Monolithic high density integrated photonics on bulk lithium niobate

빛은 현대 정보의 엔진으로서, 데이터를 빛의 속도로 대양을 건너고 공중을 통해 전달합니다. 이 힘을 컴퓨터와 통신을 위해 활용하기 위해, 과학자들은 수십 년 동안 거대한 광학 부품들을 손톱 크기로 줄여나가며, 전기가 아닌 빛이 이동하는 아주 작은 회로를 만들어 왔습니다. 이러한 회로가 진정으로 유용해지려면, 제조 비용이 저렴해야 하고, 단일 칩 위에 수백만 개를 채울 수 있을 만큼 작아야 하며, 동작을 빠르게 변화시킬 수 있어야 합니다. 실리콘이 이 산업의 일꾼 역할을 해왔지만, 에너지를 잃지 않으면서 명령에 따라 빛을 변화시키는 데에는 어려움을 겪고 있습니다. 리튬 니오베이트(lithium niobate)라는 결정체는 빛을 놀라운 속도와 효율성으로 조절할 수 있기 때문에 오랫동안 이 작업에 이상적인 재료로 꼽혀왔으나, 대량 생산에 적용하기에는 매우 까다로운 상태로 남아 있었습니다. 이 재료를 사용하는 전통적인 방식은 결정을 종이처럼 얇은 층으로 썰어 다른 재료에 붙이는 방식인데, 이는 비용이 많이 들고 취약하며 규모를 키우기 어렵습니다.

델프트 공과대학교(Delft University of Technology)의 연구팀은 이러한 어려움을 완전히 우회하는 방법을 찾아냈습니다. 결정을 얇게 썰어 붙이는 대신, 그들은 결정의 단단한 블록 위에 직접 완전 통합 회로를 구축했습니다. 그들은 표준적이고 두꺼운 리튬 니오베이트 조각 위에 얇은 비정질 실리콘 카바이드(silicon carbide) 층을 성장시킨 뒤, 빛을 안내하기 위한 미세한 채널을 식각했습니다. 이 접근 방식은 제조 과정을 단순하게 유지하면서 기존의 컴퓨터 칩 제조 공정과 호환되도록 하면서도, 빛이 아래에 있는 결정의 강력한 특성과 상호작용할 수 있게 해줍니다. 그 결과, 이 플랫폼은 이전의 시도들보다 더 저렴하고 만들기 쉬울 뿐만 아니라, 이전에는 훨씬 더 복잡한 설정이 필요하다고 여겨졌던 수준의 빛 제어 능력을 달로 성취했습니다.

이 성과의 핵심은 연구진이 재료를 다룬 방식에 있습니다. 리튬 니오베이트는 견고한 결정이지만, 현대 전자 공학에 필요한 정밀도로 자르거나 모양을 만들기가 매우 어렵습니다. 이전의 방법들은 결정을 얇은 박막으로 만들어 실리콘 웨이퍼에 결합하는 방식을 사용했는데, 이는 높은 온도와 섬세한 취급을 요구하는 기술이었습니다. 새로운 방법은 이 얇은 막 과정을 완전히 건너뜁니다. 연구진은 표준적인 두꺼운 리튬 니오베이트 조각에서 시작하여 그 위에 비정질 실리콘 카바이드 층을 증착했습니다. 이 물질은 빛에 투명하며 표준 도구를 사용하여 극도로 정밀하게 패턴을 만들 수 있습니다. 전체 공정을 섭씨 300도 미만으로 유지함으로써, 그들은 하단의 결정이 손상되지 않고 그대로 유지되도록 보장했습니다. 이는 빛이 하이브리드 경로를 통해 이동함을 의미하는데, 주로 실리콘 카바이드 층을 통해 이동하지만 에너지의 상당 부분이 아래의 리튬 니오베이트로 스며들어 제어될 수 있게 합니다.

