데이터 전송 혁신: 다중화 광 안테나로 초고속 통신 구현

연구자들이 빛 파동의 특성을 활용해 데이터 전송량을 획기적으로 늘리는 방법을 발견했습니다. 머리카락 굵기 정도인 동심원 안테나에서 이산적인 꼬임 레이저 빔을 방출하는 것을 시연했습니다. 이는 컴퓨터 칩에 탑재할 수 있을 만큼 작습니다.

이 연구는 일관된 광원에서 다중화(동시 전송)할 수 있는 정보량을 크게 늘릴 것입니다. 다중화의 흔한 예는 단일 전선으로 여러 전화 통화를 전송하는 것이지만, 직접 다중화할 수 있는 코히어런트 꼬임 빛 파동의 수에는 근본적 한계가 있었습니다.

이 기술은 빛의 특성인 궤도 각운동량(orbital angular momentum, OAM)을 통해 현재 데이터 용량 한계를 극복합니다. 생물 영상, 대용량 통신, 센서 등에 응용됩니다.

전자기파로 신호를 전송하는 현재 방식은 한계에 도달했습니다. 주파수는 포화 상태라 라디오에서 튜닝할 수 있는 방송국 수가 제한됩니다. 편파(빛 파동을 수평/수직 두 값으로 분리)는 전송 정보량을 2배로 늘릴 수 있습니다. 영화 제작자들은 3D 영화를 만들 때 이를 활용해 좌우 눈에 서로 다른 신호를 보내 입체 효과와 깊이감을 만듭니다.

주파수와 편파를 넘어선 궤도 각운동량(OAM)은 데이터 전송 용량을 기하급수적으로 늘릴 수 있어 과학자들의 주목을 받아왔습니다. OAM을 토네이도의 소용돌이에 비유할 수 있습니다. 무한한 자유도를 가진 빛의 소용돌이는 원칙적으로 무제한 데이터량을 담을 수 있습니다. 과제는 무한한 OAM 빔을 신뢰성 있게 생성하는 방법을 찾는 것이었습니다.

연구자들은 안테나에서 시작했습니다. 안테나는 전자기학에서 가장 중요한 구성요소 중 하나이자 현재 5G와 향후 6G 기술의 핵심입니다. 이 연구의 안테나는 위상학적(topological)입니다. 장치가 꼬이거나 구부러져도 본질적 특성이 유지됩니다.

위상학적 안테나를 만들기 위해 전자빔 리소그래피로 인듐 갈륨 비소 인화물(반도체 소재)에 격자 패턴을 에칭한 뒤, 이트륨 철 가넷 표면에 접합했습니다. 격자를 세 동심원으로 패터닝해 양자 우물을 형성했습니다(가장 큰 지름 약 50미크론). 이 설계는 광자 양자 홀 효과를 지원하는 조건을 만들었습니다. 이는 자기장이 가해질 때 광자의 움직임을 기술하며, 빛이 고리 안에서 한 방향으로만 이동하도록 강제합니다.

2차원 미세구조에 수직으로 자기장을 가해, 연구자들은 표면 위를 원형 궤도로 이동하는 세 개의 OAM 레이저 빔을 생성하는 데 성공했습니다. 연구는 또한 레이저 빔이 276까지 큰 양자수를 가짐을 보였습니다. 이는 빛이 한 파장 내에서 축을 중심으로 몇 번 꼬이는지를 나타냅니다.