혁신 기술
칩 규모 주파수 콤브가 데이터 미래에 전력을 공급한다
컬럼비아 엔지니어링 연구원들은 레이저를 “주파수 콤브”로 변환하여 동시에 여러 강력한 광 채널을 생성할 수 있는 새로운 칩을 만들었습니다.
특수 잠금 메커니즘을 활용하여 연구원들은 혼란스러운 레이저 빛을 정화하고 작은 실리콘 장치에서 실험실 수준의 정확도를 달성했습니다. 이 성과는 데이터 센터 효율성을 크게 향상시키고 LiDAR, 센싱 및 양자 기술 분야의 혁신을 촉진할 수 있습니다.
마이크로콤브가 실험실 수준의 정밀성을 칩으로 축소한다
연구원들은 LiDAR(빛 감지 및 거리 측정) 기술을 향상시키기 위해 고출력 마이크로콤브 장치를 만들었습니다.
LiDAR는 펄스 레이저 빛을 사용해 거리를 계산하고 환경의 고해상도 3D 모델을 생성하는 원격 감지 기술입니다. 레이더와 유사하게 작동하지만 소리 대신 빛을 사용합니다.
시스템은 레이저 펄스를 방출하고 반환 시간을 측정하여 물체까지의 정확한 거리를 측정하고 실시간으로 움직임을 추적합니다.
레이저, 스캐너 및 특수 GPS 수신기로 구성된 LiDAR 기기는 상세한 ‘포인트 클라우드’ 데이터를 생성하며, 이는 자율 주행, 환경 모니터링, 측량 및 고고학과 같은 응용 분야를 위한 3D 지도 제작에 사용됩니다.
이 기술은 1960년대에 발명되어 처음에는 기상학, 해양 감지 및 지형 측량에 적용되었으며, 이후 NASA에 의해 우주 분야로 확장되었습니다. 2010년대에 상용 자동차가 LiDAR를 사용하기 시작했으며, 그 이후 고급 전기차에서 자동차용 LiDAR가 매우 인기를 끌게 되었습니다.
LiDAR 적용이 확대됨에 따라 연구원들은 지속적으로 기술 개선에 매진해 왔습니다. 레이저 기술의 많은 흥미로운 혁신이 첨단 광학과 결합되어 추가적인 소형화를 가능하게 하며, 장기적인 LiDAR 시스템의 미래에 대한 기대를 품고 있습니다.
컬럼비아 대학교 공학 및 응용 과학 학교의 연구원들은 소형 레이저 시스템에서 더 높은 출력과 스펙트럼 순도를 확보하여 칩 규모 주파수 콤브 생성을 가능하게 하고, 이를 통해 통신, 센싱, 분광학, LiDAR 및 기타 통합 광자 응용 분야를 향상시키는 방법을 찾는 데 집중했습니다.
그래서 그들은 마이크로콤브, 즉 칩 위에서 빗의 이와 같이 균일하게 간격을 둔 광 주파수 시리즈를 생성하는 소형 광자 장치를 만들었습니다.
이러한 통합 소형 주파수 콤브는 전통적으로 이러한 응용 분야에 필요했던 복잡한 시스템의 크기를 줄일 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다. 따라서 통합 마이크로콤브는 높은 출력, 작은 발자국, 높은 효율성을 요구하는 분광학, 센싱 및 데이터 통신과 같은 다양한 응용 분야에 유망합니다.
최근 연구원들은 고성능 공진기와 이득 칩(반도체 광학 소자)을 통합하여 전기 펌프식 마이크로콤브를 시연했습니다. 그러나 이들의 전체 광 출력은 실용적인 솔루션에 필요한 수준보다 여전히 훨씬 낮습니다.
이 제한은 고출력 전기 펌프식 Kerr-주파수 마이크로콤브를 시연한 컬럼비아 연구원들에 의해 해결되었습니다.
‘지저분한’ 다이오드에서 깨끗한 마이크로콤브로
흥미롭게도 이는 우연한 발견이었습니다. 몇 년 전, 공동 저자 미칼 리프슨 교수님의 연구실에서 전기공학 및 응용 물리학 교수인 유진 히긴스 교수는 LiDAR 성능을 향상시키는 프로젝트를 진행하던 중 놀라운 현상을 포착했습니다.
그들은 더 밝은 빔을 생성할 수 있는 고출력 칩을 설계하고 있었으며, “칩에 전력을 점점 더 많이 공급하면서 우리가 주파수 콤브라고 부르는 것이 생성되는 것을 발견했습니다.”라고 Xscape Photonics의 수석 엔지니어이자 리프슨 연구실의 전 포스트닥 연구원인 안드레스 길-몰리나는 말했습니다.
주파수 콤브는 이산적이고 규칙적으로 간격을 둔 스펙트럼 라인으로 구성된 스펙트럼입니다. 이는 이러한 특수한 종류의 빛이 무지개처럼 서로 정렬된 다양한 색을 포함한다는 의미입니다.
여기서는 수십 개의 광 주파수가 빛납니다. 그러나 서로 다른 색이나 주파수 사이의 간격은 어둡게 남습니다. 따라서 스펙트로그램에서 이러한 밝은 주파수를 보면 스파이크 또는 빗의 이와 같이 보여 이름이 붙여졌습니다.
