유리를 통하여 말하며 봄

옛부터 지혜와 지성의 신비스러운 상징이었던 빛이 이제는 더 이상 단순히 상징에 불과한 것이 아니다. 근년에, 빛은 신속하고도 조용히 제 구실을 떠 맡아서, 사실상 온갖 정보의 매체가 되어 왔다. 빛이 매우 먼 거리까지 정보를 전송하는 데 그 실제 잠재력을 유감없이 발휘하기 위해서는 두 부면의 개발이 필요했는데, (1) 특수한 빛과 (2) 특수한 종류의 빛 유도 장치가 바로 그것이다.

최근 흥분케 하는 일련의 새로운 개발에 힘입어 지금 우리는 광선의 빔을 사용하여 믿기 어려울 만큼 매우 방대한 온갖 종류의 정보를 원거리까지 굉장한 속도로 송신할 수 있다. 그렇다. 머리털 같은 유리 섬유를 따라 흐르는 미세한 광선의 빔을 이용하여, 이제는 놀랄 만한 속도로 극히 효율적으로 말하고 보고 들을 수 있다. 가느다란 거미줄과도 같은 이 유리 섬유는 케이블 속에서 보호되어, 이미 미국, 유럽 및 일본에서는 도시들 사이로 이어져 있다. 이것은 현재 여러 대양에 가설되고 있어, 대륙과 대륙을 이어 주고 있다.

빛이 직진하는 특성이 있다는 것은 우리 모두가 아는 사실인데, 어떻게 이러한 일이 가능한가? 굴곡진 부위를 굽어 흐를 때에도 그 미세한 광선들이 어떻게 유리 섬유 내에 그냥 머물러 흐를 수 있는가? 어떻게 이러한 광선이 막대한 정보를 싣고 그토록 멀리까지 갈 수 있는가? 이 모든 것을 가능케 한 것은 바로 특수한 빛 즉 간섭성빛 (coherent light)이었다.

효율 높은 간섭성빛

정보를 전송하는 면에서 일반 광선에 비해 간섭성 광선이 지닌 이점을 예를 들어 설명하면, 유리 섬유를 따라 흐르는 빛의 광자(光子)들을 도보하는 사람들에 비유할 수 있다. 일반 광선이란 몸집이 제각기인 한 무리의 사람들이 보조를 맞추지 않고 걸음으로, 걷는 데 서로 방해가 되는 오합지졸의 무리와 같다고 생각할 수 있다. 반면, 간섭성 광선은 몸집이 모두 같고 저마다 반듯이 열을 지어 모두 보조를 맞춰 행군하는 군대에 비할 수 있을 것이다. 방해를 받지 않고 보조를 맞춰 걸으면, 보다 많은 사람이 체력 소모를 훨씬 덜면서 효율적으로 더 먼 거리까지 이동할 수 있음은 명백한 일이다. 바로 간섭성빛이 그와 같은 것이다.

여기서 이렇게 말할 사람이 있을지 모른다. ‘이처럼 빛을 이용하는 일이 실현되는 데 이토록 더디었던 이유는 무엇인가? 이전에는 어째서 아무도 그것을 생각해 내지 못했는가?’ 사실상, 그것은 전혀 새로운 것이 아니다. 적어도 한 사람, 알렉산더 그레이엄 벨은 빛을 이용해서 말을 전하는 이점을 알아 내어 1880년에 “셀레늄과 광선 전화기”란 제목의 논문을 발표한 바 있다.

이 착상은 대단한 통찰력을 나타낸 것이었지만, 간섭성빛이 없어 그의 발명품은 고작 한정된 성공을 거둘 수밖에 없었다. 하지만, 비로소 1960년대에 레이저(LASER: 전자파의 유도 방출에 의한 빛의 증폭 장치)가 개발되고 나서야 첫 번째 필수 구비 조건이 충족되었다. 또한 벨은 다른 주요 구비 조건, 즉 정보를 전송하기 위한 고성능 빛 유도 장치를 갖추지 못했었다.

