포토닉 칩에서 밀리와트급 자외선 생성 — 이전 대비 100배 출력 달성

문제: 칩 위에서 자외선은 왜 어려웠나

현재 포토닉 집적회로는 통신용 적외선 파장 영역에 최적화되어 있다. 반면 양자 시스템, 감지 장치, 정밀 계측 장비는 가시광 또는 UV 파장을 요구한다. 짧은 파장일수록 칩 위에서 충분한 출력을 얻기가 기술적으로 훨씬 까다롭고, 지금까지 구현된 칩 상 UV 광원의 출력은 실용화 문턱에 크게 못 미쳤다.

핵심 원리: 두 개의 적색 광자를 하나의 UV 광자로

연구팀이 선택한 접근법은 파장 변환이다. 칩 위에서 비교적 안정적으로 생성할 수 있는 적색광을 출발점으로 삼고, 비선형 광학 과정을 통해 적색 광자 두 개를 UV 광자 하나로 결합한다. 이 변환은 이전에도 시도된 바 있으나 출력이 극히 미미했다. 이번 연구는 이 경로로 칩 상에서 수 밀리와트 수준의 UV 출력을 처음 달성한 사례다.

제조 혁신: 측벽 폴링과 1만 개의 고유 전극

핵심 소재는 박막 리튬니오베이트(thin-film lithium niobate)다. 하버드대 그룹이 선도한 이 칩 스케일 소재는 비선형 광학 특성으로 주목받아 왔다. 연구팀은 길이 약 2cm에 달하는 도파관(waveguide)을 제작하면서, 측면 전극을 도파관 바로 위에 배치하는 '측벽 폴링(sidewall poling)' 구조를 채택했다. 기존 설계에서는 전극이 도파관에서 일정 거리 떨어져 있었다.

전극 수는 도파관당 약 1만 개에 달하며, 각 전극은 해당 위치의 도파관 형상에 맞춰 개별 설계된다. 결정 구조의 방향은 밀리미터당 최대 1,000회 주기적으로 반전된다. 전극 배치를 위해 도파관 형상을 수십 원자 지름 수준의 정밀도로 측정하고, 수 센티미터 칩 전체에 걸쳐 50나노미터 이내의 가공 정밀도를 유지해야 했다. 이 제어 정밀도가 변환 효율을 대폭 높이는 결정적 요인이다.

응용 전망과 한계

즉각적인 수혜 분야로는 이온 트랩 기반 양자컴퓨터와 광학 원자시계가 꼽힌다. 이온 트랩 양자컴퓨터는 이온 조작에 특정 UV·가시광 파장이 필요하며, 현재 이 광원들은 부피가 크고 비싸다. 광학 원자시계는 중력 차이까지 감지할 수 있는 정밀도를 갖추고 있으나 소형화가 과제였다. 칩 상 UV 광원이 성숙하면 위성 탑재형 시계도 현실적 선택지가 된다.

다만 현 단계는 원리 검증 수준이며, 시스템 통합·패키징·수율 확보 등 상용화를 위한 추가 과제가 남아 있다. 연구의 지식재산권은 트벤테대학 스핀오프 기업 Sabratha가 확보했으며, 이 스타트업은 박막 리튬니오베이트 기반 포토닉 칩의 통신·무선 분야 양산을 목표로 한다.