인터넷 속을 달리는 빛 - 광통신이 작동하는 양자역학적 원리

오늘 아침에 스마트폰으로 유튜브 영상을 보다가 문득 이런 생각이 들었습니다. 서울에 있는 내가 미국 서버에 있는 영상을 실시간으로 보고 있다니, 대체 이 정보는 어떻게 바다를 건너온 걸까?

답은 간단합니다. 빛이죠. 더 정확히 말하면, 해저 광케이블 속을 지름 9마이크로미터(머리카락 굵기의 1/10도 안 되는!)의 유리 섬유를 통해 달려온 빛 신호입니다.

그런데 여기서 놀라운 사실이 있습니다. 이 모든 광통신 시스템은 100% 양자역학 원리로 작동한다는 거예요. 오늘은 우리가 매일 사용하는 인터넷의 숨겨진 양자역학적 비밀을 파헤쳐보려고 합니다.

 

 

---

 

1.빛으로 정보를 보낸다는 것

광통신의 기본 아이디어는 단순합니다. 0과 1의 디지털 신호를 빛의 켜짐/꺼짐으로 바꿔서 보내는 거죠. 빛이 있으면 1, 없으면 0. 이렇게 광섬유를 통해 정보를 전송합니다.

빛의 속도는 초속 약 30만 km입니다. 광섬유 속에서는 조금 느려지지만, 그래도 1초에 지구를 7바퀴 반 돌 수 있는 엄청난 속도죠. 서울에서 뉴욕까지 직선거리로 약 11,000km인데, 빛은 이 거리를 0.05초도 안 되어 주파합니다.

하지만 여기에는 큰 문제가 있습니다. 아무리 투명한 유리 섬유라도 빛이 지나가면서 조금씩 약해진다는 거예요. 산란도 되고, 흡수도 되고... 수천 킬로미터를 가다 보면 처음에 밝았던 신호가 거의 감지할 수 없을 정도로 희미해집니다.

예전에는 이 문제를 해결하기 위해 중간중간 빛을 전기 신호로 바꾸고, 증폭한 다음, 다시 빛으로 바꿔서 보냈어요. 하지만 이 방식은 느리고, 비싸고, 복잡했습니다.

그래서 등장한 것이 바로 오늘의 주인공들입니다.

광증폭기(Optical Amplifier) - 빛을 빛 그대로 증폭하는 장치 광검출기(Photodetector) - 빛을 전기 신호로 바꾸는 장치

이 두 장치는 겉보기에는 단순해 보이지만, 내부를 들여다보면 순수한 양자역학의 세계입니다.

2.빛도 입자다 - 광자의 세계

광통신을 이해하려면 먼저 빛의 본질을 알아야 합니다. 고등학교 물리 시간에 우리는 빛을 파동이라고 배웠죠. 파장이 있고, 진동수가 있고, 간섭과 회절을 일으키는 전자기파라고요.

하지만 이것은 이야기의 절반에 불과합니다. 빛은 동시에 입자이기도 합니다. 이 입자를 '광자(photon)'라고 부르죠.

광자는 에너지를 가지고 있고, 그 에너지는 다음 공식으로 정해집니다.

E = hν

여기서 h는 플랑크 상수(6.626 × 10⁻³⁴ J·s), ν(뉴)는 빛의 진동수입니다. 파장으로 표현하면 E = hc/λ가 되죠.

중요한 점은 광자가 '덩어리진' 에너지를 가진다는 겁니다. 0.5개의 광자는 존재할 수 없어요. 광자는 있거나 없거나 둘 중 하나입니다. 이것이 바로 '양자화'의 의미예요.

예를 들어 광통신에서 주로 사용하는 1550nm 파장의 빛을 생각해봅시다. 이 광자 하나의 에너지는 약 0.8 전자볼트(eV)입니다. 아주 작은 에너지지만, 이것은 정확히 정해진 값이죠. 1549nm도 아니고 1551nm도 아닌, 정확히 1550nm일 때의 에너지입니다.

이 정밀함이 바로 광통신을 가능하게 합니다.

3.광증폭기 - 빛으로 빛을 키우는 마법

이제 본격적으로 광증폭기를 살펴볼까요. 광증폭기는 말 그대로 빛을 증폭하는 장치입니다. 그런데 놀라운 점은 빛을 다른 형태의 에너지로 바꾸지 않고, 빛 그대로 키운다는 거예요.

어떻게 이게 가능할까요? 비밀은 '유도방출(Stimulated Emission)'이라는 양자역학적 현상에 있습니다.

--아인슈타인이 예측한 유도방출

1917년, 알베르트 아인슈타인은 원자 속 전자가 빛을 방출하는 방식을 연구하다가 흥미로운 가능성을 발견했습니다.