유리로 만든 정교한 빛 유도 장치—어떻게 작용하는가?

레이저가 개발되면서 연구가 계속되는 동안, 다른 사람들은 투명도가 높고 성분이 정교한 유리 재료를 발명하여 개발시켰는데, 그것은 간섭성 레이저 빛이 매우 먼 거리까지 나아갈 수 있게 하였다. 다음에 이 재료를 머리털과 같은 섬유로 뽑아낼 수 있게 되었다.

우리 가운데 많은 사람은, 시선을 끌 만큼 멋진 탁자 장식물로 이용된 유리 섬유가 환히 빛나는 장면을 본 기억이 날지 모른다. 이러한 장식물을 만들려면, 유리나 플라스틱 섬유의 다발을 꽃꽂이 하듯이 펼쳐 놓은 다음 맨 밑의 끝부분에서 빛을 공급한다. 이러한 전시품에서는 섬유에 빛을 공급하기 위해 단지 흔히 쓰이는 빛이 사용된다. 이러한 예는 빛이 그 일반적인 특성대로 직진만 하지 않고 어떻게 유리 섬유를 따라 굴곡 부위를 돌아서 흐를 수 있는지를 최소한이나마 설명해 준다. (도해 1) 이러한 전시품에서 빛이 나아가는 거리는 극히 짧다.

멋진 전시품에서 필요한 것보다도 훨씬 더 먼 거리를 빛이 나아갈 수 있게 하기 위하여, 유리나 플라스틱의 특수 코팅 즉 특수 피복이 고안되었다. 이 특수 피복은 새어 나가려는 어떤 광선도 그 유리 안으로 꺾여 되돌아오게 함으로써 더 이상의 광선 유실을 막아 준다. 이러한 피복물의 성분이나 구조면에서 정교하게 변형시킨 것들이 많다. 그럼에도, 이 많은 변형품은 각각 그 나름대로의 방식으로 특유의 조건하에서 빛의 진행 거리를 늘리는 데 기여한다. (도해 3)

비록 이러한 유리 섬유를 이용해서 빛을 전송하고 유도하는 능력이 크게 개선되었다 하더라도, 아직도 필요한 일은 빛을 임계각이나 그 각도 이내에서 광섬유 안에 투사시키는 일이다. 이러한 빛이 어떻게 작용하는지 그 원리를 이해하려면, 호수의 매끄러운 수면이 거울과 같은 역할을 할 수 있다는 점을 생각해 보면 좋다. 실제로 호수가의 나무들은 때때로 수면에서 반사되어 보이곤 한다. 이처럼 거울과 같은 효과는 우리 눈으로 들어오는 빛이 어떤 매우 낮은 각도로 들어오기 때문에 가능하다. 바로 임계각이라 불리는 이 특정 각도에서는, 수면이 거울처럼 빛을 반사한다. 같은 방법으로, 빛이 임계각이나 그 이내에서 유리 섬유 안에 투사되면, 그 빛은 그 광섬유 안에서 거울처럼 안쪽으로 반사되어, 빛이 거의 새어 나가지 않는 것이다.

이러한 광선은 재생시킬 필요도 없이 그 미세한 섬유를 따라 40킬로미터나 나아갈 수 있으리라 예상된다. 장래 전망은 한층더 고무적이다. 최근 한 보고에 따르면, “중계 장치의 개재 없이도 수천 킬로미터까지 자료를 전송할 수 있는” 가장 손실이 적은 섬유가 개발되었다고 한다.

이러한 경이로운 빛 전도체를 보호하기 위해, 그 둘레에 보호 물질을 여러 겹 피복하는 것이 필요하다. 더우기, 소형 케이블을 만들기 위해, 종종 고강도의 섬유나 금속선 그리고 전기 도체가 더 필요하다. (도해 2) 이렇게 이 유리 섬유가 케이블 내부에서 보호되면, 정보 전송의 효율을 극대화하기 때문에 일반 구리선을 통해 흐르는 전류는 더 이상 감히 경쟁 상대도 되지 못한다. 이것은 특히 원거리에서 여실히 드러난다. 그러나, 그 미세한 유리 섬유에 흐르는 이 특수한 빛에 의해서 자료와 그림 및 사람의 목소리가 어떻게 전달될 수 있는가?

