오클랜드대·NIST, 2레이저 옥타브 방식 광학 주파수 빗 칩 소형화…Nature에 게재

광학 주파수 빗이란 무엇인가

광학 주파수 빗은 수백만 개의 정밀하게 간격을 맞춘 광 주파수를 생성해 시간·거리·화학 신호를 극도로 정확하게 측정하는 도구다. 1990년대 말 존 홀(John Hall)과 테오도르 헨쉬(Theodor Hänsch)가 개발한 이 기술은 2005년 노벨 물리학상으로 이어졌으며, 현재 세계에서 가장 정밀한 시계인 광학 원자시계의 핵심 구성 요소로 쓰인다. 그러나 장비 부피와 비용 문제로 지금까지는 실험실 밖 활용이 사실상 불가능했다.

기존 방식과 다른 역방향 설계

기존 광학 주파수 빗은 단일 레이저 하나의 출력이 넓은 스펙트럼으로 퍼지는 구조를 기반으로 한다. 오클랜드대학교 물리학과장 미로 에르킨탈로(Miro Erkintalo) 교수는 2021년부터 이와 반대되는 접근을 모색했다. 그 결과 도출된 새 설계는 스펙트럼 양 끝에 주파수가 두 배(옥타브) 차이 나는 레이저 두 개를 배치하면, 그 사이의 모든 광 주파수가 칩에 내장된 반지형(ring) 구조 안에서 자동으로 채워지는 원리를 이용한다. 연구팀은 2024년 이 원리를 처음 실험실에서 입증했으며, 이번 Nature 논문에서는 실제 응용 단계로 진전시키는 성과를 보고했다.

세 가지 핵심 기능 동시 구현

연구팀은 칩 기반 시스템 하나로 광학 주파수 빗이 실용화에 필요로 하는 세 가지 기능—정밀 광 주파수 생성, 저잡음 밀리미터파 신호 생성, 통합형 광 클록 판독—을 단일 플랫폼에서 동시에 작동시켰다. 이는 원리 입증 수준을 넘어 응용 가능성이 있는 아키텍처임을 보여주는 지표로 평가된다.

기대 응용과 남은 과제

소형화가 상용 수준에 도달하면 GPS 위성 신호 없이 작동하는 자율 항법 장치, 지하 광물 자원 탐사용 휴대용 원자시계, 통신망 동기화 장비, 극미세 환경 변화를 감지하는 센서 등 다양한 분야에 적용될 수 있다. 에르킨탈로 교수, 그레고리 므와유(Grégory Moille), 카르틱 스리니바산(Kartik Srinivasan) 세 사람은 이번 연구 일부에 대한 가특허(provisional patent)를 출원했다. 다만 대량 생산 공정 확립, 안정적 제어 기술 고도화, 단가 절감 등은 상용화 이전에 해결해야 할 과제로 남아 있다.