옵티컬 카 효과를 이용한 전광 스위치로 세계 최소 전력 달성!

2014-09-29 2022-09-23 miyahara

Research

2014-09-29

스위치에 필요한 전력을 얼마나 줄일 수 있는가?

현재까지 많은 전광 스위치가 실현되어 왔다. 그 중에서도 반도체로 제작된 미세 광공진기를 이용한 전광 스위치는 집적도와 에너지 소비 측면에서 우수하지만, 스위치 동작에 사용되는 캐리어 생성으로 인한 손실이 발생한다. 이 손실은 스위치를 양자정보통신과 같이 손실에 취약한 애플리케이션에 사용하거나 스위치를 캐스케이드할 때 문제가 될 수 있습니다. 캐리어 생성을 수반하지 않는 광카 효과를 스위치에 이용하면 이 문제를 해결할 수 있지만, 광카 효과를 일으키기 위해서는 높은 광 파워가 필요하다는 점이 문제점으로 지적되어 왔다. 이에 본 연구에서는 실리카트로이드 공진기를 이용하여 광카 효과를 일으키는데 필요한 전력을 대폭 감소시켜, 광카 효과에 의한 광스위치로서는 세계 최소의 전력으로 구동하는 데 성공하였습니다.

실리카트로이드 공진기는 매우 높은 Q값과 작은 모드 부피를 가지고 있기 때문에 낮은 입력 전력으로 광카 효과를 일으킬 수 있을 것으로 기대할 수 있다(Fig. 1). 그러나 이 공진기에는 광카 효과 외에도 열광학 효과라고 하는 빛 흡수에 의해 발생하는 열에 의한 효과도 존재한다. 일반적으로 열광학적 효과가 광카 효과보다 크기 때문에 광카 효과만을 선택적으로 이용할 수 없지만, 본 연구에서는 광카 효과가 훨씬 빠른 응답속도를 가지고 있는 것을 이용하여 열이 응답할 수 없을 정도로 짧은 시간폭의 광펄스를 입력함으로써 광카 스위치를 실현하는 것을 목표로 하였다. 것을 목표로 하였습니다.

그림 1 실리카 토로이드 마이크로캐비티의 주사전자현미경 이미지.

Fig. 2는 실험 결과를 나타낸다. 파란색 실선은 신호광 출력, 회색 영역은 제어광이 입력되는 것을 나타낸다. 만약 광 스위치가 실현되었다면, 제어광이 입력될 때만 신호광의 출력이 ON이 되어야 하는데, Fig. 2에서 바로 그러한 동작을 관찰할 수 있다. 또한, 본 스위치의 응답 속도는 6ns로 측정되었는데, 이는 열이 반응하기에는 너무 짧은 시간이기 때문에, 이 결과는 광카 효과에 의해 얻어진 결과라고 결론을 내릴 수 있다. 또한, Fig. 2에서 사용한 공진기에서는 Fig. 3의 왼쪽에 표시된 바와 같이 최소 830 μW의 전력이 스위치에 필요했지만, 더 높은 Q값의 공진기를 사용함으로써 그 전력을 36 μW까지 감소시키는데 성공했습니다(Fig. 3 오른쪽). 이는 지금까지 보고된 모든 광카 스위치 중 가장 낮은 전력이다.

그림 2 Kerr 효과에 기반한 전광 스위칭 동작. 파란색 실선은 신호 출력을 나타내고 회색 영역은 제어광이 입력되는 것을 나타낸다. 신호 출력은 오프 공진 출력에 의해 정규화되며, 빨간색 점선은 시뮬레이션에 의해 계산된 신호 출력을 나타낸다. 시뮬레이션에 의해 계산된 신호 출력을 나타낸다.