전반사와 광통신

1. 전반사

1) 전반사

① 전반사의 정의

전반사란 빛이 진행하다가 매질의 경계면에서 굴절 없이 반사만 일어나는 현상입니다.
[ConFer]
거울에서의 반사는 전반사가 아닙니다. 거울면에서는 빛의 일부가 흡수되고 나머지 빛만 반사시키기 때문입니다. 이로 인해 입사한 빛의 세기와 반사된 빛의 세기가 같은 전반사와 달리 거울에서는 입사한 빛의 세기보다 반사된 빛의 세기가 더 약합니다.

② 임계각

빛이 밀한 매질에서 소한 매질로 입사할 때, 굴절각이 $ 90^{\circ} $가 될 때의 입사각을 임계각이라고 합니다.
$$ sini_{c}=\frac{n_{2}}{n_{1}} $$
$ i_{c} $ : 임계각
$ n_{1} $ : 빛의 속력이 느린 매질의 굴절률
$ n_{2} $ : 빛의 속력이 빠른 매질의 굴절률

③ 전반사의 발생 조건

전반사가 일어나기 위해서 빛은 굴절률이 큰 매질에서 작은 매질로 진행해야 합니다. 다시 말해, 빛은 속력이 느린 매질에서 빠른 매질로 진행해야 합니다. 또한 입사각이 임계각보다 커야 합니다.

④굴절률에 의한 임계각

임계각은 두 매질의 굴절률의 차이가 클수록 작습니다. 즉, $ \frac{n_{i}}{n_{r}} $가 클수록 입사각이 작습니다. 이때 $ n_{i} $는 밀한 매질에서의 굴절률이고, $ n_{r} $은 소한 매질에서의 굴절률입니다.

2. 전반사의 이용

1) 프리즘에서 전반사

유리와 공기의 경계면에서 임계각은 약 $ 42^{\circ} $입니다. 이때 유리로 만든 직각 프리즘에 빛이 수직으로 들어가게 되면 프리즘에서 공기로 진행할 때의 입사각이 $ 45^{\circ} $가 되어 임계각인 $ 42^{\circ} $보다 크기 때문에 직각 프리즘에서 전반사하여 나오게 됩니다. 이런 직각 프리즘은 쌍안경, 잠망경 등에 사용됩니다.

2) 광통신

① 광섬유

광섬유는 유리로 만들어진 빛을 전송할 수 있는 섬유 모양의 관으로 중앙의 코어(속유리)를 클래딩(겉유리)이 감싸는 이중 원기둥 구조입니다. 이때 코어의 굴절률이 클래딩의 굴절률보다 크기 때문에 코어 내부로 입사한 빛은 전반사하여 코어를 따라 전달됩니다,

② 광통신

빛의 전반사를 이용하여 광섬유를 통해 정보를 주고 받는 통신 방식을 광통신이라고 합니다. 광통신이 이루어지는 과정을 살펴보면, 먼저 발신기에서 음성 및 영상 정보를 담은 전기 신호를 빛 신호로 변환합니다. 이후 변환된 빛 신호는 광섬유를 통해 빛 신호가 약해지지 않도록 광 증폭기를 통해 빛 신호를 증폭합니다. 그리고 수신기에서는 광 검출기를 이용해 빛 신호에서 정보를 분리합니다.
[ConFer]
빛이 100% 반사되는 전반사를 이용해도 먼거리를 진행하다보면 광섬유에 빛의 일부가 흡수되어 신호의 세기가 약해지기 때문에 광 증폭기를 통해 빛 신호를 증폭시켜줍니다. 기존의 구리 도선을 활용한 유선 통신은 도선에 흐르는 전류를 이용해 정보를 전송하는데, 이때 전류의 열작용에 의해 에너지 손실이 발생하여 전송되는 정보의 세기가 약해집니다. 하지만 광케이블을 이용한 광통신에서는 전반사에 의해 빛의 세기가 거의 일정하게 유지되므로 정보를 멀리까지 보낼 수 있습니다.

③ 광통신의 장단점

광통신은 에너지 손실이 적고 전송 속도가 빨라 전송할 수 있는 거리가 깁니다. 따라서 많은 양의 정보를 송수신할 수 있습니다. 또한 외부 전자기장의 영향을 받지 않아 간섭이나 혼선이 없고, 도청이 어렵습니다.하지만 유지와 보수가 힘들고, 만약 일부분이 끊어지면 전체를 다 교체해야 합니다. 또한 비용이 비싸고 약간의 이물질만으로도 제대로 기능하지 않고, 전력을 전송할 수 없다는 단점이 있습니다.