양자 캐스케이드 레이저 주파수 빗:WiFi 속도의 차세대 혁명

• 과학자들은 양자 캐스케이드 레이저의 적외선 주파수 빗을 통해 테라헤르츠 주파수를 생성하는 기술을 개발했습니다.
• 이 대역에서 이동하는 데이터는 기존 무선 네트워크보다 100배 이상 빠르게 이동할 수 있습니다. 
• 레이저가 직교 변조기 역할을 할 수 있음을 누군가가 입증한 것은 이번이 처음입니다. 

셀룰러 데이터와 WiFi 트래픽이 엄청난 속도로 증가하고 있습니다. 2020년에는 Wi-Fi에 연결된 장치가 전 세계적으로 500억 개가 넘을 것입니다. 그러나 무선 네트워크의 용량에 따라 속도가 제한되며 이러한 장치에서 생성되는 트래픽으로 인해 견딜 수 없는 병목 현상이 발생할 수 있습니다.

다가오는 5세대 무선 시스템은 2018년 이후에 배포될 임시 솔루션입니다. 밀리미터파 대역은 초당 최대 20기가비트(Gbit/s)의 데이터를 처리할 수 있습니다. 하지만 이는 장기적인 해결책은 아닌 것 같습니다.

따라서 과학자들은 테라헤르츠 주파수라고 불리는 전자기 스펙트럼의 서브밀리미터 대역에 중점을 두었습니다. 테라헤르츠 대역의 파장 범위는 1mm에서 0.1mm입니다. 이 대역에서 이동하는 데이터는 기존 무선 네트워크보다 100배 이상 빠르게 이동할 수 있습니다.

양자 캐스케이드의 적외선 주파수 빗

2017년 하버드대학교 연구진은 양자 다단계 레이저에서 주파수 빗(적외선)을 통해 테라헤르츠 주파수를 생성하는 기술을 개발했습니다. 이제 그들은 장비가 통합 수신기 또는 송신기 역할을 하고 데이터를 효과적으로 인코딩할 수 있는 새로운 양자 캐스케이드 레이저 주파수 빗 메커니즘을 개발했습니다.

이 기술은 광파장에서 작동하는 장비를 마이크로파 파장의 고급 변조기로 변환합니다. 이를 통해 장치는 네트워크 대역폭을 효율적으로 사용할 수 있습니다. 이는 레이저 작동 방식을 완전히 변화시켰습니다.

주파수 빗이란 무엇인가요? 

광 주파수 빗은 스펙트럼에 일련의 불연속(균등한 간격) 주파수 선이 포함된 레이저 소스입니다. 다양한 주파수의 빛을 정확하게 측정하고 감지하는 데 널리 사용됩니다. 단일 파장의 빛을 방출하는 기존 레이저와 달리 이 레이저는 여러 파장의 빛을 동시에 방출합니다.

여러 주파수의 빛이 동일한 간격으로 배치되어 있고 빗살과 비슷하기 때문에 주파수 빗이라고 합니다. 현재 우리는 먼 외계행성을 찾는 것부터 특정 분자의 지문을 분석하는 것까지 거의 모든 것에 이러한 광주파수 빗을 사용하고 있습니다.

그러나 이번 연구는 레이저의 광출력에 관한 것이 아니다. 과학자들은 레이저의 전자 구조 내부에서 무슨 일이 일어나고 있는지에 관심이 있었습니다. 그들은 광학 레이저가 마이크로파 장비로 기능할 수 있음을 입증했습니다.

참조:OSAPublishing | doi:10.1364/OPTICA.5.000475 | 하버드 

어떻게 작동하나요?

이미지 출처:Jared Sisler/하버드 대학교

레이저 광의 여러 파장이 서로 충돌하여 마이크로파 방사선을 생성합니다. 레이저 공동에 존재하는 빛은 전자가 다양한 마이크로파 파장에서 진동하도록 촉발합니다. 이러한 파장은 통신에 사용되는 것과 동일한 스펙트럼에 속합니다. 데이터를 반송파 신호로 인코딩하기 위해 이러한 진동을 외부에서 변조할 수 있습니다.

연구자들에 따르면, 이전에는 누구도 이런 일을 해본 적이 없습니다. 레이저가 직교 변조기 역할을 할 수 있다는 사실을 누군가가 입증한 것은 이번이 처음입니다. 이를 통해 하나의 주파수 채널을 사용하여 2개의 서로 다른 데이터를 동시에 전송할 수 있습니다.

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게다가, 레이저에 안테나를 통합함으로써 무선 신호를 자유 공간으로 분리할 수 있습니다. 이는 양자 캐스케이드 레이저를 유니바디 변조기 및 송신기로 만들 것입니다.

현재 테라헤르츠 방사선원은 제한된 대역폭으로 인해 심각한 한계를 갖고 있습니다. 이 연구는 차세대 무선 통신 아키텍처에 쉽게 통합될 수 있는 새로운 유형의 직교 믹서에 대한 잠재적 경로를 열어줍니다.