미세한 섬유가 그 엄청난 양을 어떻게 전송하는가?

설사 특수한 빛과 정교하게 만든 유리 섬유가 인상적이라고는 하지만, 실제 그 광선이 막대한 양의 정보를 전송하는 방법도 그에 못지 않게 깊은 인상을 준다. 기본적으로 이러한 비결 중 하나는 초속 약 300,000킬로미터나 되는 어마어마한 빛의 속도에 있다. 또 하나의 비결은 매초 수십억 사이클에 달하는, 극히 높은 주파수(EHF)를 지닌 광파이다. 이처럼 높은 주파수 덕분에 그리고 빛의 펄스(pulse)를 부호화 함으로써, 어마어마한 양의 정보를 미세한 섬유를 따라 흐르는 광선에 집속할 수 있다. 한 가지 예를 들어 빛을 사용해서 어떻게 말하고 듣는지를 고려해 보자.

빛을 이용해서 말하고 들음

빛을 이용해서 보고 말하고 듣는 데에는 우리 시대의 가장 복잡한 과학 기술의 일부가 관련된다. 하지만, 빛을 이용해서 말하고 듣기까지의 과정을 다소나마 이해하기 위해 그때 일어나는 몇 가지 단계만이라도 살펴보기로 하자. 설령 송신에 빛이 사용된다 해도, 실제 절차는 종전과 똑같이 전화기에 말을 함으로써 시작된다. 여전히 우리의 음성에서 나오는 음파는 전화기 내에서 그와 상응하는 전기 신호로 변환된다. 그 다음, 이 전기 신호의 표본들이 매우 빠른 속도로 “분할”된다. 이 과정은 촬영기와 유사하다. 촬영기는 어떤 동작을 여럿으로 분할하여 정지된 장면을 연속적으로 찍는다. 그 다음, 관람자에게 움직이는 인상을 주기 위해, 이 사진들을 각 장면 별로 쉴새 없이 잇따라 영사한다. 이와 흡사하게, 이 전기 신호의 절편들이 옮겨지면서, 다단식 과정에서 부호화된 다음 빛의 펄스로 변환된다. 그 다음, 부호화된 빛의 펄스가 유리 섬유를 따라 수신기 끝까지 흐른다. 이것이 수신기 끝에 이르면 전화 수화기에서 환원 작용에 의해 음파로 다시 변환되는 것이다. 그러면, 우리가 현재 받을 수 있는 혜택에는 어떠한 것이 있는가? 장래의 전망은 어떠한가?

현재 받고 있는 몇 가지 혜택

우리가 전세계의 현 통신망을 수용하여 그 진가를 느끼기가 무섭게, 전혀 새로운 시스템이 출현하곤 한다. 광섬유가 다심(多心) 전화선, 극초단파 통신망 및 심지어는 통신 위성국과 대체될 것이며, 그외에 더 많은 혜택이 있으리라는 전망이다.

◼ 혼선이 생기지 않는 통신. 전화 고객을 위한 광섬유 전송의 최대 이점 중 하나는 이제 우리 몸에 익숙해진 그 숱한 갖가지 혼선이 실질적으로 근절된 거나 다름없다는 것이다. 번개, 송전선, 발전기—이 모든 것이 공전(空電)에 의한 전파 장애나 잡음을 일으켜 그간 통화에 방해가 되어 왔다. 치밀하게 차폐된 동(銅) 전도체조차 이러한 교란 작용이 생기는 것을 방지하진 못하고 있다.

