광학 KERR 효과를 이용한 단열적 주파수 변환
Research
광학 KERR 효과를 이용한 단열적 주파수 변환
저손실 및 제어성 높은 주파수 변환 기법 입증
기타의 현을 손가락으로 치면, 기타에서 어떤 음계의 소리가 한동안 계속 울려 퍼진다. 그렇다면 소리가 계속 울리는 동안 현의 장력을 빠르게 변화시키면 어떻게 될까요? 상상할 수 있듯이, 장력의 변화에 따라 기타에서 나오는 음의 음계도 달라질 것입니다. 이는 물리적으로 현의 고유 진동수가 장력 변화에 따라 변화하는 것으로 설명할 수 있습니다.
사실 이와 비슷한 현상을 미세광 공진기 안에서도 일어날 수 있습니다. 빛이 들어간 미세광 공진기의 공진 주파수를 빠르게 이동시키면, 공진기 안에 있는 빛 자체의 주파수도 공진 주파수 이동에 따라 변하게 됩니다. 이를 단열적 주파수 변환(Adiabatic frequency conversion)이라고 하는 현상입니다. 기존의 단열적 파장 변환은 광결정 공진기를 비롯한 공진기의 공진 주파수를 캐리어의 효과로 이동시킴으로써 실현되는 것이 대부분이었습니다. 그러나 캐리어를 사용하면 캐리어의 유한한 확산 시간의 영향으로 시간적 제어가 어렵고, 캐리어 밀도의 증가에 따라 공진기의 손실이 증가한다는 문제점이 있었다. 이에 본 연구에서는 광 Kerr 효과라는 무손실 및 순간적인 응답이 가능한 방법으로 실리카 미세광공진기라는 유리 공진기의 공진 주파수를 제어하여 저손실 및 제어성이 높은 단열적 주파수 변환을 실현하였습니다.
Fig. 1 단열적 주파수 변환 개념도. 캐리어를 사용하면 제어 동작이 끝난 후에도 광 주파수가 변환된 상태로 유지되지만, 광 Kerr 효과를 사용하면 주파수를 원래대로 되돌릴 수 있다.
그림 2는 실험 결과를 보여준다. 만약 공진 주파수를 제어하지 않으면 광 출력은 부드럽게 감쇠할 것이다(회색 실선). 그러나 공진 주파수를 제어하면(그림의 빨간색 영역), 그 동안에만 출력에 진동이 나타난다(파란색 실선). 이는 원래의 빛과 주파수가 이동된 공진기 내의 빛과의 간섭 효과로 인해 발생하는 비트이며, 비트 주파수가 주파수 변환량에 해당한다. (a)는 공진주파수 제어에 사용되는 광파워가 강할수록 주파수 변환량이 커져 최대 140MHz까지 도달하는 것을 알 수 있다. 또한 (b)에서는 광 Kerr 효과의 빠른 응답을 이용하여 두 번의 변환에 성공하였다. 지금까지 여러 차례의 단열적 주파수 변환을 관찰한 사례는 없었다.
Fig. 2 단열적 주파수 변환 실험 결과. (a)전력 의존성. (b) 다중 동작. 아래 패널은 이론적으로 추정한 주파수 변환량의 시간적 변화이다.
또한, 광학 Kerr 효과의 빠른 응답을 이용하여 원래의 빛과 변환된 빛의 위상차가 출력 파형에 미치는 영향을 조사할 수 있게 되었다. 그림 3(b)에서 볼 수 있듯이, 주파수 변환 동작을 마친 후에도 위상차가 원래대로 돌아오지 않으면 출력 파형도 원래대로 돌아오지 않는 것을 실험적으로 보여주었다. 실험적으로 나타났습니다. 이 결과는 이론과도 잘 일치한다.
Fig. 3 위상차가 미치는 영향 분석. (a) 위상차의 전력 의존성. (b) 실험 결과와의 비교. 위상차가 원래 값(π)에 가까울 때(아래), 변환 동작 후의 파형은 원래의 파형과 일치한다. 반면, 위상차가 원래의 값에서 멀어지면(위), 원래의 파형으로 돌아가지 않는다.
단열적 주파수 변환의 장점은 주파수를 원활하게, 원칙적으로 100%의 효율로 변환할 수 있다는 점이다. 본 연구의 저손실 특성과 결합하여 양자 정보처리 등의 분야에 응용될 수 있을 것으로 기대된다. 또한 본 연구를 통해 단열적 주파수 변환에 대한 이해를 더욱 깊게 할 수 있었습니다.
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