일리노이大 연구진, 후방산란 억제법 개발로 광데이터 전송 효율 향상

일리노이 대학교 어바나-샴페인(University of Illinois at Urbana-Champaign), 샴페인, IL

일리노이 대학교 엔지니어들이 부적합한 빛 파동을 재지향하여 광데이터 전송 중 에너지 손실을 줄이는 방법을 발견했습니다. 한 연구에서 연구자들은 빛과 음파의 상호작용을 활용하여 물질 결함으로부터의 빛 산란을 억제했습니다. 이는 광섬유 통신 개선으로 이어질 수 있습니다.

기계과학공학 교수 Gaurav Bahl(왼쪽)과 대학원생 Seunghwi Kim이 후방산란된 빛 파동이 억제되어 광통신 시스템의 데이터 손실을 줄일 수 있음을 확인했습니다. (사진 제공: Julia Stackler)

빛 산란과 후방산란의 문제

빛 파동은 창문의 금이나 광섬유 케이블의 미세한 결함 같은 장애물을 만나면 산란됩니다. 그 빛의 대부분은 시스템 밖으로 산란되지만, 일부는 소스 쪽으로 다시 산란됩니다. 이 현상을 후방산란(backscattering)이라고 합니다. 모든 공학적 기술에 사용되는 물질에는 항상 약간의 불완전성과 무작위성이 있습니다. 예를 들어, 장거리 데이터 전송에 사용되는 가장 완벽한 광섬유조차 보이지 않는 결함을 가질 수 있습니다. 이러한 결함은 제조 결과일 수도 있고, 물질의 열적·기계적 변화 결과로 시간이 지나며 나타날 수도 있습니다. 궁극적으로 이러한 결함은 모든 광학 시스템의 성능 한계를 설정합니다.

자기장 대신 빛-소리 상호작용으로 후방산란 제어

이전 몇 연구에서 원치 않는 후방산란이 특정 자기적 특성을 가진 특수 물질에서 억제될 수 있음이 밝혀졌습니다. 하지만 이들은 투명하고 비자성 물질인 실리콘이나 실리카 유리를 사용하는 오늘날의 광학 시스템에는 실행 가능한 옵션이 아닙니다. 새 연구에서 연구자들은 자기장 대신 빛과 음파의 상호작용을 사용하여 후방산란을 제어했습니다.

빛 파동은 방향에 관계없이 대부분의 물질을 같은 속도로 통과합니다. 하지만 방향 민감한 광역학적 상호작용(opto-mechanical interactions)을 사용하여 연구자들은 그 대칭성을 깨고 후방산란을 효과적으로 차단할 수 있습니다. 이는 일방향 거울을 만드는 것과 같습니다. 빛 파동의 후방 전파를 차단함으로써, 산란체를 만나면 뒤로 갈 곳이 없어 앞으로 계속 나아갈 수밖에 없습니다.

실리카 유리 마이크로공진기로 현상 시연

이 현상을 시연하기 위해 팀은 실리카 유리로 만든 마이크로공진자(microresonator)라는 작은 구에 빛 파동을 보냈습니다. 내부에서 빛은 원형 경로를 따라 레이스트랙처럼 이동하며 실리카의 결함을 반복적으로 만나 후방산란 효과를 증폭시킵니다. 팀은 두 번째 레이저 빔을 사용하여 후방 방향으로만 빛-소리 상호작용을 유도하여 빛이 뒤로 산란될 가능성을 차단했습니다. 공진기의 결함에도 불구하고 손실되었을 에너지가 계속 앞으로 이동합니다.

"후방산란을 막을 수 있다는 건 중요하지만, 일부 빛은 여전히 과학자들이 제어할 수 없는 측면 산란(side scattering)으로 손실됩니다."라고 주연구자인 기계과학공학 교수 Gaurav Bahl은 말했습니다. "따라서 이 진전은 현재 단계에서 매우 미묘하며 좁은 대역폭에서만 유용합니다. 하지만 백스캐터링이 실리카 유리처럼 흔한 물질에서 광역학적 상호작용으로 억제될 수 있음을 단순히 검증한 것만으로도, 더 나은 광섬유 케이블을 생산하거나 이미 세계 해저에 깔린 오래된 손상된 케이블을 교체 대신 계속 사용할 수 있음을 시사합니다."

광섬유 케이블에서 실험을 시도하는 것이 광섬유 통신에 필요한 대역폭에서 이 현상이 가능한지 보이는 다음 단계가 될 것입니다. "우리가 탐구한 원리는 이전에 본 적 있습니다."라고 Bahl 교수는 말했습니다. "진짜 이야기는 우리가 유리처럼 단순한 물질에서, 모든 광학 물질에 존재하는 광역학적 상호작용을 사용해 후방산란을 억제할 수 있음을 확인했다는 점입니다. 다른 연구자들도 그들의 광학 시스템에서 이 현상을 조사하여 기술을 더 발전시키길 바랍니다."

자세한 정보는 Gaurav Bahl(이메일: 스팸봇 보호 중, 자바스크립트 필요)에게 문의하세요.