광 나노와이어 스위치

 

 

 

 

컴퓨터의 속도는 매년 빠르게 발전하고 있지만, 만약 컴퓨터의 1과 0이 전기가 아닌 빛에 의해서 표현될 수 있다면, 지금의 발전 속도는 아마도 우스운 정도가 될 것이다. 펜실베이니아 주립대학의 연구진이 만든 최초의 황화카드뮴 나노와이어 전광 광자 스위치(all-optical photonic switch)가 포토닉스 분야의 혁신적인 진보를 이끌었다. 또한, 그들은 이러한 광자 스위치와 정보를 처리하는 컴퓨터 칩의 기본 구성 요소인 논리 회로와의 결합을 만들어냈다. 펜실베이니아 주립 대학의 Ritesh Agarwal 조교수와 재료 과학 및 응용 과학부 대학원생인 Brian Piccione이 이 연구를 이끌었으며, 박사후 연구원인 Chang-Hee Cho와 Lambert van Vugt 또한 그들의 연구를 도왔다. 이 논문은 Nature Nanotechnology에 발표되었다.

황화카드뮴 나노와이어가 매우 강한 빛-물질 결합을 보여준다는 그들의 혁신적인 초기 연구는 빛을 더욱 더 효율적으로 조작할 수 있게끔 하였다. 이러한 능력은 나노 규모의 광자 회로 개발에 있어서 매우 중요한 역할을 하였다. 왜냐하면, 빛의 흐름을 제어하기 위한 기존의 메커니즘은 덩치가 너무 크고, 전자 회로보다 좀 더 많은 에너지를 요구하기 때문이다. “나노 규모의 광자 구조에서 가장 큰 도전은 빛을 들어오게 한 다음에 그것을 조작하여 다시 나가도록 하는 것이다. 우리의 주요 혁신은 이 첫 번째 문제를 어떻게 해결하느냐였으며 이를 위하여 온-칩 광원으로 나노와이어를 사용하게 되었다”고 Agarwal이 말했다.

나노와이어의 갭을 정확하게 자르는 것으로 이 연구는 시작된다. 그리고 그들은 첫 번째 나노와이어 세그먼트에 충분한 에너지를 불어넣어, 그것의 끝에서 갭을 따라 레이저 빛이 나오게 하였다. 연구진이 단일 나노와이어를 사용했기 때문에, 두 세그먼트의 끝은 완벽하게 일치하였으며, 이것은 두 번째 세그먼트가 효율적으로 빛을 흡수하여, 그것의 길이를 따라서 빛을 전송할 수 있게끔 한다. “일단 두 번째 세그먼트에 빛이 들어오면, 우리는 또 다른 빛을 그 구조를 통해서 비추고, 와이어를 통해서 전송하면 빛을 끈다. 이것이 우리가 스위치를 만드는 방법”이라고 Agarwal이 말했다.

연구진은 두 번째 나노와이어의 끝에서 나오는 빛의 강도를 측정할 수 있었으며, 이 스위치가 논리 소자에서 사용되는 이진 상태를 효과적으로 나타낸다는 것을 보여주었다. “스위치를 논리 회로와 결합하여 만들 수 있으며 계산을 수행할 수 있다. 우리는 광 스위치를 NAND 게이트를 만드는 데 사용하였는데, 이는 현대 컴퓨터 프로세스의 기본 구성 요소”라고 Piccione은 말했다. “not and”를 나타내는 NAND 게이트는 그것의 모든 입력이 “1”일 때, “0” 출력으로 돌아온다. 이것은 연구진이 두 나노와이어 스위치를 Y자 구성으로 결합함으로써 구축되었다. NAND 게이트는 컴퓨터에서 매우 중요하다. 왜냐하면 다용도 컴퓨터 프로세서를 위한 기본이 NAND 게이트이기 때문이다.

(그림) 레이저 광이 황화카드뮴 나노와이어의 끝에서 나오고 있다.