| KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2015-02-05 |
|
| 광섬유가 빛을 한 방향으로만 전송하도록 만드는 방법은? 일리노이대(University of Illinois at Urbana-Champaign) 연구진이 브릴루앙산란 유도투명성(Brillouin Scattering Induced Transparency : BSIT)이라는 현상을 최초로 실험적으로 증명했다. 이 현상은 광도파로에서 빛의 속력을 늦추거나 높이고 차단하는데 이용될 수 있다. BSIT 현상은 빛이 전방으로는 진행할 수 있게 하고 후방으로 진행하는 빛은 강하게 흡수될 수 있게 한다. 이러한 비가역적인 특성은 광학 설계자의 도구상자에서 빠질 수 없는 도구인 격리기(isolators)와 순환기(circulators)를 제작하는데 필수적이다. 이번 연구에서 연구진은 유리 마이크로 광섬유와 인접한 유리구를 이용하여 BSIT 현상을 시연했다. “얇은 광도파로와 매우 작은 유리구가 상당히 가까워지면, 본질적으로 매우 작은 구인 마이크로공진기에 의해서 어떤 파장의 빛들은 광도파로 밖으로 흡수될 수 있다. BSIT 현상을 통해서 우리는 이러한 불투명성을 제거할 수 있다는 것을 증명했다. 다시 말해서 특별히 선택된 파장의 또 다른 레이저를 가까이 추가함으로써 이 시스템을 다시 투명하게 만들 수 있다”고 기계공학과 조교수인 고라브 발(Gaurav Bahl)은 설명했다. “이 효과는 재료에 존재하는 음파와 빛의 상호작용으로 인해서 생기며, 과거에는 관찰된 적이 없는 새로운 물리적 과정이다. 이 실험에서 가장 중요한 점은 BSIT가 비가역적인 현상, 즉 투명성이 오직 한 방향으로만 발생된다는 것을 관측한 것이다. 다른 방향에서는, 이 시스템은 여전히 빛을 흡수한다”고 그는 말했다. 시간-반전 대칭성(Time-reversal symmetry), 즉 가역성은 대부분의 음향학, 전자기학 및 열역학적 상황에서 이해되고 있는 기본적인 이론이다. 특수한 소자 응용분야에서 공학자들은 종종 이러한 시간-반전 대칭성을 깨기 위한 기술을 이용해야 한다. 현재의 비가역적 광학소자들의 예인 격리기와 순환기는 오로지 패러데이 자기광학 효과를 이용하여 제작된다. 이 기술은 시간-반전 대칭성을 깨기 위해 어떤 특수한 석류석과 페라이트 재료로 자기장을 이용한다. 하지만 이 재료들은 전통적인 주조 공정을 통해서는 칩 규모에서 얻기가 힘들다. 자기장은 차가운 원자 마이크로시스템과 같은 여러 분야에서 간섭의 근원이기도 하다. 이러한 제약사항들로 인해서 지금까지의 온-칩 광학 시스템들은 패러데이 효과 격리기를 이용하는데 방해를 받았다. “우리는 자석이 필요 없는 선형 광학 비가역성을 얻는 방법이 임의의 일반적인 광학 재료 시스템에서 페라이트 없이 구현될 수 있고 어떠한 상용 광학 공장에서도 구현될 수 있다는 것을 시연했다. 브릴루앙 격리기는 이미 존재하지만, 산란광을 여과시켜야 하는 비선형 장치들이다. 그러나 BSIT는 선형 비가역 과정”이라고 발은 말했다. “원래 1920년대 초에 발견된 브릴루앙-만델스탐 산란(Brillouin-Mandelstam scattering)은 전자변형 광학 힘(electrostrictive optical forces)과 음향광학 산란을 통한 광파와 음파의 결합이다. 그것은 BSIT 배후의 기본적인 물리적 과정이며, 모든 고체, 액체, 기체 및 심지어는 플라즈마에서도 발생된다”고 비가역적 브릴루앙산란 유도 투명성(Non-Reciprocal Brillouin Scattering Induced Transparency)이라는 제목으로 ‘Nature Physics’ 저널에 발표된 이번 논문의 제1저자인 일리노이대 대학원생 김준환은 말했다. BSIT는 또한 빛의 군속도를 높이고 내리는 것을 가능하게 한다. 물리학자들은 이것을 ‘빠른’ 빛과 ‘느린’ 빛이라고 부른다. ‘느린’ 빛 기술은 양자정보저장과 광학버퍼 분야에서 대단히 유용하다. 언젠가는 그와 같은 버퍼들이 양자 컴퓨터에 통합될 수 있을 것이다. “느린 빛과 빠른 빛이 브릴루앙 산란을 이용하여 얻어질 수 있다는 것은 이미 알려져 있지만, 우리 장치는 이전의 다른 장치들보다 7자릿수 정도나 훨씬 더 작고 더 적은 전력을 이용한다. 하지만 그러한 성능을 얻기 위해서 우리는 대역폭을 희생해야 한다”고 김은 말했다. 이번 연구에서 연구팀은 빛이 발휘하는 극도로 작은 힘을 이용하여 마이크로 규모와 나노 규모의 역학적 진동을 발생하고 제어했다. 이 분야는 광역학(optomechanics)이라고 불린다. 공명 마이크로공동에서는 이러한 미세한 힘도 여러 자릿수나 향상될 수 있다. 그들은 이러한 현상들을 이용하여 고체, 액체 및 기체가 빛과 상호작용을 하는 배후 원리를 밝혀내고 있다. 이번 연구에는 일리노이대, 미국립과학재단 및 미공군 과학연구청이 투자했다. | |