이 시스템의 작동을 증명하기 위해, 연구팀은 빛이 지속적으로 순환하는 아주 작은 고리형 회로를 제작했습니다. 이 고리들은 빛이 얼마나 잘 안내되는지, 그리고 얼마나 쉽게 조절될 수 있는지를 측정하는 민감한 검출기 역할을 합니다. 연구진은 실리콘 카이드 채널을 통과하는 빛의 손실을 측정했으며, 빛이 산란되거나 흐려지지 않고 매끄럽게 이동하여 손실이 매우 낮음을 확인했습니다. 또한 열과 전기를 이용해 회로를 얼마나 잘 조정할 수 있는지 테스트했습니다. 열을 가했을 때 빛의 색상이 변하는 열광학적 튜닝(thermo-optic tuning) 현상을 관찰했습니다. 더욱 인상적인 것은, 전기 전압을 가했을 때 결정의 내부 구조가 미세하게 변하여 빛의 경로를 바꾸는 것을 확인한 것입니다. 연구진은 전기적 제어의 효율성을 측정하였고, 빛을 전환하는 데 필요한 전압-길이 곱(voltage-length product)이 2.87 V·cm임을 확인했는데, 이는 벌크 리튬 니오베이트 위에 직접 구축된 회로 중 최고 기록입니다. 이는 이 장치가 매우 적은 전력으로 빛을 매우 빠르게 켜고 끌 수 있음을 의미합니다.

연구진은 단순한 고리 형태에 머물지 않고, 빛의 흐름을 더욱 정밀하게 제어할 수 있는지 확인하고자 했습니다. 이를 위해 실리콘 카바이드 층에 미세한 타원형 구멍들을 깎아 '광자 결정(photonic crystal)'이라 불리는 구조를 만들었습니다. 빛이 헤치고 지나가야 하는 기둥들의 줄을 상상해 보십시오. 이 기둥들의 간격을 적절히 배치함으로써, 특정 색상의 빛은 통과시키지 못하게 막고 다른 색상은 통과시키는 장벽을 만들 수 있습니다. 연구팀은 이 기술을 사용하여 빛을 작은 공간에 가둘 수 있는 필터와 거울을 만들었습니다. 그들은 두 개의 거울 구조 사이에 빛을 가두는 공동(cavity), 즉 트랩을 만들었습니다. 이 트랩 안에서 빛은 앞뒤로 반사되었으며, 연구진은 빛이 그곳에 얼마나 오래 머무는지 측정했습니다. 그들은 빛이 탈출하기 전까지 수많은 번을 순환하게 만드는 품질 계수(quality factor) 76,437을 달성했습니다. 이 정도의 빛 가둠은 보통 훨씬 더 복잡한 부유 구조(suspended structures)에서나 가능한 수준이며, 이는 그들의 평평하고 단단한 방식이 동일하게 효과적임을 입증합니다.

가장 놀라운 결과는 이 광자 결정과 전기적 튜닝을 결리했을 때 나타났습니다. 빛이 결정 구조를 통과할 때 속도를 늦춤으로써, 빛이 전기장과 상호작용하는 시간을 늘렸습니다. 이는 마치 진흙탕을 천천히 지나가는 자동차가 빠르게 지나가는 차보다 더 많이 빠지는 것과 비슷하지만, 이 경우에는 '빠진' 빛이 재료와 더 강하게 상호작용하게 됩니다. 이 속도 저하 효과는 전기적 제어의 효율성을 8.5배 향상시켰습니다. 결정의 작동 범위 경계 근처의 특정 지점에서 장치는 믿기 힘들 정도로 민감해졌으며, 빛을 전환하는 데 훨씬 더 적은 전압을 필요로 했습니다. 이는 이 플랫폼이 단순히 빛을 안내하는 것을 넘어, 성능을 극대화하기 위해 그 행동을 설계할 수 있음을 보여주었습니다.

이 연구의 의의는 단지 한 종류의 결정에만 국한되지 않습니다. 이러한 회로를 만드는 방법은 컴퓨터 칩 제조에 사용되는 표준 공정과 완전히 호환되므로, 수백만 개의 장치를 저렴한 비용으로 대량 생산할 수 있습니다. 또한 얇은 막을 썰거나 서로 다른 재료를 결합하는 값비싸고 복잡한 단계들을 피할 수 있습니다. 연구진은 이 접근 방식이 광학에 사용되는 다른 기능성 결정들에도 적용될 수 있음을 보여주었으며, 이는 차세대 광학 소자의 길을 열어주었습니다. 고성능의 튜닝 가능한 회로를 재료의 단단한 블록 위에 직접 구축할 수 있음을 증명함으로써, 연구진은 첨단 광학 기술이 일상적인 전자 제품의 표준이 되는 것을 가로막았던 주요 장벽을 제거했습니다. 이제 앞길은 더 명확해졌습니다. 정교하고 비싼 기술 대신, 단순하고 견고한 제조 방식에 기반한 고밀도, 저비용 광학 기술의 경로가 열린 것입니다.