전기광학 스위치, 기록적으로 낮은 온도에서도 데이터 전송

이 스위치는 다양한 온도 범위에서 작동하고, 빠른 데이터 전송을 제공하며, 전력 소모가 적기 때문에 전력이 제한적이고 온도 변화가 큰 우주에서 사용되는 계측기에서 데이터를 전송하는 데 유용할 수 있습니다.

뉴멕시코주 샌디아 국립 연구소의 수석 연구원인 마이클 겔은 "매우 낮은 온도에서 작동하는 시스템에 전기를 연결하는 것은 매우 어렵지만, 광학 기술이 해결책을 제시할 수 있습니다."라고 말했습니다. "저희의 작은 스위치는 전기 대신 광섬유를 통해 이동하는 빛을 이용하여 추운 환경에서도 데이터를 전송할 수 있도록 합니다."

광학학회(The Optical Society)의 영향력 있는 연구 저널인  Optica 에 게재된 논문에서 겔과 그의 동료들은 새로운 실리콘 마이크로 디스크 변조기를 소개하고 4.8켈빈의 저온 환경에서도 데이터를 전송할 수 있음을 보여주었습니다. 이 장치는 CMOS 컴퓨터 칩 제작에 사용되는 표준 기술로 제작되었으므로 전자 부품이 포함된 칩에 쉽게 통합될 수 있습니다.

"이것은 이처럼 낮은 온도에서 작동하는 능동 실리콘 광소자의 최초 사례 중 하나입니다."라고 겔은 말했다. "이 장치는 차가운 환경에서 전기적으로 정보를 주고받는 속도에 제약을 받는 기술에 혁명을 일으킬 잠재력을 가지고 있습니다."

광학은 저온에서 탁월합니다

저온 응용 분야에서 광학 방식은 전기 데이터 전송에 비해 여러 가지 이점을 제공합니다. 전선은 열을 전도하기 때문에 저온 유지가 필요한 시스템에 열을 발생시키는 경우가 많습니다. 반면 광섬유는 열을 거의 전달하지 않습니다. 또한, 광섬유 하나는 전선보다 더 빠른 속도로 더 많은 데이터를 전송할 수 있으므로, 하나의 광섬유로 여러 전기 연결 작업을 처리할 수 있습니다.

마이크로 디스크 변조기는 작동하는 데 매우 적은 전력이 필요합니다. 오늘날 상업적으로 판매되는 전기 광학 스위치 보다 약 1000배 적은 전력입니다 . 또한 이는 장치가 차가운 환경에 기여하는 열을 줄이는 데에도 도움이 됩니다.

새로운 장치를 만들기 위해 연구진은 지름이 3.5마이크론에 불과한 실리콘 마이크로 디스크 옆에 작은 실리콘 도파관(빛의 파동을 전달하는 데 사용)을 제작했습니다. 도파관을 통과하는 빛은 도파관을 직접 통과하는 대신 마이크로 디스크로 이동하여 디스크를 따라 흐릅니다. 실리콘 마이크로 디스크에 불순물을 첨가하면 전압을 인가할 수 있는 전기 접합이 생성됩니다. 이 전압은 재료의 특성을 변화시켜 빛이 디스크로 들어가는 것을 막고 도파관을 통과하도록 합니다. 즉, 전압이 켜지고 꺼짐에 따라 빛 신호가 켜지고 꺼짐을 반복하며, 이를 통해 전기 데이터를 구성하는 1과 0을 광 신호로 변환할 수 있습니다.

다른 연구 그룹에서도 유사한 장치를 설계했지만, 겔과 그의 동료들은 마이크로 디스크 변조기가 저온에서 작동할 수 있도록 불순물의 양과 정확한 배치를 최적화한 최초의 연구진입니다. 이들의 접근 방식은 저온에서 작동하는 다른 전기광학 장치를 만드는 데 사용될 수 있습니다.

낮은 오류율

연구진은 마이크로 디스크 변조기를 시험하기 위해 이를 저온 유지 장치(cryostat)에 넣었습니다. 저온 유지 장치는 내부를 매우 낮은 온도까지 냉각할 수 있는 소형 진공 챔버입니다. 마이크로 디스크 변조기는 저온 유지 장치로 전송된 전기 신호를 광 신호로 변환합니다. 그런 다음 연구진은 저온 유지 장치에서 나오는 광 신호를 검사하여 입력되는 전기 데이터와 얼마나 잘 일치하는지 측정했습니다.

연구진은 실온(100켈빈과 4.8켈빈)에서 최대 10Gbps의 다양한 데이터 전송 속도로 장치를 작동시켰습니다. 최고 데이터 전송 속도와 최저 온도에서 오류가 약간 증가했지만, 오류율은 여전히 ​​장치 자체의 데이터 전송에 충분히 유용할 만큼 낮았습니다.

이 연구는 샌디아 연구소 응용 광자 마이크로시스템 그룹이 주도하여 광통신 및 고성능 컴퓨팅 응용 분야를 위한 실리콘 광자 소자 개발을 위한 수년간의 노력을 바탕으로 합니다. 연구진은 다음 단계로, 이 소자가 저온 유지 장치 외부에서 발생하는 전기 신호뿐만 아니라 저온 환경 내에서 생성된 데이터로도 작동한다는 것을 입증하고자 합니다. 또한, 소자의 성능 최적화도 지속적으로 진행하고 있습니다.