캘리포니아 공과대학(Caltech)의 연구원들은 최근 중요한 기술 혁신을 발표했습니다. 이들은 실리콘 웨이퍼에서 광신호 전송 손실을 최소화할 수 있는 새로운 기술을 성공적으로 개발했으며, 그 성능은 가시광선 대역의 기존 광섬유 수준에 근접합니다.
이 성과는 광전자 집적 회로(PIC) 분야에서 중요한 단계를 의미하며, 뛰어난 일관성과 극도로 낮은 에너지 손실을 갖춘 차세대 광전자 장치 개발의 길을 열었습니다. 이번 연구는 광섬유 소재를 사용해 칩에 직접 광 경로를 구축하는 방법을 자세히 설명하고 있으며, 관련 논문은 네이처(Nature) 저널에 게재됐다.
광섬유는 순도가 매우 높은 유리 소재와 원자적으로 매끄러운 표면을 갖추고 있어 대량의 데이터를 극히 낮은 손실로 전송할 수 있어 오랫동안 글로벌 통신 네트워크의 초석이 되어 왔습니다. 캘리포니아 공과대학 응용물리학과 정보과학 및 기술 교수인 케리 바할라(Kerry Vahala)가 이끄는 팀은 이 광섬유의 제조 공정을 컴퓨터 칩 생산에 사용되는 실리콘 웨이퍼에 "이식"하는 데 전념하고 있습니다. 연구팀은 광섬유와 동일한 게르마노실리케이트 유리 소재를 사용하고, 포토리소그래피 기술을 사용해 칩에 '도파관'이라는 광 전달 채널을 구축했다. 미세한 규모의 표면 거칠기 문제를 해결하기 위해 연구원들은 칩을 고온 용광로에 넣어 "리플로우" 처리하는 공정을 혁신적으로 도입하여 도파관 표면을 녹이고 원자 수준까지 매끄럽게 만들었습니다. 이 처리는 광산란 손실을 크게 억제하고 가시광선 대역에서 광자 집적 회로의 개발을 오랫동안 제한해 온 주요 병목 현상을 해결합니다.
테스트 결과에 따르면 근적외선 대역에서 이 새로운 칩의 성능은 현재 선도적인 질화규소 기술과 동등한 반면, 가시광선 대역에서는 손실이 질화규소 기록의 1/20으로 감소하여 성능이 질적 도약을 달성한 것으로 나타났습니다. 이 초저손실 특성은 장치 성능에 큰 영향을 미칩니다. 예를 들어 이 기술을 사용하여 제작된 레이저는 기존 버전보다 100배 이상 긴 광 간섭 시간을 갖습니다. 연구 논문의 제1저자이자 Caltech의 박사후 연구원인 Hao-Jing Chen은 이 플랫폼의 파장 범위 확장이 많은 중요한 원자 작동을 지원하여 칩 규모의 원자 센서, 광학 시계 및 이온 트랩 시스템의 구현을 가능하게 할 것이라고 지적했습니다.
이 칩의 크기는 약 2cm에 불과하지만 내부 광 경로 설계는 나선형 구조를 채택하여 작은 공간에서 빛의 전파 거리를 크게 확장합니다. 대학원생 Kellan Colburn은 링 공진기와 같은 주요 광학 부품의 경우 빛이 순환하는 거리가 길어질수록 손실이 낮아지고 장치 성능이 향상된다고 설명했습니다. 손실이 10배 감소할 때마다 일관성이 100배 향상됩니다. 이 기술은 '스위스 군용 칼'만큼 다재다능할 뿐만 아니라 고정밀 타이밍, 회전 측정(자이로스코프)부터 양자컴퓨팅, 센싱까지 폭넓게 활용될 수 있으며, 데이터센터 서버 인프라의 전반적인 에너지 소비를 줄이는데도 큰 의미가 있다. 연구팀은 현재 결과가 아직 최종 목표에 도달하지 못했다고 밝혔지만, 지난 5년간의 상당한 진전을 통해 미래 광기술 응용을 위한 명확한 청사진이 그려졌다.