Microcomb-driven parallel coherent detection and communication enabled by a power-free optical phased array

보는 기계와 말하는 기계가 더 이상 분리된 거대한 장치가 아니라, 두 가지를 동시에 수행할 수 있는 통합된 초소형 시스템으로 진화하는 세상을 상상해 보십시오. 수십 년 동안 자율주행 자동차가 주변 환경을 '보는' 기술과 방대한 양의 데이터를 무선으로 전송하는 기술은 모두 빛이라는 동일한 근본적인 도구에 의존해 왔습니다. 그러나 빛을 사용하는 기존 시스템은 주요한 병목 현상에 부딪혀 왔습니다. 환경을 스캔하거나 여러 사람에게 동시에 데이터를 보내기 위해, 엔지니어들은 대개 빛의 빔을 조절하기 위해 물리적으로 움직이는 기계 부품을 사용해야 했거나, 수십 개의 별도 레이저를 집어넣어야 했습니다. 이는 시스템을 비싸고 무겁게 만들며 확장을 어렵게 만들었습니다. 꿈은 단 하나의 작은 칩에서 움직이는 부품 없이도 여러 방향으로 많은 빛의 빔을 동시에 투사할 수 있는 시스템을 만드는 것이었습니다.

절강대학교의 연구진과 그 협력자들은 이제 이 꿈을 현실로 만들기 위한 중요한 발걸음을 내디뎠습니다. 그들은 특수한 광원과 독특한 안테나 배열을 결합하여 물체를 감지하고 여러 사용자에게 동시에 통신할 수 있는 새로운 종류의 장치를 구축하고 테스트했습니다. 이 혁신의 핵심은 하나의 레이저가 마치 무지개처럼 평행한 빔들로 갈라진 것처럼, 자연스럽게 여러 가지 색상의 빛을 동시에 생성하는 광원인 '마이크로콤(microcomb)'입니다. 연구진은 이 빔들을 조절하기 위해 복잡한 전자 장치나 모터를 사용하는 대신, 빛의 자연스러운 성질과 칩의 형상을 이용하여 각 색상의 빛을 서로 다른 방향으로 보내는 실리콘 기반 칩을 설계했습니다. 이러한 접근 방식은 전력을 많이 소모하는 전자 제어 장치의 필요성을 없애주어, 빔을 조절하는 데 에너지를 전혀 소비하지 않고도 시스템이 작동할 수 있게 합니다.

연구진은 이 기술을 입증하기 위해 손가락 끝에 놓일 수 있을 정도로 작은, 가로 1.8mm, 세로 4.0mm 크기의 칩을 제작했습니다. 이 아주 작은 표면 위에 연구진은 수동형 조향 메커니즘 역할을 하는 일련의 미세한 도파로(waveguides)와 격자 안테나(grating antennas)를 배치했습니다. 마이크로콤에서 나오는 다색광이 칩에 들어오면, 서로 다른 색상들이 자연스럽게 분리되어 특정 각도로 공기 중으로 방출되며 뚜렷한 빛의 점들이 격자 형태로 만들어집니다. 칩이 거울형 설계를 사용하기 때문에, 장치의 크기를 키우지 않고도 이 점들의 수를 효과적으로 두 배로 늘릴 수 있습니다. 실험에서 연구진은 이 설정이 22.3도 x 9.1도의 시야 범위를 생성할 수 있으며, 공간상의 수백 개의 서로 다른 위치를 지정할 수 있을 만큼 충분한 수의 점을 생성할 수 있음을 보여주었습니다. 빔은 날카롭고 집중되어 있었으며, 원치 않는 영역으로 빛이 새어나가는 현상이 거의 없어 시스템이 서로 다른 대상들을 명확하게 구별할 수 있음을 증명했습니다.

이 시스템의 실용적 가치를 테스트하기 위해, 연구진은 거리 측정과 데이터 전송이라는 두 가지 핵심 과업을 동시에 수행했습니다. 거리 측정을 위해, 그들은 빛의 주파수를 시간에 따라 약간 변화시키는 기술을 사용했습니다. 'U'자 모양의 타겟과 평평한 판에 이 빛을 반사시킴으로써, 시스템은 각 물체까지의 거리를 매우 정밀하게 계산할 수 있었습니다. 결과에 따르면, 시스템은 약 0.5미터 떨어져 있는 U자형 타겟을 그 뒤에 있는 배경 판으로부터 명확하게 구분해 냈습니다. 동시에, 연구진은 동일한 빛의 배열을 사용하여 여러 수신자에게 고속 데이터를 전송했습니다. 개념 증명 실험에서, 그들은 11명의 서로 다른 사용자에게 동시에 디지털 정보를 전송했으며, 각 사용자는 별도의 데이터 스트림을 받았습니다. 신호의 품질은 명확히 읽을 수 있을 만큼 강력했으며, 이는 시스템이 빔 간의 간섭 없이 고속 통 communication을 처리할 수 있음을 보여주었습니다.

