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인간이 빛을 이용한 최초의 통신 봉화. 그 뿌리가 첨단과학의 발달로 광통신의 꽃을 활짝 피우고 있다. 머리칼 보다 가는 광섬유와 레이저 광으로 이루어진 광통신 시스템은 장거리 대용량 전송과 해저 광통신 뿐만 아니라 광 테크놀로지로까지 발전하고 있다. 광통신의 원리와 응용실태 그리고 미래에의 전망을 알아본다.

바야흐로 현대인은 물밀듯이 밀려오는 정보의 홍수 속에서 첨단과학 기술의 시대에 살고 있다.

유전공학 반도체 항공·우주공학 로보트 산업 광통신 컴퓨터 등등...실로 엄청난 문명의 이기 속에서 공상과 같은 이야기들이 점차 실현되어 가고 있다. 첨단 과학에 대한 연구와 개발은 21세기의 화려한 개막을 서서히 알리고 있다.

인류와 함께 시작된 통신의 역사

통신이란 시간적 공간적인 한 지점으로부터 다른 지점까지 정보를 원활히 전달함에 그 목적을 두고 있다. 인간은 태어나서부터 말이나 몸짓 등으로 의사 전달을 해왔지만 활동 범위가 점점 멀어짐에따라 정보전달의 수단도 다양하게 발전되어 왔다.

통신은 크게 유선통신과 무선통신으로 나뉘어진다. 유선통신은 송신자와 수신자 상호간에 정보를 교환하는데 선을 이용하는 방식으로서 전화나 전신 등의 예를 들 수 있고 주로 짧은 거리의 통신에 많이 사용된다. 무선통신은 신호를 전송하는 매체로서 대기중의 공간을 이용하는 방식으로, 쉽게 생각하면 라디오 TV 위성 통신 등을 들 수 있다.

넓은 의미에서의 광통신은 빛을 이용한 정보 전달을 의미하기 때문에 이미 인류는 빛을 사용하기 시작한 이래 현재에 이르기 까지 광통신 방식을 계속 사용해 왔다고 해도 과언은 아니며 우리 주위에서도 쉽게 그 실례를 찾아 볼 수 있다.

그렇다면 과연 광통신이란 무었이며 어떤 이유로 첨단과학기술의 한 부분을 차지하게 되었는가 알아보도록 하자.

레이저 발명으로 새로운 장 열어

예로부터 외적의 침입이난 변방의 상황을 신속히 전달하기 위한 방법으로, 봉화를 이용하여 빛을 전달하거나 빛을 반사하는 물건으로 간단한 정보를 주고 받기도 하였다.

아마 이것이 넓은 의미에서의 빛을 이용한 최초의 광통신이었다고 해도 과언은 아닐 것이다.

최근에도 해상의 선박 사이에는 빛을 모르스 신호에 따라 점멸시켜가며 통신을 행하고 있다. 병원에서 널리 이용하고 있는 내시경이나 복강경 검사에도 이미 광섬유가 쓰이고 있다. 쇼 윈도우에 설치한 레이저 조명장치 등과 같이 빛을 전달하는 수단을 우리 주위에서 쉽게 찾아 볼 수가 있다.

그러나 초기의 빛을 이용한 의사전달은 단순하고 원시적인 방법으로만 이용되어 왔을 뿐 다른 전기를 사용하는 통신 방식에 비해 그다지 큰 장점을 갖지는 못하였다. 그 이유로는 광원으로 사용된 빛은 대기중에 널리 퍼지게 되어 먼 곳까지 전달되기에는 부적합하고, 흐리거나 비가 오는 날이면 산란이 크며 일어나게 될 뿐 아니라 정보의 기밀을 유지하는 데도 문제가 많았기 때문이다.

따라서 자연히 강한 빛을 발할 수 있는 광원을 찾게되었다. 또 그러한 빛을 멀리까지 손실 없이 전달할 수 있도록 하기 위해, 일정한 빛의 전파통로를 만들어 주기 위한 노력이 계속 되었다.