보통 전자는 들뜬 상태(높은 에너지 준위)에서 바닥 상태(낮은 에너지 준위)로 떨어질 때 무작위로 광자를 방출합니다. 이것을 '자발방출'이라고 해요. 형광등이나 LED가 바로 이 원리로 빛을 냅니다.

그런데 아인슈타인은 또 다른 가능성을 제시했습니다. 만약 들뜬 상태의 전자 옆으로 광자가 지나간다면, 그 광자가 전자를 자극해서 똑같은 광자를 하나 더 만들어낼 수 있다는 거예요.

더 놀라운 것은 이렇게 새로 만들어진 광자가 원래 광자와 완벽하게 똑같다는 겁니다.

• 같은 파장
• 같은 위상
• 같은 방향
• 같은 편광

말 그대로 완벽한 복제본이죠. 이것이 바로 유도방출입니다.

광자 1개 → 광자 2개

이 과정을 연쇄적으로 일으키면 광자를 기하급수적으로 늘릴 수 있습니다. 이것이 증폭(amplification)의 원리예요.

--EDFA - 광통신의 핵심 장치

이론은 좋은데, 실제로는 어떻게 만들까요? 현대 광통신의 표준 증폭기는 EDFA(Erbium-Doped Fiber Amplifier, 에르븀 첨가 광섬유 증폭기)입니다.

작동 방식을 단계별로 살펴볼게요.

1단계: 펌핑(Pumping) - 전자를 위로 올리기

먼저 광섬유에 에르븀(Er³⁺)이라는 희토류 원소를 첨가합니다. 그리고 여기에 강력한 펌프 레이저(980nm 또는 1480nm)를 쏘아줍니다.

이 펌프 광자들은 에르븀 이온 속 전자들을 높은 에너지 준위로 들어올립니다. 마치 많은 사람들을 건물의 고층으로 올려놓는 것과 같아요.

이 상태를 '반전 분포(population inversion)'라고 부릅니다. 정상적으로는 전자들이 낮은 에너지 준위에 많이 있는데, 인위적으로 높은 에너지 준위에 더 많이 있게 만든 거죠.

2단계: 신호 도착

이제 증폭하고 싶은 약한 광신호(보통 1550nm)가 도착합니다. 이 신호는 아주 미약할 수 있어요. 수천 킬로미터를 달려오면서 거의 사라질 뻔한 신호죠.

3단계: 유도방출과 증폭

신호 광자들이 들뜬 상태의 에르븀 이온들을 지나가면, 유도방출이 일어납니다. 각각의 신호 광자가 들뜬 전자를 자극해서 똑같은 광자를 하나씩 만들어내는 거예요.

1개가 2개로, 2개가 4개로, 4개가 8개로... 신호가 증폭됩니다!

놀라운 점은 이 과정이 신호의 형태를 완벽하게 유지한다는 겁니다. 원래 신호가 복잡한 패턴을 가지고 있어도, 그 패턴이 그대로 증폭돼요. 마치 사진을 확대해도 디테일이 유지되는 것처럼요.

--양자적 한계 - ASE 노이즈

하지만 세상에 완벽한 것은 없죠. EDFA에도 한계가 있습니다.

유도방출만 일어나면 좋겠지만, 자발방출도 함께 일어납니다. 들뜬 전자들이 신호 광자의 자극 없이도 무작위로 광자를 방출하는 거예요.

이렇게 자발적으로 방출된 광자들도 증폭되면서 ASE(Amplified Spontaneous Emission) 노이즈가 됩니다. 이것은 원리적으로 피할 수 없는 양자역학적 노이즈예요.

자발방출이 일어날 확률은 양자역학의 확률 법칙을 따릅니다. 언제 일어날지는 정확히 예측할 수 없고, 단지 평균적인 확률만 계산할 수 있죠. 이것이 바로 광증폭기의 근본적인 한계입니다.

그래도 EDFA는 혁명적인 발명이었습니다. 1980년대 후반에 개발된 이후 광통신의 비용을 극적으로 낮췄고, 인터넷의 폭발적 성장을 가능하게 했죠.

4.광검출기 - 빛을 전기로 바꾸는 양자 센서

광증폭기가 빛의 세계에서 작동한다면, 광검출기는 빛을 전기의 세계로 가져옵니다. 수신단에서 빛 신호를 전기 신호로 바꿔야 우리가 사용할 수 있으니까요.

광검출기의 핵심은 '광전효과(photoelectric effect)'입니다. 아인슈타인이 1905년에 설명해서 노벨상을 받은 바로 그 현상이죠.

--광전효과의 원리

반도체에는 '밴드갭'이라는 것이 있습니다. 전자가 자유롭게 움직일 수 있는 전도대(conduction band)와 원자에 묶여 있는 가전자대(valence band) 사이의 에너지 차이죠.