아마도 가장 설득력 있는 시연은 이 두 가지 기능을 하나의 통합된 프로세스로 결합한 것이었을 것입니다. 연구진은 동일한 빛의 빔 세트가 센서이자 통신 링크로서 기능할 수 있음을 보여주었습니다. 이 시나리오에서 빛의 빔은 여러 사용자의 거리를 감지하는 동시에 그들에게 데이터를 전달하는 데 사용되었습니다. 시스템은 네 명의 서로 다른 사용자와의 거리를 성공적으로 측정하는 동시에 그들에게 데이터를 전달했으며, 여기서 수신기는 센서의 대상인 동시에 메시지의 수신자 역할을 했습니다. 이러한 이중 능력은 하나의 컴팩트한 장치가 로봇이 항해하기 위한 '눈'과 다른 기계와 대화하기 위한 '목소리'를 모두 제공할 수 있으며, 이 모든 과정이 무겁고 전력을 소모하는 부품 없이도 가능하다는 것을 시사합니다.

이 실험의 성공은 근본적으로 이전의 시도들과는 다른 설계에 기반합니다. 이전의 시스템들은 종-종 모든 안테나의 위상을 조절하기 위해 복잡한 전자 제어를 필요로 했으며, 이 과정은 상당한 전력을 소비하고 복잡한 배선을 요구했습니다. 이번의 새로운 설계는 이러한 요구 사항을 완전히 우회합니다. 빛이 칩 내부를 통과하는 경로의 길이와 안테나의 간격을 정밀하게 설계함으로써, 연구진은 빛이 칩을 빠져나올 때 자연스럽게 올바른 패턴을 형성하도록 만들었습니다. 이러한 '제로 파워' 방식의 빔 조향은 시스템을 더 단순하고 저렴하게 만들 뿐만 아니라, 움직이는 부품이나 고장 날 수 있는 전자 회로가 없기 때문에 더 신뢰할 수 있게 합니다. 장치 전체는 표준 제조 공정을 사용하여 제작되었으므로 대규모 생산이 가능함을 시사합니다.

현재의 프로토타입은 마이크로콤을 생성하기 위해 실험실용 광원을 사용하지만, 연구진은 향-후 광원을 동일한 칩 위에 직접 통합하는 방향을 제시하고 있습니다. 이렇게 하면 외부 연결 없이도 완전히 독립된 유닛을 만들 수 있어 크기와 전력 요구 사항을 더욱 줄일 수 있습니다. 또한 연구진은 칩 위의 빛의 강도를 높이기 위해 증폭기를 추가함으로써 시스템의 도달 거리를 연장할 수 있다는 점을 확인했으며, 이는 더 긴 거리의 응용 분야에도 적합하게 만들 것입니다. 이러한 잠재적인 개선 사항들은 이 기술이 자율주행 자동차부터 스마트 시티 인프라에 이르기까지 모든 곳에 내장될 수 있는 미래를 가리키고 있습니다.

이 연구는 이 분야의 모든 과제를 해결했다고 주장하는 것은 아니지만, 비용과 복잡성이라는 전통적인 단점 없이 병렬 탐지와 통신을 달라는 명확하고 입증된 방법을 제시했습니다. 단 하나의 패시브 칩이 수백 개의 빛 빔을 동시에 관리할 수 있음을 보여줌으로써, 연구진은 모든 상태가 고체인(all-solid-state) 시스템 개발의 새로운 문을 열었습니다. 연구 결과는 단일하고 초소형화된 플랫폼을 사용하여 고프레임 레이트의 센싱과 고용량 통신을 구현하는 것이 가능하다는 것을 확인시켜 주었습니다. 기술이 성숙해짐에 따라, 이 기술은 지능형 시스템이 세상을 인식하고 상호작용하는 방식을 변화시켜, 보는 것과 말하는 복잡한 과업을 매끄럽고 효율적인 작업으로 바꿀 것을 약속합니다.