양자점을 이용한 새로운 유형의 광 스위치

공동양자연구소(JQI)에서 개발한 광 스위치는 광자공학과 전자공학의 대규모 통합을 촉진합니다.

전자공학만으로는 충분하지 않나요? 빛보다 빠른 것은 없습니다. 지식 처리와 전달을 서두르는 시간과 노력을 투자한다면, 광자와 전자를 함께 사용하는 것이 실용적인 광전자 프로토콜을 개발하는 데 바람직합니다. JQI 스위치는 단 120피코초 만에 광선을 한 방향에서 다른 방향으로 조정할 수 있으며, 90아토줄(atto joule) 이하의 전력만 소모합니다. 사용되는 파장인 근적외선에서 이는 약 140개의 광자에 해당합니다. 이는 실제로 광자 결정으로 만든 도파관의 구성으로, 광섬유 전송 영역에 사용되는 훌륭한 장치입니다.

양자점은 구멍이 없는 작은 영역 안에 배치됩니다. 빛은 엔드캡을 통해 도파관 안팎으로 분산됩니다. 적절한 타이밍으로 펌프 레이저 펄스가 발생하여 프로브 펄스가 측면으로 빠져나갑니다. 프로브 빔과 펌프 빔이 정렬되지 않으면 프로브 빔은 도파관의 반대쪽 끝으로 빠져나갑니다. 대부분의 전자 장비의 핵심은 트랜지스터입니다. 트랜지스터는 게이트 신호를 근처의 작은 전도 경로로 전달하여 정보 신호의 흐름을 켜고 끄는 반도체 소자입니다.

광자학에서 유사한 과정은 게이트를 제공하는 고체 소자로, 근처 도파관을 통과하는 빛의 통과를 활성화하거나 비활성화하거나, 서로 다른 방향으로 빔을 스위칭하기 위한 라우터 역할을 합니다. 에도 왁스(Edo Waks)와 그의 동료들이 메릴랜드 대학교와 미국 국립표준기술연구소(NIST)에서 준비하고 수행한 JQI 실험에서, 공진 공동에 배치된 양자점을 이용하여 전광 스위치를 개발했습니다. 인듐과 비소 원소가 나노미터 크기의 샌드위치 형태로 결합된 이 양자점은 매우 작아서 내부에서 움직이는 전자는 마치 원자처럼 특정 파장의 빛만 방출할 수 있습니다. 양자점은 수많은 작은 구멍이 있는 광자 결정 내부에 위치합니다.

구멍은 좁은 파장 범위를 제외하고는 결정체를 통과하는 햇빛을 차단합니다. 실제로, 양자점은 공진 공동처럼 작용하는 작은 구멍 없는 아케이드에 위치합니다. 빛이 근처 도파관을 통과할 때 많은 양의 빛이 공동으로 유입되어 양자점과 상호작용합니다. 그리고 바로 이러한 상호작용이 도파관의 투과 특성을 변화시킬 수 있습니다. 스위칭 작용을 위해서는 도파관에 140개의 광자가 필요하지만, 실제로 양자점의 변조를 유발하여 스위치를 작동시키는 데는 약 6개의 광자만 필요합니다.

기존의 광 스위치는 부피가 큰 비선형 결정과 높은 입력 전력을 사용해야만 작동할 수 있었습니다. 이와 대조적으로 JQI 스위치는 단일 양자점과 매우 낮은 입력 전력을 사용하여 높은 비선형 상호작용을 구현합니다. 스위칭에는 90아토줄(ato-joule)의 전력만 필요했는데, 이는 일본 연구실에서 이전에 보고된 최고 성능의 장치보다 약 5배 적은 전력입니다. 일본 스위치는 다른 전광 스위치보다 100배 적은 전력을 사용했습니다. 그러나 JQI 스위치는 실온에서 작동할 수 있다는 장점이 있는데, JQI 스위치는 40K에 가까운 온도가 필요하기 때문입니다.

전자공학에 대한 비유를 계속해 보겠습니다. 정보 전달 빔을 통해 도파관을 따라 이동하는 빛은 두 번째 펄스인 제어 빔을 사용하여 한 방향에서 다른 방향으로 전환될 수 있습니다. 프로브 빔을 장치 쪽으로 이동시키려면, 약간 조율되지 않은 펌프 빔이 프로브 빔과 동시에, 즉 양자점과 공명해야 합니다. 양자점은 공동 내부, 도파관의 중간 탭 바로 옆에 있습니다. 양자점의 온도는 공동을 통해 공명하도록 조율되어 강한 결합을 형성합니다. 펌프 빔이 프로브와 동시에 도달하지 않으면 프로브 빔은 다른 방향으로 빠져나갑니다.