| 소형화 양자통신 시스템 개발 관련 핵심기술 파악 | ||
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 최근, 중국과학기술대학 판젠웨이(潘建伟)/장쥔(张军) 연구팀은 세계 최초로 1.25 GHz InGaAs/InP 단일광자 검출기 모놀리식 판독 집적회로를 개발하였다. 해당 기술은 고속 양자통신 단말설비에서 부피 점유율이 가장 큰 검출기 모듈의 크기를 1개 수량급 이상 줄일 수 있어 향후 소형화 양자통신 시스템 개발을 위해 중요한 디바이스 기반을 마련하였다. 해당 성과는 "Optics Letters" 학술지에 게재되었다. 단일광자 검출기는 미세광 측정에서 가장 민감한 장치로서 양자통신, 레이저 레이더, 광섬유 센싱, 생물학적 형광검출 등 분야에서 광범위한 응용 수요가 있다. 양자통신 시스템의 핵심 디비이스인 통신 주파수 대역의 단일광자 검출기 성능은 통신거리와 통신속도 등 핵심적 매개변수를 직접적으로 결정한다. 현재 주류를 이루고 있는 통신 주파수 대역의 단일광자 검출 해결방안으로는 상향변환 단일광자 검출기, 초전도 나노와이어 단일광자 검출기, InGaAs/InP 애벌란시 다이오드 단일광자 검출기 등이다. InGaAs/InP 단일광자 검출기는 원가가 낮고 부피가 작으며 초저온 냉각이 필요하지 않는 등 장점이 있어 실용화 양자통신 등 분야에서 광범위하게 응용되고 있다. 게이트제어 동작 주파수와 시스템 집적도를 향상시키는 것은 InGaAs/InP 단일광자 검출기 연구에서 가장 주요한 기술적 어려움이다. 2012년 이전에 중국의 모든 양자통신 네트워크에 적용된 해당 유형 검출기의 동작 주파수는 10MHz를 초과하지 못해 통신거리와 통신속도를 크게 제한하였다. 연구팀은 사인 게이트제어, 통합 필터, 후방 펄스 정밀 보정 등 일련의 핵심기술을 발전시켜 2012년에 세계 최초로 보드 레벨 집적형 1.25 GHz InGaAs/InP 단일광자 검출기를 개발하였는데 동작 주파수는 2개 수량급 이상 향상되었고 검출기 시스템의 부피는 2U 폼팩터(form factor) 크기로 줄었다. 이후 연구팀은 통신산업표준을 만족시킬 수 있는 4채널 집적형 고속 단일광자 검출기 보드를 개발하여 검출기 시스템의 집적도를 더한층 높였다. 이러한 고속 검출기를 국가 첨단기술 연구개발계획(863계획)의 "광섬유 양자통신 종합응용시범 네트워크" 중장거리 테스트베드 및 "지난(济南) 양자통신시험 네크워크" 등 네트워크에 가장 먼저 도입하여 장기간 테스트를 수행하였으며 이를 통해 전반적 성능과 안정성을 효과적으로 검증하였다. 또한 양자암호통신 "징후(京沪)간선" 기술 검증 및 응용시범 프로젝트에 규모화 응용을 달성하였다. 향후의 소형화 양자통신 설비 수요를 감안하여 연구팀은 고속 단일광자 검출기의 부피를 더한층 줄이기 위해 기존 연구를 토대로 신형 미세 애벌란시 신호 추출 기술을 더한층 발전시켰다. 또한 저온 동시 소성 세라믹(LTCC) 기술을 사용하여 최종적으로 1.25GHz 단일광자 검출기용 15mm×15mm 크기의 모놀리식 판독 집적회로 칩을 개발하였다. 해당 칩을 검출기 시스템에 응용하여 성능 특성화를 거친 결과 -50℃ 조건에서의 검출 효율은 27.5%이었고 다크 카운트(dark counts)는 1.2kcps이었다. 이는 보드 레벨 집적을 채택한 판독회로 테스트 결과와 거의 일치한 결과로서 칩의 기능적 특성이 검증되었다. 칩에 대한 70시간 연속성 테스트에서 지표 매개변수는 변화하지 않았다. 이로써 칩의 안정성이 검증되었다. 다음 단계에 광전 집적 기술을 사용하여 상기 모놀리식 판독 집적회로 칩, InGaAs/InP애벌란시 다이오드 칩, 마이크로 열전 냉각기 간 혼합적 집적을 실현함으로써 고속 단일광자 검출기 통합 디바이스를 형성하는 한편 검출기 시스템 부속회로와의 결합을 통해 최종적으로 일체화 통합 마이크로 고속 단일광자 검출기 모듈을 구현할 계획이다. 해당 모듈의 부피는 기존의 동일 기능 고속 단일광자 검출기에 비해 20배 줄일 수 있는데 이는 소형화 양자통신 시스템 개발에 도움이 된다. 정보출처 : http://www.cas.cn/syky/201712/t20171211_4626513.shtml |
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