자발방출 (Spontaneous Emission)

한 줄 정의: 들뜬 상태의 원자나 분자가 외부 자극 없이 스스로 낮은 에너지 준위로 떨어지면서 임의의 위상과 방향을 가진 광자를 방출하는 현상입니다.

쉽게 풀면

높은 곳에 올려둔 공은 누가 건드리지 않아도 시간이 지나면 저절로 떨어지려는 경향이 있습니다. 들뜬 상태의 원자도 이와 비슷해서, 외부에서 아무런 자극이 없어도 일정 시간이 지나면 스스로 에너지를 내려놓으며 빛을 냅니다. 이때 나오는 빛은 방향도 위상도 제각각이라서 서로 어긋난 채로 사방으로 퍼집니다. 형광등이나 LED가 빛을 내는 원리가 바로 이 자발방출입니다.

왜 중요한가

자발방출은 레이저에서는 원치 않는 잡음(노이즈)의 원인이 되기 때문에, 유도방출이 이를 압도하도록 설계하는 것이 레이저 발진의 핵심 과제입니다. 광통신 분야에서는 광증폭기의 자발방출 잡음(ASE, Amplified Spontaneous Emission)이 신호 품질을 저하시키는 주요 요인으로 연구됩니다.

논문에서는 이렇게 쓰입니다

"Amplified spontaneous emission noise limits the achievable optical signal-to-noise ratio in long-haul transmission systems."

광섬유증폭기에서 증폭된 자발방출 잡음이 장거리 전송 시스템의 광신호대잡음비를 제한한다는 설명으로, 광통신 성능 분석에서 자주 등장합니다.

"Below the lasing threshold, the output is dominated by spontaneous emission with a broad spectral linewidth."

레이저 문턱값 이하에서는 출력이 넓은 선폭을 가진 자발방출에 의해 지배된다는 뜻으로, 레이저 다이오드의 특성 곡선을 설명할 때 쓰입니다.

조금 더 깊게 보면

자발방출이 일어날 확률은 아인슈타인 A계수로 표현되며, 들뜬 준위의 수명과 밀접한 관계가 있습니다. 자발방출로 나온 광자는 위상과 방향이 무작위이므로 결맞음이 없는 빛(비간섭성 빛)이 됩니다. 반면 유도방출은 자극한 광자와 완전히 같은 성질의 빛을 내기 때문에 두 과정은 뚜렷이 구분됩니다.

주의할 점

자발방출은 레이저 동작 중에도 항상 함께 일어나는 배경 과정이며, 완전히 없앨 수는 없습니다. 자발방출이 곧 나쁜 것만은 아니며, LED처럼 자발방출 자체를 활용하는 광원도 널리 쓰입니다.