NIST 과학자들, '임의 파장' 레이저를 개발

NIST 연구진이 집적 photonics chip 안에서 하나의 레이저 색을 다양한 가시광선과 적외선 파장으로 바꾸는 구조를 구현했다.

실리콘 웨이퍼 위에 lithium niobate와 tantala를 3차원 적층해, 빛의 색 변환과 전기적 제어를 한 칩에서 함께 처리한다. 웨이퍼 한 장에 손톱 크기 칩 약 50개, 총 1만 개 photonic circuit을 집적했고, 각 회로는 서로 다른 고유 파장을 출력한다.

핵심은 파장 제한을 줄이는 데 있다. 기존의 고품질·소형·고효율 레이저는 일부 파장에만 잘 맞았고, 양자 시계와 양자 컴퓨터처럼 원자별로 특정 색이 필요한 분야에서는 크기, 비용, 전력 소모가 큰 장비가 장벽이었다.

칩은 두 층의 비선형 재료를 결합한다.

• lithium niobate: 회로 내부에서 빛을 빠르게 켜고 끄고, 색 변환을 전기적으로 제어
• tantala: 하나의 입력 레이저를 가시광 전체와 넓은 적외선 범위로 변환

연구진은 tantala를 다른 재료 위에 손상 없이 증착하는 공정을 개발해, 서로 다른 재료를 3차원 적층한 단일 칩을 만들었다. 실험에서는 적외선을 가시광으로 변환하는 동작도 확인했다.

응용처는 넓다. 광학 원자시계, 양자 컴퓨팅뿐 아니라, 칩 간 통신을 위한 AI 하드웨어, VR 디스플레이 같은 분야로도 확장 가능성이 언급된다. 다만 현재 칩은 아직 대량 생산 준비 단계는 아니며, 기술 스케일업은 Octave Photonics와의 협업으로 진행 중이다.