빛은 현대 생활에서 많은 중노동을 한다. TV, 위성, 그리고 이 문장을 읽게 해주는 광섬유 케이블 등. 이제 스탠퍼드 대학의 물리학자들이 전기 요금을 걱정하지 않고 빛에 약간의 힘을 더하는 방법을 알아냈다. 그들은 손가락 크기의 광 증폭기를 만들었는데, 이 증폭기는 불과 수백 밀리와트만 소비하면서 광 신호를 약 100배 강화할 수 있다.
맥락을 설명하자면, 광 증폭기는 오디오 증폭기와 비슷하게 작동한다. 단, 이웃의 베이스가 강한 플레이리스트 대신 빛을 증폭시킨다는 점이 다르다. 기존의 소형 버전은 전력을 많이 소모하는 경향이 있어, 내리막길에서만 작동하는 런닝머신만큼 효율적이다. 저널 《네이처》에 설명된 이 새로운 장치는 작동에 필요한 에너지의 상당 부분을 재활용함으로써 이러한 문제를 피했다.
“우리는 처음으로 진정으로 다재다능하고 저전력인 광 증폭기를 시연했습니다. 이 증폭기는 광 스펙트럼 전반에 걸쳐 작동할 수 있으며 칩에 통합될 수 있을 정도로 효율적입니다.”라고 연구의 수석 저자이자 스탠퍼드 물리학과 부교수인 아미르 사파비-나이니가 말했다. 번역하자면, 이제 훨씬 더 복잡한 광학 시스템을 구축할 수 있으며, 자체 발전소가 필요하지 않을 것이라는 뜻이다.
이 증폭기는 잡음을 최소화하여(아무도 지지직거리는 신호를 원하지 않는다) 기존 모델보다 더 넓은 파장 범위에서 작동하므로 더 많은 데이터를 간섭 없이 전송할 수 있다. 비결은 광자를 경주장을 도는 것처럼 빛을 다시 자신에게 보내는 공진 설계에 있다. 펌프 광이 순환하면서 더 강해지고 목표 신호를 더 효율적으로 증폭시킨다.
“이 증폭기에 전력을 공급하는 펌프의 에너지를 재활용함으로써 효율성을 높였으며, 이는 다른 특성에 비용을 초래하지 않습니다.”라고 공동 제1저자이자 사파비-나이니 연구실의 박사 과정 학생인 데빈 딘이 말했다. 장치가 소형이고 에너지 효율적이기 때문에 배터리로 작동할 수 있으며 노트북, 스마트폰 또는 기타 소형 전자 기기에 내장될 수 있다.
“그렇게 할 수 있으면, 가능성은 정말로 넓어집니다. 너무 작아서 대량 생산하고 배터리로 전원을 공급할 수 있기 때문입니다.”라고 딘이 말했다. 잠재적 응용 분야로는 데이터 통신, 바이오 센싱, 새로운 광원 제작 등이 있으며, 기본적으로 더 큰 플러그 없이 더 강한 신호를 사용할 수 있는 모든 것이 해당된다.
이 연구는 국방고등연구계획국(DARPA), NTT 리서치, 그리고 미국 국립과학재단의 지원을 받았다. 공동 저자로는 태원 박, 마틴 페예르, 위베르 스토코프스키, 샘 로비슨, 알렉산더 황, 루크 치, 제이슨 헤르만이 포함된다. 딘, 박, 사파비-나이니, 스토코프스키는 전력 제약이 있는 광자 센서에서 양자 이점을 달성하는 방법을 다루는 특허 출원을 제출했다.
자료 제공: 스탠퍼드 대학. 참고: 내용은 스타일과 길이에 맞게 편집될 수 있습니다.