만일 독자가 전화로 통화하는 내용이 도중에 통신 위성으로 전송되는 일이 있었다면, 통화가 순간적으로 두절되거나 전파 장애가 있다는 것도 알게 되었을 것이다. 과거에는 메아리조차 당면 문제거리가 되기도 했다. 광섬유는 눈에 띄게 지연되던 것을 없애 주며 깨끗하고 혼선이 없이 수신할 수 있게 해준다.

◼ 안정성 있는 통신. 광섬유의 가장 뛰어난 장점 중 하나는 바로 완벽한 안정성이다. 따라서, 혼선이 생기는 일이 없고 어떤 불법적인 도청도 기본적으로 불가능하다. 광섬유에 흐르는 광선에 접속해서 도청하는 방법은 전혀 고안된 바 없으며, 있다 해도 신호가 크게 감소되므로 발각될 것이다.

◼ 대단한 효율성. 수천 회선의 전화 통화가 단지 한쌍의 광섬유를 통해 이루어 진다는 점을 생각해 볼 때, 빛에 의한 정보 전송의 효율성이 얼마나 엄청나게 큰지를 이해할 수 있다. 웹스터 대사전의 내용을 하나도 빠뜨림없이 단 하나의 유리 섬유로 6초 이내에 수천 마일까지 전송할 수 있다고 추산된다.

◼ 최소 공간 그리고 불리한 환경에 대한 내구력. 이 신종 개발품으로 이미 혜택을 입고 있는 곳이 많다. 대도시 지역들은 구비 조건이 현저히 줄어든 신종 고성능 통신 매체들로 큰 유익을 얻고 있다. 방 전체를 가득 메운 구식 교환 장비가 이제는 단지 협소한 공간만을 필요로 하는 광섬유 장비로 대체될 수 있다. 또한 플로리다키스와 같은 외딴 지역도 이제는 잡음이 없는 통신 시설을 이용할 수 있다. 키스나 그 인근 지역에서는 염수로 인한 불리한 환경 때문에 전기 누전이나 화학적인 부식이 일어나기 쉬우나, 광섬유를 사용하면 그런 피해는 극소화 된다.

장래를 내다 봄

이 신종 개발품의 장래는 매우 유망해 보인다. 일부 사람들의 예상보다 훨씬 더 신속하게 장비 전환이 이미 진척되고 있다. 보도에 의하면, 가장 큰 문제 중 하나는 설비를 갖추었을 무렵에 구식이 되어 버리지 않을 시스템을 선정하는 것이라고 한다.

◼ 한대의 단말 장치로 처리되는 음성, 비디오 및 컴퓨터. 과학지 「하이 테크놀로지」 1986년 2월호는 “사업 전망”이란 제하에서 “광섬유는 순식간에 미국에서 음성, 자료 및 비디오를 특히 원거리까지 전송하기 위한 선호도 높은 매체가 되었다”고 보도했다. 그 기사는 이어 이렇게 말한다. “우리는 가정까지 뻗치게 될 섬유 방송망을 확대시키는 일에 착수할 것이다. 음성, 비디오 등등을 처리하는 하나의 단말 장치를 사용함으로써 ·⁠·⁠· 자료 은행에 정보를 문의해 볼 수도 있다.” 이것은 적어도 일부 사람들에게는 자기 집에서 쇼핑이나 은행 용무 및 항공표 예매를 할 기회를 열어 주며 또한 어떤 도서관을 이용할 수 있는 특전도 누리게 해줄 것이다. 심지어는 전화로 대화를 나누면서 상대방을 볼 수도 있게 될 것이다. 그 모든 일이 이 경이로운 유리 섬유에 흐르는 빛을 이용함으로써 가능하게 되었다.

[20면 삽화]

유리 섬유를 따라 흐르는 빛은 내부로 반사되며 벽을 통해 유실되지 않는다

고강도의 섬유와 금속선은 보호하는 역할을 한다

유리나 플라스틱 피복은 광선의 유실량을 감소시킨다

[22면 삽화]

이 가는 광섬유 케이블은 이 굵은 재래식 케이블 만큼 또는 그보다 더 많은 통화를 전달할 수 있다