양자 캐스케이드 레이저 주파수 콤, 와이파이 속도 혁명의 차세대 주자

과학자들이 양자 캐스케이드 레이저 내 적외선 주파수 콤을 통해 테라헤르츠 주파수를 생성하는 기술을 개발했습니다. 이 대역에서 이동하는 데이터는 기존 무선 네트워크보다 100배 이상 빠릅니다. 레이저가 직교 변조기(quadrature modulator)로 작동할 수 있음을 최초로 입증했습니다.

적외선 주파수 콤과 양자 캐스케이드 레이저

셀룰러 데이터와 와이파이 트래픽이 엄청난 속도로 증가 중입니다. 2020년까지 전 세계에 500억 개 이상의 와이파이 연결 기기가 있을 전망입니다. 하지만 속도는 무선 네트워크 용량에 의해 제한되며, 이 기기들이 생성하는 트래픽은 견딜 수 없는 병목 현상을 초래할 수 있습니다.

차세대 5G 무선 시스템은 2018년 이후 배치될 임시 해결책입니다. 밀리미터파 대역으로 초당 20기가비트(Gbit/s)까지 처리 가능합니다. 하지만 이는 장기적 해결책으로 보이진 않습니다.

따라서 과학자들은 전자기 스펙트럼의 서브밀리미터 대역인 테라헤르츠 주파수에 집중했습니다. 테라헤르츠 대역 파장은 1밀리미터에서 0.1밀리미터 범위이며, 이 대역에서 이동하는 데이터는 기존 무선 네트워크보다 100배 이상 빠릅니다.

양자 캐스케이드 레이저 내 적외선 주파수 콤

2017년 하버드 대학교 연구진이 양자 캐스케이드 레이저 내 주파수 콤[적외선]을 통해 테라헤르츠 주파수를 생성하는 기술을 개발했습니다. 이제 그들은 장비가 통합 수신기나 송신기로 작동해 데이터를 효과적으로 인코딩할 수 있게 하는 양자 캐스케이드 레이저 주파수 콤의 새로운 메커니즘을 개발했습니다.

이 기술은 광학 파장에서 작동하는 장비를 마이크로파 파장에서 작동하는 고급 변조기로 변환합니다. 이는 장치가 네트워크 대역폭을 효율적으로 사용하게 합니다. 레이저 작동 방식을 완전히 바꿉니다.

주파수 콤이란?

광학 주파수 콤은 스펙트럼에 일련의 이산적[균등 간격] 주파수 선들을 포함하는 레이저 소스입니다. 빛의 다양한 주파수를 정밀하게 측정하고 탐지하는 데 널리 쓰입니다. 단일 파장의 빛을 방출하는 기존 레이저와 달리, 이는 여러 파장의 빛을 동시에 방출합니다.

이 다중 주파수 빛들이 균등하게 간격을 두고 있어 빗(comb)의 이빨처럼 보인다 해서 주파수 콤이라 불립니다. 현재 우리는 먼 외계행성 탐색부터 특정 분자의 지문 분석까지 거의 모든 것에 이 광학 주파수 콤을 사용합니다.

하지만 이 연구는 레이저의 광학 출력에 관한 게 아닙니다. 과학자들은 레이저 전자 구조 내부에서 무슨 일이 일어나는지 관심이 있었습니다. 그들은 광학 레이저가 마이크로파 기기로 기능할 수 있음을 입증했습니다.

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

작동 원리

이미지 출처: Jared Sisler / Harvard University

레이저 빛의 다중 파장이 함께 비트(beat)되어 마이크로파 방사를 생성합니다. 레이저 캐비티 내 빛이 전자들을 서로 다른 마이크로파 파장에서 진동시킵니다. 이 파장들은 통신에 사용되는 것과 같은 스펙트럼에 속합니다. 반송파 신호에 데이터를 인코딩하려면 이 진동들을 외부에서 변조할 수 있습니다.

연구진에 따르면, 아무도 이걸 한 적이 없습니다. 레이저가 직교 변조기(quadrature modulator)로 작동할 수 있음을 최초로 입증했습니다. 이는 하나의 주파수 채널로 두 가지 다른 데이터를 동시에 전송할 수 있게 합니다.

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또한 안테나를 레이저에 통합하면 무선 신호를 자유 공간으로 아웃커플링(outcoupling)할 수 있습니다. 이는 양자 캐스케이드 레이저를 일체형 변조기 겸 송신기로 만듭니다.

현재 테라헤르츠 방사 소스들은 제한된 대역폭 때문에 치명적 한계가 있습니다. 이 연구는 차세대 무선 통신 아키텍처에 쉽게 통합될 수 있는 새로운 유형의 직교 믹서(quadrature mixers)를 위한 잠재적 경로를 엽니다.