그 방법으로서 렌즈를 이용해 계속적으로 퍼져나가려는 빛을 한 곳으로 모은다거나 개스로 도파로(導波路)를 만들어 빛을 계속 집속시키는 등에 연구가 집중되었다.

그러나 이러한 방법은 전송 손실이 크고 비경제적이기 때문에 전신 전화에 밀려 그다지 큰 빛을 보지는 못하였다.

또한 광원에 있어서도 초기에는 텅스텐램프나 광전관 등을 사용하였으나 지향성이나 효율이 떨어지기 때문에 2차대전을 전후해서 주로 군사용의 특수한 목적으로만 이용되어 왔을 뿐이었고 광통신을 실용화 하기 까지에는 많은 문제점이 남아있었다.

그러다가 1960년 레이저의 발명으로 광통신은 새로운 통신의 장을 열게 되었다. 레이저(LASER)란 인간이 만들어낸유일한 인공광선으로서 단색성(單色性)지향성 간섭성(干涉性) 에너지 집중도 및 휘도성(輝度性)이 뛰어나 신시대 과학을 알리는 제3의 빛으로 등장하였다.

한동안 레이저에 대한 연구가 활기를 띠게 되었지만 분광학 의료 계측 분야에 이용되었을 뿐 통신용 광원으로서는 그다니 널리 활용되지는 못하였다. 왜냐하면 당시 빛을 전파하기 위한 도파로(導波路)로는 렌즈배열이나 가스렌즈 배열 박막 도파로 유전체 도파로 등이 이용되었기 때문에 레이저 광을 먼거리까지 전송하기에는 손실이 너무 컸기 때문이다.

그러나 지난 79년 저손실 광 전송로인 광섬유의 개발로 광통신은 제2의 도약기를 맞게 되었다. 광통신 연구는 눈부신 발전을 거듭하여 기존의 구리선과 더불어 통신로의 일부로서 사용이 점차 보편화 되기에 이르렀다.

현재는 극저손실 광섬유(㎞당 0.16㏈*)가 개발되어 통신 전송로로서 광섬유를 점차 대치해 가고 있으며 광원(光源)도 광통신에 적합한 반도체 레이저 다이오드를 실용화 하고 있다.

※㏈(데시벨): 신호의 감쇄나 이득을 나타내는 통신 단위.

빛의 계속적 전반사가 원리
 

광섬유를 통해 광선이 전파되어 나가는 원리는 빛의 반사와 굴절로부터 쉽게 생각할 수 있다.

굴절률이 큰 매질에서 작은 매질로 광선이 전파될 때 경계면에서 일부는 굴절해서 투과해 들어가고 일부는 반사되어 나온다. 그러나 임계각(臨界角)보다 큰 각도로 경계면에 도달한 빛은 투과하는 일 없이 모든 광선을 전부 반사시키며 이와같은 전반사가 계속적으로 일어나 빛이 전파된다.

실제로 광섬유는 원형으로 되어 있으며 중심의 굴절률이 큰 부분을 '코어'(core)라 하고 코어를 둘러싸고 있는 굴절률이 작은 매질을 '클래드'(clad)라 한다. 또한 실용화 되고 있는 광섬유는 코어 부분의 굴절률 분포가 클래드에 비해서 계단형인가 언덕형인가에 따라 스템인덱스(stepindex)광섬유와 그래디드 인덱스(graded index)광섬유로 크게 나뉜다.

이론상으로는 광섬유를 통해서 빛이 전파되는 원리를 쉽게 이해할 수 있다. 그러나 실제로 코어의 직경은 수~수십 ㎛정도로서 머리카락 보다 가늘기 때문에 집속해서 입사시킨다든가, 광섬유를 상호 접속시키는 데는 고도의 기술을 요하게 된다.

광통신 시스템의 얼개

가장 간단한 광통신 시스템은 기본적으로 다음의 세가지 부분으로 구성되어 있다.

