High-power ultrabroadband electro-optic frequency combs in thin-film lithium niobate

빛과 전기는 현대 세계의 두 엔진이지만, 서로 다른 언어를 사용합니다. 광섬유 케이블을 통해 질주하는 빛은 인터넷의 방대한 데이터 스트림을 운반하는 반면, 구리선을 통해 더 느리게 이동하는 전기는 컴퓨터와 센서의 타이밍과 로직을 제어합니다. 이 두 영역을 효율적으로 연결하는 것은 물리학의 근본적인 과제입니다. 과학자들은 오랫동안 우리의 기술을 구동하는 빠른 전기 펄스인 마이크로파 신호를 빛으로, 그리고 다시 빛을 마이크로파로, 정보의 손실이나 에너지 낭비 없이 직접 변환하는 방법을 찾아왔습니다. 이러한 변환은 더 빠른 통신, 초정밀 센서, 그리고 섬세한 양자 상태를 먼 거리까지 전송하는 신흥 분야인 양자 네트워킹의 핵심입니다. 이 작업에 이상적인 도구는 일정한 빛의 빔을 받아 정밀하고 반복적인 펄스 패턴으로 잘게 쪼개어 '주파수 빗(frequency comb)'을 생성할 수 있는 장치입니다. 이 빗을 시간과 주파수를 놀라운 정확도로 측정할 수 있는 수천 개의 균일하게 간격이 떨어진 선들을 가진 빛의 자라고 생각하십시오.

수년 동안 연구자들은 이러한 콤을 작은 컴퓨터 칩 위에 구축하려고 노력해 왔지만, 그들은 고집스러운 절충안(trade-off)에 직면했습니다. 강한 신호를 만들기 위해서는 빛과 마이크로파 전기가 칩 내부에서 긴 거리를 함께 이동해야 합니다. 그러나 이동하는 동안 마이크로파 신호는 자연스럽게 약해지고, 빛은 재료에 의해 흡수되거나 산란됩니다. 칩이 너무 짧으면 신호가 약해지고, 너무 길면 유용한 작업을 수행하기도 전에 신호가 사라져 버립니다. 이러한 한계는 고성능 광 콤을 많은 실용적 응용 분야에서 접근하기 어렵게 만들었으며, 엔지니어들이 짧고 약한 신호와 길고 비효율적인 신호 중 하나를 선택하도록 강요했습니다.

캘리포니아 대학교 버클리 캠퍼스의 연구팀은 빛과 전기가 전례 없는 거리 동안 상호작용할 수 있는 새로운 종류의 칩을 제작함으로써 이 장벽을 깨뜨렸습니다. 빛을 빠르게 조작하는 능력으로 알려진 박막 니오븀산 리튬(thin-film lithium niobate)이라는 재료를 사용하여, 그들은 마이크로파 신호와 빛의 빔을 총 36cm의 유효 길이 동안 함께 안내하는 장치를 구축했습니다. 이 긴 경로를 작은 칩에 담기 위해, 그들은 단순히 장치를 길게 늘린 것이 아니라, 빛의 경로를 동일한 전기장 속으로 여러 번 앞뒤로 접어서 통과시켰습니다. 이러한 영리한 경로 재활용 방식 덕분에 빛은 칩이 미터 단위로 길 필요 없이도 엄청난 양의 변화를 축적할 수 있었습니다. 그 결과, 단 하나의 색상의 레이저 빛을 550개 이상의 뚜렷한 선을 포함하는 넓은 스펙트럼으로 변환할 수 있는 장치가 탄생했습니다. 이 선들은 모두 완벽하게 균일한 간격을 유지합니다.

이 성과의 중요성은 과정의 효율성에 있습니다. 이전의 시도들에서 이처럼 넓고 강력한 스펙트럼을 만드는 데는 너무 많은 에너지가 소모되어 대부분의 빛이 열이나 흡수로 인해 손실되었습니다. 이 새로운 설계에서 연구진은 입력된 레이저 전력의 77%가 새로운 광 콤으로 성공적으로 변환되는 변환 효율을 달enc성했습니다. 더욱 인상적인 것은, 평탄하고 균일한 스펙트럼을 생성하도록 장치를 최적화했을 때도 32%의 전력을 변환하여 총 187밀리와트의 출력을 만들어냈다는 점입니다. 이는 기존 최고의 시스템보다 10배 이상의 전력을 생산하는 것으로, 엄청난 도약입니다. 이 장치는 작동하는 데 1.5볼트 미만의 매우 낮은 전압으로 작동하여 표준 전자 회로와 호พัน히 호환됩니다.

연구진은 이 기술이 통신에 사용되는 S, C, L 밴드를 아우르는 넓은 범위의 색상에 걸쳐 작동함을 입증했습니다. 세 가지 다른 레이저 입력을 결합함으로써, 그들은 광 스펙트럼의 방대한 영역까지 총 범위를 확장했습니다. 장치의 안정성과 정밀도 덕분에 빛의 선 사이의 간격은 이를 구동하는 마이크로파 신호에 의해 완전히 결정되며, 이는 다른 방법으로는 달성하기 어려운 정밀한 제어를 가능하게 합니다. 이러한 수준의 제어와 출력은 센싱과 통신 분야에서 새로운 가능성을 열어줍니다. 예를 들어, 이처럼 강력한 콤은 대기 중의 미량 가스를 감지하거나 시계를 극도로 정밀하게 동기화하는 데 사용될 수 있습니다.

이 결과에 이르는 과정에는 칩의 내부 구조를 세심하게 재설계하는 작업이 포함되었습니다. 연구팀은 먼저 마이크로파 신호가 강도를 잃지 않고 먼 거리를 이동할 수 있는지 확인하기 위해 장치의 짧은 구간들을 특성화했습니다. 그들은 더 두꺼운 금속 전극과 특정 레이아웃을 사용함으로써 마이크로파 손실을 매우 낮게 유지할 수 있음을 발견했습니다. 일단 신호가 약해지지 않고 멀리 이동할 수 있음을 확인한 후, 그들은 폴딩(folding) 기법을 구현했습니다. 이는 빛의 파동을 전기장을 통과하게 한 다음, 전기적 추진력이 상쇄되는 대신 계속해서 더해지는 방식으로 동일한 전기장을 다시 통과하도록 굴절시키는 과정을 포함했습니다. 이러한 건설적인 축적을 통해 그들은 빛의 파동을 수백 개의 새로운 주파수로 변형시키는 거대한 변조 깊이(modulation depth)를 쌓아 올릴 수 있었습니다.

이 연구의 성공은 집적 광학(integrated photonics)에서의 크기와 효율성의 한계가 빛과 전기의 상호작용을 더 잘 설계함으로써 극복될 수 있음을 시사합니다. 연구진은 그들의 접근 방식이 확장 가능하다는 점, 즉 필요에 따라 더 긴 상호작용 경로를 구축하는 데 동일한 원리를 사용할 수 있다는 점을 언급했습니다. 이는 결과적으로 단일 칩 안에 들어갈 만큼 컴팩트하면서도, 상호작용 거리가 0.5미터에 육박하는 수준까지 도달할 수 있게 할 것입니다. 고출력, 광대역 광 콤을 효율적으로 생성할 수 있는 능력은 첨단 광 기술을 통신, 센싱, 컴퓨팅과 같은 일상적인 용도에 더 쉽게 적용할 수 있도록 만드는 중요한 진전입니다.