AI 요약
2026년 6월 4일, 스위스 로잔 연방 공과대학교(EPFL)의 토비아스 J. 키펜버그(Tobias J. Kippenberg) 교수 연구팀은 국제 학술지 '네이처(Nature)'를 통해 기존의 거대한 테이블탑 펨토초 레이저 성능에 버금가는 칩 규모의 극초단 레이저 개발에 성공했다고 발표했습니다. 지난 20년간 광반도체(통합 광학) 분야의 숙원으로 여겨졌던 고에너지 펨토초 레이저의 칩 구현은 마미셰프 발진기(Mamyshev oscillator)라는 그동안 간과되었던 설계를 혁신적으로 도입하면서 실현되었습니다. 이 광반도체 칩 기반 레이저는 1.05나노줄(nJ)의 펄스 에너지와 147펨토초(fs, 1000조분의 1초)의 펄스 폭을 제공하며, 이는 기존 연구실의 광학 테이블을 가득 채우던 대형 장비를 손톱만 한 크기의 초소형 칩으로 대체할 수 있음을 증명합니다. 이번 혁신은 안과 수술, 정밀 제조뿐만 아니라 노벨상 수상 기술이자 가장 정밀한 원자시계를 구동하는 광학 주파수 빗(Optical frequency combs)의 소형화 및 대중화에 크게 기여할 것입니다.
핵심 인사이트
- 20년 만의 숙원 해결: EPFL 연구팀은 지난 20여 년간 광반도체 분야의 '성배(Holy grail)'로 여겨졌던 고에너지 펨토초 레이저의 칩 통합을 최초로 실현했습니다.
- 기존 장비급 성능 달성: 개발된 포토닉 칩 레이저는 1.05나노줄(nJ)의 높은 펄스 에너지와 단 147펨토초(fs)에 불과한 극초단 펄스 폭을 기록했습니다.
- 독창적인 설계의 재발견: 광반도체 업계에서 상대적으로 주목받지 못했던 '마미셰프 발진기' 아키텍처를 적용하여 복잡한 시스템을 정교하게 소형화했습니다.
- 네이처(Nature) 게재: 토비아스 J. 키펜버그(Tobias J. Kippenberg) 교수와 저루 치우(Zheru Qiu) 연구원 등이 참여한 이번 연구 결과는 저명 학술지 네이처에 공식 게재되었습니다.
주요 디테일
- 광반도체(Photonic Chip) 기반: 실리콘 웨이퍼에 식각된 미세한 도파로(Waveguide)를 통해 빛을 제어하는 기술로, 기존의 거대한 전자기 및 광학 장치들을 극적으로 축소했습니다.
- 마미셰프 발진기의 메커니즘: 비선형 도파로를 서로 다른 파장 대역을 통과시키는 두 개의 광학 필터 사이에 배치하여, 강한 레이저 펄스가 도파로를 지날 때 스펙트럼이 확장되어 두 필터를 모두 통과하며 발진하도록 유도합니다.
- 소음 및 불필요한 신호 차단: 약한 세기의 빛이나 노이즈는 비선형 스펙트럼 확장을 일으키지 못해 필터를 통과하지 못하므로 매우 깨끗하고 강력한 펄스만을 추출할 수 있습니다.
- 다양한 산업적 활용: 펨토초 수준의 정밀도가 요구되는 시력 교정 레이저 수술, 초정밀 금속 가공, 휴대형 의료 진단 장비에 바로 적용될 수 있습니다.
향후 전망
- 광학 장비의 대량 생산 및 비용 절감: 고가의 광학 레이저 시스템을 반도체 공정을 통해 대량 생산할 수 있게 됨으로써, 제조 단가를 획기적으로 낮출 수 있습니다.
- 휴대형 원자시계 및 정밀 기기 보급: 노벨상 기술인 광학 주파수 빗을 모바일 기기나 초소형 시스템에 내장하여 GPS 오차 극복 및 차세대 이동통신 기술의 정밀도를 극대화할 수 있을 전망입니다.
출처:sciencedaily