디지털 미래는 오늘날의 트랜지스터보다 백만 배 빠른 광 스위치에 의존할 수 있습니다.

더 빠른 전화, 컴퓨터 또는 인터넷 연결을 원했다면 기술의 한계에 부딪힌 개인적인 경험을 접한 것입니다. 하지만 도중에 도움이 있을 수도 있습니다.

지난 수십 년 동안 나와 같은 과학자와 엔지니어들은 현대 전자 및 디지털 통신 기술의 기반이 되는 전자 부품인 더 빠른 트랜지스터를 개발하기 위해 노력해 왔습니다. 이러한 노력은 특별한 전기적 특성을 지닌 반도체라고 불리는 물질 범주에 기반을 두고 있습니다. 실리콘은 아마도 이러한 유형의 재료 중 가장 잘 알려진 예일 것입니다.

그러나 약 10년 전, 과학적 노력이 반도체 기반 트랜지스터의 속도 한계에 부딪혔습니다. 연구자들은 이러한 물질을 통해 전자가 더 빠르게 이동하도록 만들 수 없습니다. 엔지니어들이 실리콘을 통해 전류를 이동할 때 발생하는 속도 제한을 해결하기 위해 노력하는 한 가지 방법은 더 짧은 물리적 회로를 설계하는 것입니다. 즉, 본질적으로 전자의 이동 거리를 줄이는 것입니다. 칩의 컴퓨팅 성능을 높이는 것은 결국 트랜지스터 수를 늘리는 것과 같습니다. 그러나 연구자들이 트랜지스터를 매우 작게 만들 수 있더라도 사람과 기업이 필요로 하는 더 빠른 처리 및 데이터 전송 속도를 제공할 만큼 빠르지는 않습니다.

우리 연구 그룹의 작업은 자유 공간과 광섬유에서 초고속 레이저 펄스를 사용하여 데이터를 이동하는 더 빠른 방법을 개발하는 것을 목표로 합니다. 레이저 빛은 손실이 거의 없고 소음도 매우 낮은 광섬유를 통해 이동합니다.

2023년 2월 Science Advances에 발표된 가장 최근 연구에서 우리는 이를 향해 한 걸음 더 나아갔습니다. 전자를 이동하고 전달하기 위해 전압보다는 광자에 의존하는 광학 트랜지스터가 장착된 레이저 기반 시스템을 사용하는 것이 가능함을 입증했습니다. 현재 시스템보다 훨씬 더 빠르게 정보를 제공하며 이전에 보고된 광 스위치보다 더 효과적으로 정보를 제공합니다.

가장 기본적인 수준에서 디지털 전송에는 1과 0을 표시하기 위해 신호를 켜고 끄는 작업이 포함됩니다. 전자 트랜지스터는 전압을 사용하여 이 신호를 보냅니다. 전압이 전자가 시스템을 통해 흐르도록 유도하면 1이라는 신호를 보냅니다. 흐르는 전자가 없으면 0이라는 신호를 보냅니다. 이를 위해서는 전자를 방출하는 소스와 이를 감지하는 수신기가 필요합니다.

우리의 초고속 광학 데이터 전송 시스템은 전압보다는 빛을 기반으로 합니다. 우리 연구 그룹은 실리콘의 현재 한계를 극복하기 위해 현대 프로세서의 구성 요소인 트랜지스터 수준에서 광통신을 연구하는 많은 그룹 중 하나입니다.

우리 시스템은 반사광을 제어하여 정보를 전송합니다. 빛이 유리 조각에 비치면 대부분은 통과하지만 약간은 반사될 수도 있습니다. 이는 햇빛을 향해 운전하거나 창문을 통해 볼 때 눈부심으로 경험하는 것입니다.

우리는 동일한 유리 조각을 통과하는 두 개의 소스에서 전송된 두 개의 레이저 빔을 사용합니다. 한 광선은 일정하지만 유리를 통한 광선의 투과는 두 번째 광선에 의해 제어됩니다. 두 번째 빔을 사용하여 유리의 특성을 투명에서 반사로 전환함으로써 일정한 빔의 전송을 시작하고 중지하여 광 신호를 매우 빠르게 켜고 끄고 다시 전환할 수 있습니다.

이 방법을 사용하면 현재 시스템이 전자를 보낼 수 있는 것보다 훨씬 더 빠르게 유리 특성을 전환할 수 있습니다. 따라서 우리는 더 짧은 시간에 더 많은 온오프 신호(0과 1)를 보낼 수 있습니다.

우리의 연구는 일반적인 전자 장치를 사용했을 때보다 100만 배 더 빠르게 데이터를 전송하는 첫 번째 단계를 밟았습니다. 전자의 경우 데이터를 전송하는 최대 속도는 나노초, 10억분의 1초로 매우 빠릅니다. 하지만 우리가 제작한 광스위치는 불과 몇 백 아토초만에 데이터를 백만 배 더 빠르게 전송할 수 있었습니다.

또한 메시지를 가로채거나 수정하려는 공격자가 실패하거나 탐지될 수 있도록 해당 신호를 안전하게 전송할 수 있었습니다.

레이저 빔을 사용하여 신호를 전달하고 다른 레이저 빔으로 제어되는 유리를 사용하여 신호 강도를 조정하면 정보가 더 빠르게 전달될 뿐만 아니라 훨씬 더 먼 거리까지 이동할 수 있음을 의미합니다.