첫째, 전기신호를 빛으로 변환하는 장치(송신부)
둘째, 빛에너지를 전송하는 광섬유(전송로)
셋째, 광섬유를 통해 도달한 빛을 전기신호로 변환하는 장치(수신부)

이와같이 정보를 보내는 측(송신측)에서는 정보르 갖고있는 전기신호를 광신호로 변환하여 광섬유를 통해 송신하며, 정보를 받는 측(수신측)에서는 수신된 광신호를 전기 신호로 증폭해 원래의 신호로 재생하는 기능을 갖는다.
 

광섬유를 통해 전송되는 광신호는 거리가 멀어질수록 약해지기 때문에 적당한 간격으로 중계기를 삽입하여 약해진 광신호를 증폭하고 원래의 신호로 복원 재생함으로써 장거리 전송이 가능하게 된다.
 

광섬유의 양단에 설치된 송신기와 수신기 및 도중에 설치된 중계기를 포함한 광전송 시스템은 전송하는 정보가 아날로그 신호인가 디지탈 신호인가에 따라 아날로그 광전송 시스템과 디지탈 광전송 시스템으로 구별된다.

음성 화상 등의 아날로그 신호 및 컴퓨터 출력과 같은 디지탈 신호는 일단 광전송에 적합한 신호로 변조*되어야 하며, 변조된 전기신호는 광원을 구동시켜 그에 해당하는 빛의 신호로 변환되어 광섬유에 입사된다. 전송로를 통해 전파된 광신호는 출력단에서 광검출기로 검출되어 전기신호로 바뀐 다음 원래 신호로 복조된다.

광신호에 있어서는 본질적으로 디지탈전송 방식이 잡음 특성이 나쁘지 않기 때문에 장거리까지 고품질의 신호전송이 가능하다. 아날로그 전송 방식은 전송로에서 중계시마다 잡음이 누적되므로 장거리 전송에는 적합하지 않으나 회로구성이 간단하다는 이점이 있기 때문에 단거리용 화상 전송 등에 이용되고 있다.

*변조: 예를들어 음성신호 등은 스스로는 멀리 전파할 수 없기 때문에 높은 주파수를 갖는 반송자(carrier)에 음성신호를 실어 멀리까지 전파할 수 있도록 변경시켜 주는 것을 변조(modulation)라 하며 그 반대로 반송자에 실려 수신기에 도달한 신호 중에서 원래 신호를 재생하는 것을 복조(demodulation)라 한다.

장거리 신속 정보전달 자랑
 

광통신은 유리로 만든 광섬유라는 전송 매체를 이용한다는 점에서 종래의 유선통신과 유사한 반면 '광'이라는 높은 주파수의 반송파를 이용하여 신호를 전송한다는 점에서는 무선통신과 비슷하다. 이 두가지 통신방식의 이점을 취하는 광통신은 기존의 통신방식에 비해 다음과 같은 특징을 갖고 있다.

첫째, 광섬유에 불순물의 혼입이 거의 없는 경우 극저손실 광섬유를 만들수 있고 기존의 구리선이나 동축 케이블 보다 손실이 적기 때문에 중계기 간격이 매우 길어도 된다. 따라서 장거리 전송에 적합한 통신 방식이다.
둘째, 광섬유의 종류에 따라 약간의 차이는 있지만 기존의 통신 매체에 비해 대역폭(帶域幅)이 넓기 때문에 고속정보 전송에 유리하다.
셋째, 광섬유의 지름이 작고 무게도 경량이기 때문에 매설이 용이하고 그에 따르는 경비를 절감할 수 있다.
넷째, 광섬유의 주성분인 유리의 원료가 지구상에 무진장으로 있기 때문에 저렴한 가격으로 자원을 쉽게 얻을 수 있다.

그밖에도 외부 전자기 유도에 의한 영향을 받지 않기 때문에 발전소나 변전소 등 전자유도가 큰 곳에서의 통신으로서 적합할 뿐만 아니라, 통신 중에 광섬유를 절단하지 않고서는 도청할 수 없기 때문에 기밀유지에도 우수한 특성을 보여 주고 있다.

