NIST 과학자들, '임의 파장' 레이저 개발

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집적 포토닉스 칩 안에서 하나의 레이저 색을 다양한 가시광선과 적외선으로 바꾸고, 회로 설계만으로 서로 다른 고유 파장을 만드는 구조 구현
실리콘 웨이퍼 위에 리튬 나이오베이트와 tantala를 3차원으로 적층해, 빛의 색 변환과 전기적 제어를 한 칩에서 함께 처리하는 방식 적용
양자 시계와 양자 컴퓨터는 원자마다 맞는 특정 레이저 색이 필요하지만, 기존 장비의 부피·비용·전력 소모가 현장 활용의 큰 제약으로 작용
웨이퍼 한 장에 손톱 크기 칩 약 50개와 총 1만 개 포토닉 회로를 집적했고, 각 회로는 서로 다른 색을 출력하며 실험실에서는 적외선을 가시광으로 바꾸는 동작 확인
저렴하고 휴대 가능한 광자 기반 시스템으로 이어질 수 있는 제작 경로 확보로, 양자 기술뿐 아니라 AI용 칩 간 통신과 가상현실 디스플레이 같은 활용 확장 가능성 부각

집적 포토닉스 회로의 진전

실리콘 웨이퍼 위에 특수 재료의 복잡한 패턴을 적층해, 전자 칩처럼 빛을 이동시키고 정보를 처리하는 포토닉스 칩 구현
- 이 칩은 레이저, 도파관, 필터, 스위치 같은 광학 소자를 사용해 빛을 회로 안에서 전달하고 처리하는 구조
- 인공지능, 양자 컴퓨터, 광학 원자시계 같은 신흥 기술에 도움 가능
전자 대신 광자를 사용하는 회로는 정보 전달과 처리에서 전기와 다른 특성 보유
- 광자는 회로를 통과할 때 전자보다 훨씬 빠르게 이동
- 레이저 빛은 광학 원자시계와 양자 컴퓨터 같은 양자 기술 제어에 필수 요소
집적 포토닉스 확산의 주요 장애물 중 하나는 레이저 파장 제한
- 고품질·소형·고효율 레이저는 소수의 파장에서만 존재
- 반도체 레이저는 980 나노미터 적외선 생성에 매우 적합하며, 이 색은 인간 시야 범위 바로 바깥
광학 원자시계와 양자 컴퓨터는 다양한 다른 색의 레이저 필요
- 해당 색을 만드는 기존 레이저는 크고 비싸며 전력 소모가 커서, 이런 양자 기술을 소수의 특수 목적 연구실에 사실상 묶어두는 상태
칩 회로 안에 레이저를 통합하면 더 저렴하고 휴대 가능한 양자 기술로의 전환 기대
- 실험실 밖 실제 응용으로 확장할 수 있는 가능성

새 포토닉스 칩은 층층이 쌓인 구조로 제작
- 출발점은 실리콘과 이산화규소(유리), 그리고 들어온 빛의 색을 바꿀 수 있는 리튬 나이오베이트가 코팅된 표준 실리콘 웨이퍼
금속 조각을 추가해 회로가 한 색의 빛을 다른 색으로 변환하는 방식을 전기적으로 제어 가능
- 별도의 금속-리튬 나이오베이트 인터페이스를 만들어 회로 내부에서 빛을 빠르게 켜고 끄는 기능 구현
- 이 능력은 데이터 처리와 고속 라우팅의 핵심 요소
최상층에는 두 번째 비선형 재료인 탄탈럼 펜톡사이드(tantala) 적용
- tantala는 하나의 레이저 색을 입력받아, 가시광선 전체 무지개 색과 넓은 범위의 적외선 파장으로 변환 가능
- 이 재료를 가열하지 않고 회로로 제작하는 기술을 수년간 개발해, 다른 재료 위에 손상 없이 증착 가능
서로 다른 재료를 3차원 적층으로 패터닝해, 층 사이에서 빛을 효율적으로 라우팅하는 단일 칩 제작
- tantala의 빛 변환 능력과 리튬 나이오베이트의 제어성 결합
- tantala를 기존 회로에 추가할 수 있는 점이 핵심 강점
웨이퍼 한 장에 약 손톱 크기 칩 50개, 총 1만 개 포토닉 회로 집적
- 각 회로는 서로 다른 고유 색 출력
- 회로 설계만으로 다양한 색 생성 가능

양자 시계와 양자 컴퓨터는 원자 배열을 사용해 정보를 저장하고 처리하는 경우가 많음
- 원자 종류마다 내부 양자 에너지 준위에 맞는 레이저 필요
루비듐 원자는 780 나노미터의 붉은 빛에 반응
- 양자 컴퓨터와 시계에서 흔히 사용되는 원자 사례
스트론튬 원자는 461 나노미터의 푸른 빛에 반응
- 다른 색을 비추면 아무 반응도 일어나지 않음
이런 맞춤형 색을 만드는 기존 레이저의 부피·비용·복잡성이 양자 컴퓨터와 광학 시계의 현장 배치를 가로막는 주요 장애물
- 실험실 밖 현장 환경으로 옮기는 데 큰 제약 요소

저렴하고 저전력이며 휴대 가능한 광학 시계는 여러 분야에서 잠재적 활용 가능
- 화산 분화와 지진 예측 지원 가능성
- 위치 확인과 항법에서 GPS 대안 가능성
- 암흑물질의 본질 같은 과학적 수수께끼 탐구 지원 가능성
양자 컴퓨터는 약물과 재료의 물리학·화학 연구에 새로운 접근 제공 가능
집적 포토닉 회로의 활용처는 양자 기술에만 한정되지 않음
- 기술 기업이 사용하는 특수 칩 사이에서 신호를 효율적으로 전달하는 데 도움 가능
- AI 기반 도구를 더 강력하고 효율적으로 만드는 데 기여 가능
기술 기업들은 포토닉스를 가상현실 디스플레이 개선에도 활용하려는 관심 보유

현재 칩은 아직 대량 생산 준비 단계 아님
- 다만 제작 기법 자체는 앞으로의 경로 제공
기술 확장을 위해 Octave Photonics와 협력 진행
- Colorado주 Louisville 기반 스타트업
- 전 NIST 연구진이 설립했으며, 기술 스케일업 작업 진행 중

손톱 크기의 작은 직사각형 칩 안에 레이저 빛의 색을 바꾸는 다수의 회로 집적
- 사진에서는 보이지 않는 적외선을 가시적인 푸른 빛으로 변환하는 회로 하나 제시
- 크기 비교를 위해 dime 동전 사용
비선형 광학 기반 칩은 수십 가지 색의 레이저 포함 가능
실험실에서 칩이 보이지 않는 빛을 받아 가시광을 다수 생성하는 동작 확인
- 하나의 집적 칩 안에서 다양한 응용 가능성을 직관적으로 보여주는 장면