연구원들은 후방 산란을 억제하고 광학 데이터 전송을 향상시키는 방법을 개발했습니다.

일리노이 대학교 어바나-샴페인, 일리노이주 샴페인

일리노이 대학의 엔지니어들은 광 데이터 전송 중 에너지 손실을 줄이기 위해 부적합한 광파의 방향을 바꾸는 방법을 발견했습니다. 한 연구에서 연구자들은 빛과 음파 사이의 상호 작용을 활용하여 재료 결함으로 인한 빛의 산란을 억제했으며, 이는 향상된 광섬유 통신으로 이어질 수 있습니다.

기계공학부 Gaurav Bahl 교수(왼쪽)와 김승휘 대학원생은 후방 산란된 광파를 억제하여 광통신 시스템에서 데이터 손실을 줄일 수 있음을 확인했습니다. (사진제공:줄리아 스태클러)

광파는 창문의 균열이나 광섬유 케이블의 작은 결함 등 장애물에 부딪힐 때 산란됩니다. 그 빛의 대부분은 시스템 밖으로 산란되지만 일부는 광원쪽으로 다시 산란됩니다. 이러한 현상을 후방 산란이라고 합니다. 모든 엔지니어링 기술에 사용되는 재료에는 항상 약간의 불완전성과 약간의 무작위성이 있습니다. 예를 들어, 장거리 데이터 전송에 사용되는 가장 완벽한 광섬유에도 눈에 보이지 않는 결함이 있을 수 있습니다. 이러한 결함은 제조 과정에서 발생할 수도 있고, 시간이 지나면서 재료의 열적, 기계적 변화로 인해 나타날 수도 있습니다. 궁극적으로 이러한 결함은 모든 광학 시스템의 성능에 한계를 설정합니다.

이전의 몇 가지 연구에서는 특정 자기 특성을 갖는 특수 재료에서 바람직하지 않은 후방 산란이 억제될 수 있음을 보여주었습니다. 그러나 이는 실리콘이나 실리카 유리와 같은 투명한 비자성 재료를 사용하는 오늘날의 광학 시스템에는 실행 가능한 옵션이 아닙니다. 새로운 연구에서 연구원들은 후방 산란을 제어하기 위해 자기장 대신 빛과 음파의 상호 작용을 사용했습니다.

빛의 파동은 앞이든 뒤이든 방향에 관계없이 동일한 속도로 대부분의 물질을 통과합니다. 그러나 방향에 민감한 광-기계적 상호작용을 사용함으로써 연구원들은 대칭을 깨고 후방 산란을 효과적으로 차단할 수 있었습니다. 이는 단방향 거울을 만드는 것과 같습니다. 빛의 파동이 역방향으로 전파되는 것을 차단함으로써 산란자를 만나면 갈 곳이 없고, 계속 앞으로 나아갈 수밖에 없습니다.

이 현상을 입증하기 위해 팀은 마이크로 공진기라고 불리는 실리카 유리로 만들어진 작은 구체에 광파를 보냈습니다. 내부에서는 빛이 경마장처럼 원형 경로를 따라 이동하면서 계속해서 실리카의 결함을 만나 후방 산란 효과를 증폭시킵니다. 그런 다음 팀은 두 번째 레이저 빔을 사용하여 빛-소리 상호 작용을 뒤쪽 방향으로만 연결하여 빛이 뒤쪽으로 산란될 가능성을 차단했습니다. 잃어버린 에너지는 공진기에 결함이 있음에도 불구하고 계속해서 앞으로 나아갑니다.

"후방 산란을 막을 수 있다는 것은 중요하지만, 빛의 일부는 여전히 측면 산란으로 인해 손실됩니다. 이는 과학자들이 통제할 수 없습니다"라고 수석 연구원이자 기계 과학 및 공학 교수인 Gaurav Bahl이 말했습니다. "따라서 이러한 발전은 현 단계에서는 매우 미묘하고 좁은 대역폭에서만 유용합니다. 그러나 실리카 유리와 같은 일반적인 물질에서 후방 산란을 억제할 수 있다는 사실을 검증하는 것만으로도 더 나은 광섬유 케이블을 생산할 수 있거나 이미 세계 해저에서 사용 중인 오래되고 손상된 케이블을 교체할 필요 없이 계속 사용할 수 있다는 것을 의미합니다."

광섬유 케이블에서 실험을 시도하는 것은 광섬유 통신에 필요한 대역폭에서 이러한 현상이 가능하다는 것을 보여주는 다음 단계가 될 것입니다. Bahl은 "우리가 탐구한 원리는 이전에 본 적이 있습니다."라고 말했습니다. "여기서 실제 이야기는 모든 광학 재료에서 사용할 수 있는 광-기계적 상호 작용을 사용하여 유리처럼 간단한 것에서 후방 산란을 억제할 수 있다는 것을 확인했다는 것입니다. 우리는 다른 연구자들이 광학 시스템에서도 이 현상을 조사하여 기술을 더욱 발전시키기를 바랍니다."

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