과학자들이 칩에 빛을 가두는 초저손실 광학 장치를 개발했습니다.

과학자들이 미래의 센서와 양자 기술을 획기적으로 향상시킬 수 있는 초소형 광 포획 트랙을 설계했습니다. (사진 제공: AI/ScienceDaily.com)

콜로라도 대학교 볼더 캠퍼스의 연구진이 차세대 고성능 센서 기술을 지원할 수 있는 고효율 광학 마이크로 공진기를 개발했습니다.

마이크로 공진기는 빛을 작은 공간에 가두도록 설계된 미세 구조입니다. 빛이 내부를 순환하면서 강도가 증가합니다. 강도가 충분한 수준에 도달하면 과학자들은 감지 및 기타 고급 기능을 가능하게 하는 특수 광학 공정을 수행할 수 있습니다.

"저희 연구는 미래의 활용도를 높이기 위해 이러한 공진기에 필요한 광 전력을 줄이는 데 초점을 맞추고 있습니다."라고 이번 연구의 주저자인 전기 및 컴퓨터 공학 박사 과정 4년차 브라이트 루는 말했습니다. "언젠가 이러한 마이크로 공진기는 내비게이션부터 화학 물질 식별에 이르기까지 광범위한 센서에 적용될 수 있을 것입니다."

해당 연구는 Applied Physics Letters 에 게재되었습니다 .

레이스트랙 공명기 설계로 광 손실 감소

더 나은 성능을 달성하기 위해 연구팀은 달리기 트랙을 닮은 길쭉한 고리 모양 때문에 "레이스트랙" 공진기에 집중했습니다.

그들은 도로 ​​및 철도 설계에서도 볼 수 있는 부드러운 곡선 유형인 "오일러 곡선"을 적용했습니다. 차량이 빠른 속도로 갑작스러운 직각 회전을 할 수 없는 것처럼, 빛도 급격한 곡선을 효율적으로 통과하지 못합니다.

"이러한 트랙형 곡선은 굽힘 손실을 최소화합니다."라고 전기공학과 셰퍼드 석좌교수이자 이 프로젝트의 공동 자문위원인 원 박 교수는 말했습니다. "이러한 설계 선택은 이 프로젝트의 핵심 혁신이었습니다."

연구진은 빛을 점진적이고 정교하게 설계된 곡선을 따라 통과시킴으로써 빠져나가는 빛의 양을 크게 줄였습니다. 이를 통해 광자는 공명기 내부에서 더 오랫동안 순환하며 더 강렬하게 상호 작용할 수 있었습니다.

루는 과도한 광 손실로 인해 장치가 최적 작동에 필요한 높은 강도에 도달하지 못한다고 설명했습니다.

COSINC의 정밀 나노 제작

이 마이크로 공진기는 콜로라도 나노 제작 및 특성 분석 공동 계측 시설(COSINC)의 클린룸에서 새로운 전자빔 리소그래피 시스템을 사용하여 제작되었습니다.

이러한 시설은 극히 작은 규모에서 신뢰할 수 있는 장치를 생산하는 데 필수적인 엄격하게 통제된 조건을 유지합니다. 많은 광학 및 광자 부품은 종이 한 장 너비보다 작기 때문에 아주 작은 먼지 입자나 미세한 표면 결함조차도 빛의 전달에 영향을 미칠 수 있습니다.

루 교수는 "기존의 리소그래피는 광자를 사용하기 때문에 근본적으로 빛의 파장에 의해 제한됩니다."라고 말했습니다. "하지만 전자빔 리소그래피는 그러한 제약이 없습니다. 전자를 이용하면 나노미터 이하의 해상도로 구조를 구현할 수 있는데, 이는 마이크로 공진기에 매우 중요합니다."

루는 제작 과정이 프로젝트에서 가장 보람 있는 부분 중 하나였다고 설명했다.

