미국 메릴랜드대학교 공동양자연구소(JQI) 과학 연구팀이 최근 외부 제어 없이도 다양한 색상의 레이저를 안정적으로 변환, 생산할 수 있는 새로운 칩 개발에 성공했다. 이번 획기적인 발전은 반도체 기술 혁명에 맞춰 광통합 기술을 추진해 양자 통신 네트워크와 정밀 광학 기기의 실용화를 위한 길을 열 것으로 기대된다.
수년 동안 과학자들은 레이저, 렌즈, 거울과 같은 대규모 광학 실험 도구를 소형화하고 이를 손톱 크기의 칩에 통합하기 위해 열심히 노력해 왔습니다. 이러한 장치를 소형화하는 것은 데이터 통신 속도를 높이고, 초정밀 원자시계를 만들고, 전자 신호가 아닌 빛을 사용하는 양자 컴퓨터를 확장하는 데 핵심입니다. 그러나 여러 개의 새로운 주파수를 생성하기 위해 단색 레이저를 작은 칩의 여러 구성 요소로 분할하는 방법은 항상 이 분야를 괴롭히는 문제였습니다.
메릴랜드 연구팀은 이제 이러한 어려움을 극복했습니다. 그들은 단일 색상의 레이저 광을 세 가지 고유한 주파수의 빛으로 변환하는 칩을 설계하고 제작했습니다. 더 중요한 것은 이 프로세스에는 외부 활성 입력이나 복잡한 미세 조정이 필요하지 않아 통합 광 신호의 반복성과 안정성이 크게 향상된다는 것입니다. 관련 결과가 사이언스(Science)지에 게재되었습니다.
기존 색상을 분해하는 역할만 담당하는 프리즘과 같은 기존 광학 장치와 달리 이 칩은 원래 존재하지 않는 새로운 광 주파수를 "생성"할 수 있습니다. 새로운 광 주파수를 달성하려면 비선형 광학 효과가 필요합니다. 고강도 조명만이 재료의 광학 특성을 변경하고 이는 결국 빛 자체에 영향을 미칩니다. 이러한 유형의 비선형 효과는 60여년 전에 발견되었지만(예: 1961년의 "2차 고조파 발생") 과거에는 효과 자체가 너무 약하고 효과적으로 활용하기 어려웠습니다.
최신 통합 광자 칩은 빛이 수백만 번 순환하는 작은 공진 공동을 사용하여 비선형 효과를 크게 향상시킵니다. 그러나 그럼에도 불구하고 칩 제조, 온도, 구조 등의 작은 변화로 인해 여전히 출력 주파수 조합이 극도로 불안정해집니다.
JQI 팀의 새로운 솔루션은 필요한 비선형 상호 작용을 "편향"하는 공진 공동을 설계함으로써 반복적인 조정의 필요성을 완전히 제거합니다. 프로젝트 리더이자 JQI 연구원이자 메릴랜드 대학교 전기 및 컴퓨터 공학 및 물리학과 교수인 Mohammad Hafezi는 이번 성과가 성능을 향상시킬 뿐만 아니라 대량 생산 및 실제 통합을 위한 복제 가능성도 제공한다고 말했습니다. 이 칩은 능동 제어 없이도 동일한 스펙트럼을 지속적으로 출력할 수 있어 대규모 광자 시스템 통합의 어려움을 크게 단순화할 것으로 기대된다.
온칩 주파수 생성 기술의 신뢰성이 높아짐에 따라 향후 광자 기반 양자 정보 전송의 핵심 기반이 될 수도 있습니다. 각 조명 색상은 고유한 주파수에 해당합니다. 여러 주파수의 원자 수준의 안정적인 조합은 위상, 거리 및 시간에 민감한 감지의 정확성을 크게 향상시켜 양자 컴퓨팅 및 휴대용 원자 시계와 같은 최첨단 분야에 도움이 됩니다.