스탠포드 대학의 물리학자 팀은 최근 손가락 끝 크기 정도의 새로운 광 증폭기를 개발했다고 발표했습니다. 이는 단지 수백 밀리와트의 전력만 소비하면서 광 신호의 강도를 약 100배 증가시킬 수 있으며, 동시에 저잡음 및 전체 대역폭 성능을 유지하여 미래의 통합 광자 칩 및 배터리 구동 장치에 대한 새로운 가능성을 열어줍니다. 관련 결과는 Nature 저널에 게재되었습니다.
광 증폭기는 오디오 시스템의 전력 증폭기와 같은 기능을 하며 광 신호의 강도를 향상시키는 데 사용됩니다. 광섬유 통신, 위성통신 등 다양한 광 기반 기술의 핵심 연결고리입니다. 현재 흔히 볼 수 있는 소형 광증폭기는 일반적으로 소비전력이 높고, 잡음이 높으며, 칩에 집적하는데 한계가 있습니다. 스탠포드팀이 제안한 계획은 '에너지 회수' 설계를 통해 효율성을 크게 높이고 대역폭과 잡음 성능을 희생하지 않으면서 에너지 소비를 줄이는 데 중점을 두고 있다.
논문의 교신저자이자 스탠포드 대학교 인문과학부 물리학 부교수인 Amir Safavi-Naeini는 이것이 진정으로 다재다능하고 저전력인 새로운 유형의 광 증폭기를 달성한 최초의 사례라고 말했습니다. 이는 광학 스펙트럼의 광범위한 대역을 포괄할 수 있으며 칩에 통합될 수 있을 만큼 효율적이므로 보다 복잡한 광학 시스템을 구축하기 위한 기반을 제공합니다.
연구팀에 따르면 이 증폭기는 콤팩트한 칩 수준의 크기를 유지하면서 입력되는 광신호 세기를 약 100배 증폭시킬 수 있다. 수백 밀리와트의 전력만 필요하므로 유사한 장치에 비해 에너지 소비가 크게 줄어듭니다. 작은 크기와 낮은 전력소모로 인해 배터리를 직접 구동해 노트북, 스마트폰 등 휴대용 단말기에 탑재될 것으로 예상된다. 신호 증폭 과정에서 새로운 장치는 추가 잡음을 효과적으로 억제하고 기존 소형 증폭기보다 더 넓은 작동 대역폭을 제공하여 더 넓은 범위의 광 주파수를 지원하고 데이터 용량을 늘리며 간섭을 줄일 수 있습니다.
이 앰프의 핵심은 "펌프 라이트"의 에너지 회수와 활용에 있습니다. 전통적인 디자인에서는 펌프 조명이 구동 매체 역할만 하며 에너지 활용 효율이 제한됩니다. 그러나 스탠포드 연구팀은 공진 구조를 이용해 펌프 광을 시스템 내부로 순환시키고 지속적으로 향상시켜 낮은 입력 전력으로 더 높은 전계 강도를 얻습니다. 논문의 공동 제1저자이자 Safavi-Naeini 연구 그룹의 박사 과정 학생인 Devin Dean은 팀이 펌프 에너지를 재활용함으로써 다른 핵심 성능 지표를 희생하지 않고도 증폭기 효율성을 향상시킬 수 있었다고 지적했습니다.
구체적으로 연구진은 장치에 레이저 공진 공동과 유사한 구조를 사용하여 "빛을 다시 반사"하여 공동 내에서 앞뒤로 반복적으로 이동하고 점차 강도를 축적하게 했습니다. 이 설계에서 펌프 광은 "경마장" 모양의 링 공진기에서 순환하며 폐쇄 루프를 따라 지속적으로 증가하여 대상 신호에 보다 효율적인 이득을 제공합니다. 이 "광학 경마장" 구조를 통해 시스템은 더 낮은 입력 에너지로 더 높은 펌프 강도를 달성하여 전반적인 에너지 효율성을 크게 향상시킬 수 있습니다.
전력 소비 감소와 칩 수준 축소 덕분에 이 증폭기는 고속 데이터 통신, 바이오 센싱, 새로운 광원 개발 등 다양한 응용 시나리오에서 구현될 것으로 예상됩니다. Dean은 이러한 장치가 대량 생산되어 배터리로 구동될 수 있게 되면 크기가 충분히 작고 다양한 단말 장치에 일괄적으로 배치될 수 있기 때문에 응용 분야가 매우 넓어질 것이라고 말했습니다.
연구 논문의 제목은 "2차 고조파 공명을 통한 저전력 통합 광 증폭"이며 저자는 스탠포드 대학 및 파트너 기관 출신입니다. 이 연구 작업은 미국 국방고등연구계획국(DARPA), 일본 NTT 리서치, 미국 국립과학재단의 자금 지원을 받았습니다.
/ScitechDaily에서 편집됨