그러나 광통신에도 약점은 있다. 전송 손실 저하의 한계성이라든가, 굽힘 등 물리적 요인에 의한 특성의 변화, 케이블화와 광섬유 접속에 대한 기술적 문제, 효율이 좋고 성능이 우수한 반도체 레이저 다이오드나 광 검출기 등 광과 전기의 변환소자가 필요하다는 점이 그것이다.

이와같은 문제점은 꾸준한 연구로 점차 해결되고 있으며 광섬유의 획기적인 손실 특성과 광대역성에 의해 비약적으로 전송능력을 향상시킬 수 있어 광통신방식은 정보화 사회를 이루는 통신 매체로서 주류를 이룰 것으로 기대된다.

국내 기술개발 활기
 

국내에서도 지난 77년부터 본격적인 광통신 시스템에 대한 연구가 시작되었고 79년 서울 중앙 전화국과 광화문 전화국 사이에 최초로 2.3㎞의 광섬유를 포설하여 현장 실험에 성공하였다.

그후 연구소 기업체 대학에서 광통신에 대한 중요성이 인식되어 국산화 개발에 대한 의욕이 어느때 보다 드높다. 수년에 걸친 연구 결과로 광섬유의 국내 생산이 본격적으로 시작되었고 광통신 측정용 계측기의 개발, 광섬유접속 및 케이블 방법 개발, 광 송·수신장치 및 자동 감시장치 개발 등 최첨단 기술인 광통신 방식이 순수 국내 기술에 의해 순조롭게 설계 제작 설치 운용되기에 이르렀다.

그러나 아직도 광통신 기술의 수준은 선진 외국과 비교할 때 끊임없는 국내 기술진의 연구에도 불구하고 미미하다고 할 수 있다.

국내 광통신 산업을 활성화하기 위한 대책으로는 합리적인 기술 표준화, 최첨단 광통신 시스템 및 주요 광소자 개발, 장기적인 기술 투자와 컴퓨터 분야에의 응용 등을 들 수 있다.

특히 첨단 기술 분야인 광소자의 개발이 중점적으로 육성되어야 하며 코히어런트 광통신과 같은 새로운 통신 방식도 집중적으로 연구 되어야 한다.

공중 통신 중에서도 근거리 방식에 이어 장거리 대용량 전송이나 해저 광통신으로의 연구가 진행중에 있고, 데이터 통신 팩시밀리 혹은 화상 통신 등 전화 이외의 서어비스의 진전에 따라 범용성이 높은 경제적인 가입망이 개발되고 있다.

광통신을 실현하기 위한 기초적 기술은 70년대에 개발되어 이미 현장 실험을 통해 그 우수성을 확인 하였고 공중 통신의 디지탈화와 컴퓨터의 활용으로 이제는 넓은 용도에의 응용이 꾀해지고 있다.

제3세대 출현 기대

광통신 기술은 컴퓨터 장치 사이의 데이터 전송이나 공장 플랜트 내의 계측제어 시스템 외에 각종 광 센서와 조합시켜 원격 탐지 등에도 실제로 응용되고 있다.

초기의 광섬유와 AlGaAs계 반도체 레이저 및 Si광검출기를 기본으로 하는 파장 0.8~0.9㎛대의 광통신을 제1세대라고 한다면, 보다 저손실의 광섬유, InGaAsP계 반도체 레이저 및 Ga 또는 InGaAs계 광검출기를 기본으로 하는 파장 1~1.7㎛대의 소위 장파장대의 광통신을 제2세대라고 말한다.

그렇다면 과연 앞으로 닥쳐올 제3세대의 광통신 기술로서는 무엇을 기대할 수 있을 까? 여기에 몇가지의 새로운 기술 동향을 소개한다.

