 섬유가 들어 있다. 각 섬유를 따라 빛을 보내면 ‘케이블’ 하나가 무려 40,000 이상의 소리를 동시에 전달할 용량을 가지고 있다! ‘케이블’들은 전형적인 도시 전화망을 모방하여 지하 도관 속에 설치되었다. 설치 도중 섬유의 손상은 전혀 없었다.

독일에서는 ‘뮤니히’에 있는 전송 통신사가 전화 및 ‘텔레비젼’ 신호를 송신하기 위해 실험용 광학 섬유 ‘케이블’을 설치하였다. 이 ‘시스템’은 1976년 8월 이후 이래로 아무런 장애 없이 하루 12시간 동안 성공적으로 작동되고 있다.

비슷한 ‘시스템’들을 이용한 초보적 기구들이 항공기, 선박 및 ‘컴퓨우터’ 연접 부분에 이용되고 있다. 유리 섬유 및 ‘케이블’들을 잇고 연결하는 데 요구되는 새로운 공업 및 공학 기술이 더욱 진보됨에 따라 통신 분야에서 금속 전선들이 섬유로 많이 대체될 것으로 기대된다.

빛과 광학 섬유 ‘케이블’을 이용하면 어떤 유익이 있는가? 또한, 이것은 우리의 일상 생활에 어떤 영향을 미칠 것인가?

유익 및 전망

통신을 위해 유리 섬유를 사용하면 재래식의 구리 전선에 비해 몇가지 유익이 있다. 섬유에는 금속이 섞여 있지 않으므로 전기 방해를 받지 않는다. 섬유 및 광학 섬유 ‘케이블’이 비교적 직경이 작다는 점은 흔히 지하 도관을 꽉 메우다시피 하는 도시 전화망에 커다란 가치가 있는 요소이다. 이것들이 구리 전선에 비해 가볍다는 점은 무게를 줄이지 않으면 안되는 항공기 및 인공위성에 귀중한 자산이다. 끝으로, 그러나 가장 중요한 점은 섬유의 생산가가 저렴하다는 것이다.

맨 처음에, 광학 섬유 ‘케이블’은 기존 통신망의 성장을 돕는 수단이라는 점을 밝힌 바 있다. 일반 사람들에게 이것은 전화 요금 인상률의 감소, 그리고 아마 전화 통화의 편의함을 증가시키는 것을 의미할 수 있을 것이다.

그러나 장기적인 유익들은 더욱 더 가슴을 설레게 한다. 이러한 전망은, 아직 온전히 개발되지 않았지만, 밀집된 빛이 수행할 수 있는 막대한 정보 전달 능력에 근거를 두고 있는 것이다. 이 잠재력을 이용하기 위해 “종합 광학”이라는 새로운 분야가 1969년에 생겨났다. 여기서는 ‘레이저’들이 완전히 소형화되고 소형의 광회로(光回路)들이 광학 부속들을 연결한다.

사람들은 통신에 관한 새롭고도 매혹적인 ‘아이디어’들을 머리에 그리고 있다. 전화선이 아닌 광학 섬유 ‘케이블’을 장비한 가정 및 사무실은 ‘컴퓨우터’화된 도서관, 교육 기관, 은행, 의료 기관, 상점 등의 새로운 종합 시설들과 ‘텔레비젼’으로 직접 닿을 수 있을 것이다. 이러한 편의 시설을 이용하여 사람들은 자기 집에서 자기가 원하는 책을 보기 위해 ‘컴퓨우터’화된 도서관으로 ‘다이얼’을 돌려 자기 집 ‘텔레비젼 스크리인’에 나타난 책을 읽거나, 거래 은행을 불러 현재의 재무 대차표를 보여주도록 할 수 있을 것이다. 가정 주부는, 집에서 나올 수 없을 경우, ‘텔레타이프’를 이용해서 ‘텔레비젼 스크리인’에 자기가 살 물건들의 명단을 작성한 다음 ‘버어튼’을 눌러 ‘슈퍼’ 상점에 명령을 전달할 수 있을 것이다. 영상이 나타나는 전화는 전화로 이야기를 나누는 사람을 볼 수 있게 할 것이다!

그러므로 빛의 강력한 통신 기능이 장래를 위해 새로운 전망을 많이 열어 주고 있음이 분명하다. 여러 가지 광파 통신 ‘시스템’이 실험실에서 나와 실용화되면 많은 유익이 따르게 될 것이다. 이 모든 것을 숙고해 볼 때 우리는 빛 자체의 경이롭고 섬세한 특성을 잘 인식할 수 있다. 참으로, 창조물의 끝없는 보고 속에는 인간의 발명의 재능 및 지식 탐구의 욕망을 만족시켜 주는 것들이 훌륭하게 마련되어 있다.—시 145:16.

[17면 도해]

(온전한 형태의 본문을 보기 원한다면, 출판물을 참조하십시오)

전내부반사의 원리

유리

일부 통과

밀도가 높은 유리

입사각이 가파른 광선

일부 반사

유리

밀도가 높은 유리

입사각이 완만한 광선

빛이 모두 반사됨

유리 섬유가 빛을 유도하는 방법

광선이 유리심을 따라 갈짓자로 나아간다

유리 피복(被覆)

밀도가 높은 유리심