"클린룸은 정말 멋진 곳이에요. 거대하고 정밀한 기계들을 다루면서, 마이크론 두께의 미세한 구조물을 이미지로 볼 수 있잖아요. 얇은 유리막을 작동하는 광학 회로로 만드는 건 정말 만족스러운 일이에요."

칼코게나이드 유리는 초저손실 성능을 구현한다

연구팀의 주요 성과 중 하나는 특수 반도체 유리 계열인 칼코게나이드를 사용하여 소자를 성공적으로 제작한 것이었습니다.

"이러한 칼코게나이드는 높은 투명도와 비선형성 때문에 광자학 분야에 매우 적합한 소재입니다."라고 박 교수는 말했다. "저희 연구는 칼코게나이드를 사용한 소자 중 최고는 아니더라도 최고의 성능을 보여주는 소자 중 하나입니다."

칼코게나이드는 강한 빛이 최소한의 손실로 통과할 수 있도록 해주므로 고성능 마이크로 공진기에 필수적입니다. 하지만 동시에 가공하기 까다로운 소재이므로 제작 과정에서 세심한 균형이 필요합니다.

"칼코게나이드는 다루기 어렵지만, 광자 비선형 소자에 적용하기에 보람 있는 소재입니다."라고 10년 넘게 박 교수와 이 프로젝트를 공동 진행해 온 줄리엣 고피나트 교수는 말했다. "이번 연구 결과는 굽힘 손실을 최소화함으로써 다른 소재 플랫폼의 최첨단 소자와 견줄 만한 초저손실 소자를 구현할 수 있음을 보여줍니다."

레이저 테스트 및 공명 측정

제작 후, 레이저 기반 측정 전문가인 물리학 박사 과정 학생 제임스 에릭슨의 지도 하에 장치 평가가 진행되었습니다. 그는 미세한 도파관에 레이저를 정밀하게 정렬하여 공진기 안팎으로 빛을 보내고 내부에서 빛의 움직임을 관찰했습니다.

연구팀은 투과된 빛 신호에서 공명 현상을 나타내는 "감소" 부분을 찾았습니다. 공명 현상은 광자가 구조물 내부에 갇혀 순환할 때 발생합니다. 이러한 감쇠 부분의 모양을 연구함으로써 흡수 및 열 효과와 같은 특성을 파악할 수 있었습니다.

"장치 품질을 판단하는 가장 확실한 지표는 공진 파형의 형태인데, 우리는 마치 바늘이 신호 배경을 뚫고 지나가는 것처럼 깊고 좁은 공진 파형을 원합니다."라고 에릭슨은 말했습니다. "우리는 오랫동안 이런 종류의 공진기를 찾아 헤매왔는데, 이 새로운 장치에서 날카로운 공진 파형을 보자마자 마침내 해답을 찾았다는 것을 직감했습니다."

에릭슨은 흡수되는 빛의 양과 투과되는 빛의 양을 비교하는 것이 장치 성능에 매우 중요하다고 지적했습니다. 레이저 출력을 높이면 열이 발생할 수 있으며, 이는 재료의 특성을 변화시키거나 장치를 손상시킬 수도 있습니다.

"대부분의 물질이 빛과 상호작용하는 방식은 물질의 온도에 따라 달라집니다."라고 에릭슨은 말했다. "따라서 장치가 가열되면 그 특성이 변하여 작동 방식이 달라질 수 있습니다."

마이크로레이저 및 양자 광자학을 향하여

앞으로 이러한 마이크로 공진기는 소형 마이크로 레이저, 고감도 화학 및 생물학 센서, 양자 계측 및 네트워킹 도구를 만드는 데 사용될 수 있습니다.

"레이저, 변조기, 검출기 등 다양한 광자 부품들이 개발되고 있는데, 저희의 마이크로 공진기와 같은 장치들이 이러한 부품들을 하나로 묶는 데 도움이 될 것입니다."라고 루 교수는 말했다. "궁극적으로는 제조업체에 맡기면 수십만 개를 생산할 수 있는 제품을 만드는 것이 목표입니다."

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2026/02/260224015540.htm