첫째, 기존의 광 강도 변조와는 달리 주파수 변조(FSK)나 위상 변조(PSK)를 채택하고 복조 방식으로는 광 로칼발진기를 두어 헤테로다인 검파를 행하도록 하는 코히어런트 광통신 방식을 들 수가 있다.
둘째, 광통신에서 현재 이용하고 있는 중계기는 일단 광신호를 받아 전기신호로 변환한 후 신호를 증폭, 등화, 식별재생, 동기, 파형 정형 등의 복잡한 과정을 거쳐 다시 광신호로 변환하여 광섬유로 전송시킨다. 그러나 앞으로는 이러한 복잡한 과정을 거치지 않고 직접 광을 증폭하는 레이저 증폭기가 실현될 전망이다.
셋째, 광의 넓은 주파수 대역을 이용한 파장 분할 다중화(WDM) 전송방식이 개발될 것이다.
넷째, 광신호를 공간을 통하게 하지 않고 투명한 고체내에 만들어진 도파구조를 통하여 전송하며, 이에 발진 증폭 변조 검파 분기 삽입 분파 여바 등의 모든 기능을 집적화시켜 광부품을 안정하게 접속시킬수 있는 광집적 회로의 개발도 중요한 연구과제라고 할 수 있다.
다섯째, 광전자공학(opto-electronics)을 이용한 광 스위치 및 전환장치의 개발 등을 들 수가 있다.

정보화 사회의 빛
 

이상과 같은 미래의 광통신은 현재 국내외에서 활발히 연구되고 있으며 부분적으로는 점점 실현되어 가고 있다.

광통신 기술이 한층 더 진보하여 광전송의 여러 방식에 대한 성능 향상이나 적용 영역의 확대가 꾀해지는 동시에, 교환 시스템에서의 광기술의 응용을 위시해서 물리량이나 화학량의 계측, 공업적 측정이나 제어, 의료관계에의 응용 등 여러 방면으로의 파급효과가 기대된다.

따라서 광통신 기술의 발달은 통신분야 뿐만 아니라 그외의 광 테크놀로지 분야에도 널리 응용되고 있다. 예로서 의료분야에서는 내시경이나 레이져 메스, 또는 광섬유를 이용한 혈액의 속도 측정 등을 들 수가 있고, 계측용으로는 광섬유를 광의 전송로로서 이용할 뿐만 아니라 센서로서 역할을 할 수 있도록 하여 온도 압력 수중음파 전류 회전량 등을 측정할 수가 있다. 또한 산업용으로는 어군 탐지기 침입경보기 레이저 조명장치 레이저 가공 등 실로 빛을 이용한 광 테크놀로지의 응용분야는 무궁무진하다고 하겠다.

광정보 처리에 대한 연구도 군사적으로 활용범위가 매우 넓기 때문에 다각적인 각도에서 진행되고 있다. 특히 최고의 광기술로 각광을 받고 있는 광컴퓨터는 기존의 디지탈 컴퓨터에 비해 고속성 대용량 등에서 매우 유리하기 때문에 앞으로 이 분야에 대한 연구도 이루어져야 한다.
광통신 방식에 중점을 두어 광 근거리 지역통신망(LAN)을 구축하게 되면 빌딩이나 학교 병원 연구소 단지 등 근접한 거리에 모여있는 컴퓨터와 주변기기 사이의 정보전송에 광섬유를 이용함으로써 많은 용량의 정보를 고속으로 주고 받을 수 있게 된다.

앞으로 고속 정보화 사회의 기간이 되는 종합정보통신망(ISDN)이 실현되면 위성통신 컴퓨터와 더불어 광통신이 차지하는 비중은 실로 엄청나게 커질 것이다.

현대는 바로 C&C(Computer and Communication)즉 컴퓨터와 통신의 시대이다. 과학 문명의 주류가 될 컴퓨터와 이들 상호간의 접속은 새로운 통신 방식을 요구하고 있고 새시대의 광통신이 이러한 문제를 충분히 해결할 수 있으리라 생각한다.

인간이 빛을 이용하면서부터 시작된 광통신. 면면히 그 뿌리를 이어온 광통신이 이제는 첨단 과학의 기수로서 조금도 손색이 없으며 앞으로도 계속 그 빛을 발할 것이다.