전자가 가전자대에서 전도대로 올라가려면 최소한 이 밴드갭만큼의 에너지가 필요합니다. 계단의 높이라고 생각하면 돼요.

광자가 반도체에 들어와서 전자를 때리면, 광자의 에너지가 전자에게 전달됩니다. 만약 이 에너지가 밴드갭보다 크거나 같으면, 전자는 전도대로 뛰어오를 수 있어요.

E(광자) = hν ≥ E(밴드갭)

이때 두 가지가 생깁니다.

• 전도대로 올라간 자유 전자
• 가전자대에 남겨진 빈자리(정공)

이 전자와 정공이 반대 방향으로 움직이면서 전류가 흐릅니다. 바로 이것이 광전류(photocurrent)예요!

빛이 강하면 광자가 많고, 많은 전자-정공 쌍이 만들어지니까 전류도 커집니다. 빛이 약하면 광자가 적고 전류도 작아지죠. 이렇게 빛의 세기가 전류의 세기로 변환됩니다.

--PIN 포토다이오드 - 기본 광검출기

가장 기본적인 광검출기는 PIN 포토다이오드입니다. 이름은 구조에서 왔어요.

• P층: 정공이 많은 반도체
• I층(Intrinsic): 불순물이 거의 없는 고저항 반도체
• N층: 전자가 많은 반도체

광자는 주로 중간의 I층에서 흡수됩니다. 이 층이 두꺼울수록 더 많은 광자를 흡수할 수 있죠. I층에서 생성된 전자-정공 쌍은 내부 전기장에 의해 빠르게 P층과 N층으로 분리됩니다.

PIN 포토다이오드의 장점은 속도입니다. 전자-정공 쌍이 빠르게 분리되니까, 빛의 변화에 매우 빠르게 반응할 수 있어요. 광통신에서는 1초에 수십 기가비트(Gb/s)의 신호를 처리해야 하니까, 이 속도가 정말 중요합니다.

--APD - 눈사태 증폭 검출기

더 민감한 검출기가 필요할 때는 APD(Avalanche Photodiode, 눈사태 광다이오드)를 사용합니다.

APD의 비밀은 '충돌 이온화(impact ionization)'라는 현상입니다. 작동 과정을 살펴볼까요.

1. 광자가 흡수되어 전자-정공 쌍이 생성됩니다.
2. 이 전자가 고전압 영역으로 들어가면 강한 전기장에 의해 가속됩니다.
3. 가속된 전자가 다른 원자를 '때려서' 또 다른 전자-정공 쌍을 만듭니다.
4. 새로 생긴 전자들도 가속되어 또 다른 쌍을 만듭니다.
5. 이 과정이 연쇄적으로 반복되면서 눈사태처럼 전자가 증가합니다.

이렇게 하면 내부 증폭율(gain)이 10~100배까지 될 수 있어요. 아주 약한 빛도 검출할 수 있게 되는 거죠.

하지만 단점도 있습니다. 눈사태 과정이 확률적이라서 노이즈가 증가해요. 또한 온도와 전압에 민감해서 정밀한 제어가 필요합니다.

그래도 장거리 광통신에서 아주 약해진 신호를 검출할 때는 APD가 필수적입니다.

5.양자 노이즈의 벽

광검출기에도 근본적인 한계가 있습니다. 바로 '샷 노이즈(shot noise)'예요.

전류는 개별 전자들이 하나씩 흐르는 과정입니다. 광자가 도착하는 것도 확률적 과정이고, 광전효과가 일어나는 것도 확률적이죠.

이런 확률적 과정은 포아송 분포를 따릅니다. 평균적으로 N개의 광자가 오더라도, 실제로는 N-10개가 올 수도 있고 N+15개가 올 수도 있어요. 이 통계적 변동이 바로 샷 노이즈입니다.

샷 노이즈의 크기는 √N에 비례합니다. 광자가 많을수록 절대적인 노이즈는 커지지만, 신호 대비 노이즈 비율(SNR)은 오히려 좋아져요. 이것도 양자역학의 통계적 법칙입니다.

결국 검출기의 감도에는 물리적 한계가 있습니다. 광자가 너무 적으면 노이즈와 구별할 수 없게 되는 거죠. 이것은 기술의 문제가 아니라 자연의 근본 법칙입니다.

6.광자에서 전자로, 그리고 다시 광자로

이제 전체 그림을 그려볼까요.

서울에서 여러분이 유튜브 영상을 재생한다고 상상해봅시다. 그 데이터는 어떤 여정을 거칠까요?

