NIST, 단일 광자 칩으로 수만 가지 파장 레이저 생성 구현

배경: 광자 회로가 필요한 이유

현재 고품질 소형 레이저는 특정 파장 대역에서만 효율적으로 작동한다. 예컨대 반도체 레이저는 980nm 근적외선 영역에서 뛰어난 성능을 발휘하지만, 양자 컴퓨터·광원자시계 등 첨단 기술은 그 외에도 다양한 파장의 레이저를 필요로 한다. 현재 이러한 파장을 생성하는 장비는 부피가 크고 전력 소비가 높아 소수의 전문 연구 시설에서만 운용되고 있다. 칩 위에 레이저를 집적할 수 있다면 비용·크기·전력 면에서 대폭적인 개선이 가능하다.

핵심 구조: 다층 비선형 광학 소재의 3D 통합

연구팀은 실리콘 웨이퍼 위에 이산화실리콘(유리)과 리튬 나이오베이트를 기반으로 회로를 구성했다. 리튬 나이오베이트는 입사 광의 색(파장)을 변환하는 비선형 소재로, 금속 전극을 추가함으로써 전기 신호로 색 변환을 제어하거나 빛을 고속으로 온·오프할 수 있어 데이터 처리에도 활용할 수 있다.

여기에 탄탈룸 펜톡사이드(tantala)를 최상층에 추가하는 것이 이번 연구의 핵심이다. 탄탈룸 펜톡사이드는 단일 파장 레이저 빛을 입력받아 가시광선 전 대역과 광범위한 적외선 파장을 동시에 출력하는 특성을 지닌다. 연구팀은 이 소재를 가열 없이 저온 증착하는 공정을 수년에 걸쳐 개발했으며, 이 덕분에 기존 회로를 손상시키지 않고 탄탈룸 펜톡사이드를 상층에 적층할 수 있었다.

성과: 웨이퍼 하나에 1만 개 광자 회로

최종적으로 손톱 크기의 칩 약 50개가 맥주 컵받침 크기의 웨이퍼에 집적됐으며, 각 칩에는 1만 개의 광자 회로가 포함돼 서로 다른 파장의 빛을 출력한다. 양자 기술에 자주 쓰이는 루비듐 원자는 780nm 적색광에, 스트론튬 원자는 461nm 청색광에 반응하는데, 이번 칩은 회로 설계만으로 이처럼 다양한 파장을 생성할 수 있음을 실증했다.

응용 범위와 상용화 전망

연구팀은 광원자시계의 소형화로 화산 폭발·지진 예측, GPS 대체 측위, 암흑물질 탐색 등에 활용 가능성을 제시했다. 또한 AI 가속기 간 신호 전송 효율화, 가상현실 디스플레이 개선에도 적용될 수 있다고 밝혔다. NIST 출신 연구자들이 창업한 스타트업 Octave Photonics(콜로라도 루이빌)가 이 기술의 양산화를 위한 협력을 진행하고 있으나, 현 단계에서 대량 생산 준비가 완료된 것은 아니다.

한계와 향후 과제

이번 연구는 소재 집적 공정과 파장 다양성 면에서 유의미한 진전이지만, 칩 수준의 레이저 품질이 대형 벤치탑 시스템과 동등한지에 대한 정량적 비교는 논문에서 상세히 다루어지지 않았다. 양산 가능성은 Octave Photonics와의 후속 연구에 달려 있으며, 실제 제품화까지의 타임라인은 아직 명확하지 않다.