1. 송신단: 전기 신호가 레이저를 통해 광신호로 변환됩니다. 0과 1이 빛의 켜짐과 꺼짐이 되는 거죠.
2. 광섬유: 빛이 유리 섬유 속을 달립니다. 전반사를 이용해서 광섬유 안에 갇혀 수천 킬로미터를 여행해요.
3. 광증폭기: 80~100km마다 신호가 약해지면 EDFA가 있습니다. 유도방출을 통해 광자를 복제하면서 신호를 되살립니다. 전기로 바꾸지 않고, 빛으로 빛을 증폭하는 거죠.
4. 해저 케이블: 태평양을 건너는 해저 케이블 속에도 수십 개의 EDFA가 설치되어 있습니다. 깊은 바다 밑에서 묵묵히 신호를 증폭하면서요.
5. 수신단: 최종 목적지에서 광검출기가 빛을 다시 전기 신호로 바꿉니다. 광전효과로 광자가 전자-정공 쌍을 만들고, 이것이 전류가 되어 0과 1로 해석됩니다.
6. 여러분의 폰: 복잡한 전자회로를 거쳐 영상이 디코딩되고, 화면에 표시됩니다.

이 모든 과정이 1초도 안 되는 시간에 일어납니다. 그리고 그 핵심에는 양자역학이 있죠.

7.우리가 쓰는 인터넷은 양자 장치다

생각해보면 놀랍지 않나요? 우리가 매일 당연하게 사용하는 인터넷이 사실은 거대한 양자역학 실험실이라는 게 말이죠.

광증폭기 안에서는 수조 개의 에르븀 이온들이 유도방출을 일으키고 있습니다. 광검출기 안에서는 매 순간 수십억 개의 광자들이 전자로 변환되고 있죠. 이 모든 것이 양자 전이, 에너지 준위, 확률적 과정이라는 양자역학의 법칙을 따릅니다.

더 놀라운 것은 이 시스템의 규모입니다. 전 세계에 깔린 광케이블의 총 길이는 수억 킬로미터에 달합니다. 해저 케이블만 해도 지구를 수백 바퀴 돌 수 있는 길이죠. 이 모든 시스템이 24시간 365일 쉬지 않고 양자역학적 과정을 수행하고 있습니다.

어떻게 보면 현대 문명은 양자역학 위에 세워져 있다고 해도 과언이 아닙니다. 반도체 칩, LED, 레이저, 태양전지, MRI... 수많은 현대 기술의 기반이 양자역학이니까요.

8.미래의 광통신

광통신 기술은 계속 발전하고 있습니다.

요즘은 하나의 광섬유에 여러 파장의 빛을 동시에 보내는 WDM(Wavelength Division Multiplexing) 기술이 표준입니다. 1550nm, 1551nm, 1552nm... 파장을 조금씩 다르게 해서 수십 개의 신호를 동시에 보내는 거예요. 마치 라디오에서 여러 채널을 동시에 방송하는 것처럼요.

최근에는 양자 암호 통신도 연구되고 있습니다. 개별 광자의 양자 상태를 이용해서 절대 해킹할 수 없는 통신을 구현하는 거죠. 누가 중간에 관측하려고 하면 양자 상태가 바뀌어서 바로 들키게 됩니다.

언젠가는 양자 인터넷이 실현될지도 모릅니다. 양자 얽힘을 이용해서 정보를 전송하는, 완전히 새로운 형태의 네트워크 말이죠.

9.마치며

다음에 인터넷을 사용하실 때, 잠깐 멈춰서 생각해보세요.

지금 이 순간에도 수조 개의 광자들이 광섬유 속을 달리고 있습니다. 해저 케이블 속 어둠 속에서, 에르븀 이온들이 유도방출을 일으키며 신호를 증폭하고 있죠. 수신단에서는 광검출기가 광자를 전자로 바꾸며 정보를 되살리고 있고요.

이 모든 것이 전자의 에너지 준위, 광자의 양자화, 확률적 전이라는 양자역학의 법칙을 따릅니다. 100년 전만 해도 물리학자들의 추상적 이론이었던 것들이, 이제는 우리 일상을 지탱하는 기반이 된 겁니다.

유튜브 영상 하나, 메신저 메시지 하나에도 이런 거대한 양자 세계가 숨어있다니, 정말 놀랍지 않나요?

우리가 보는 화면 너머에는 빛과 전자가 춤추는 양자의 무대가 펼쳐져 있습니다. 그리고 그 무대 위에서 현대 문명이 작동하고 있죠.

다음번에는 레이저에 대해 더 깊이 들어가 보겠습니다. 유도방출을 극한까지 밀어붙인, 양자역학의 또 다른 놀라운 응용이니까요.

긴 글 읽어주셔서 감사합니다!

---

참고: 광통신 시스템의 성능은 다양한 양자역학적 요소들(ASE 노이즈, 샷 노이즈, 밴드갭, 양자 효율 등)에 의해 결정됩니다. 이런 요소들은 모두 양자역학의 근본 법칙에서 비롯되며, 기술의 발전에도 불구하고 넘을 수 없는 물리적 한계를 제시합니다.