다양한 색의 빛이 서로 간섭하지 않기 때문에, 각 이가 자체 채널 역할을 하여 동시에 여러 데이터 스트림을 전송할 수 있는 놀라운 기회를 제공합니다.
매우 유익하지만, 강력한 주파수 콤브를 만들기 위해서는 크고 비싼 레이저와 증폭기가 필요합니다.
Nature Photonics에 발표된 이 논문은 동일한 작업을 단일 칩에서 수행할 수 있는 방법을 상세히 설명합니다.
“우리가 개발한 기술은 매우 강력한 레이저를 칩 위에서 수십 개의 깨끗하고 고출력 채널로 변환합니다. 이는 개별 레이저 랙을 하나의 소형 장치로 교체할 수 있어 비용을 절감하고 공간을 절약하며 훨씬 빠르고 에너지 효율이 높은 시스템을 구현할 수 있게 합니다.”
– 길-몰리나
이 연구는 다수의 파장을 포함한 강력하고 효율적인 광원에 대한 데이터 센터의 막대한 수요를 충족시킬 뿐만 아니라, 실리콘 포토닉스를 발전시키려는 팀의 사명에 있어 중요한 이정표가 됩니다.
전통적인 전자 회로보다 적은 전력을 소비하고 열 발생이 적으면서도 데이터 전송 속도를 크게 향상시키는 것으로 알려진 실리콘 포토닉스는 고속 데이터 센터, AI, LiDAR, 양자 기술, IoT 및 5G 등 다양한 분야에 적용되고 있습니다.
실리콘 포토닉스는 표준 CMOS 제조 공정을 사용해 실리콘 칩에 광 기반 부품을 통합하여 포토닉 집적 회로(PIC)를 생성합니다. 실리콘 온 인슐레이터(SOI) 웨이퍼를 반도체 플랫폼으로 활용해 광을 안내하는 파형 가이드 및 기타 부품을 형성함으로써 더 빠르고 에너지 효율적인 통신과 더 작고 비용 효율적인 장치를 구현합니다.
“이 기술이 핵심 인프라와 일상 생활에 점점 더 중심이 됨에 따라, 이러한 진보는 데이터 센터가 가능한 한 효율적으로 운영되도록 보장하는 데 필수적입니다.”
– 리프슨
자체 주입 잠금이 빛을 정화하고 배가시키는 방법
칩에 탑재할 수 있는 가장 강력한 레이저는 무엇일까요? 이 질문이 연구원들을 돌파구로 이끌었습니다.
컬럼비아 팀은 다중모드 레이저 다이오드를 선택했습니다. 레이저 다이오드(LD)는 특정 파장에서 단색 빛을 생성하는 반도체 장치입니다. 다중모드 레이저 다이오드, 즉 광폭 레이저(BAL)는 더 높은 출력 전력을 제공하며, 높은 광 출력이 필요하고 빔 품질이 덜 중요한 경우에 이상적입니다.
이 장치들은 더 넓은 빔을 생성하여 빔 품질은 감소하지만 전력 밀도는 증가합니다. 다중모드 레이저 다이오드는 의료 기기, 인쇄 및 이미징, 레이저 절단 도구와 같은 다양한 분야에 널리 사용됩니다.
엄청난 양의 빛을 생성하지만, 이러한 레이저의 빔은 “지저분”하여 정밀한 응용 분야에 활용하기 어렵습니다.
다중모드 레이저 다이오드를 실리콘 포토닉스 칩에 통합하면, 광 경로가 단 몇 마이크로미터(μm) 혹은 수백 나노미터(nm) 정도의 폭에 불과하므로 신중한 엔지니어링이 필요합니다.
이 강력하지만 매우 잡음이 많은 광원을 정화하기 위해 팀은 잠금 메커니즘을 사용했습니다.
자체 주입 잠금은 비선형 영역에서 적용되어 고출력 칩 내 콤브를 생성하고 동시에 펌프 소스의 코히런스를 정화했습니다.
주입 잠금은 한 진동자가 인접한 주파수에서 작동하는 두 번째 진동자에 의해 방해받을 때 발생할 수 있는 주파수 효과입니다. 두 주파수가 충분히 가깝고 결합이 강하면, 두 번째 진동자가 첫 번째 진동자를 포획하여 실질적으로 동일한 주파수를 갖게 됩니다.
이 기술은 고출력이 요구되는 연속파(CW) 단일 주파수 레이저 소스에 주로 적용되며, 매우 낮은 강도 잡음 및 위상 잡음과 결합됩니다.
이 방법은 실리콘 포토닉스를 이용해 레이저 출력을 재구성하고 정화하여 보다 안정적이고 깨끗한 빔을 생성하며, 이를 고코히런스라고 합니다. 빛이 정화된 후, 칩의 비선형 광학 특성이 작동하여 단일 강력한 빔을 수십 개의 균일하게 간격을 둔 색으로 분할합니다. 이는 주파수 콤브의 핵심 특성입니다.
그 결과 얻어진 소형 고효율 광원은 산업용 레이저의 원시 파워와 고급 통신 및 센싱에 필요한 안정성과 정밀성을 결합합니다.
저코히런스 소스는 고출력 및 실리콘 나이트라이드 링 공진기와 통합되었습니다. 이 공진기는 정상 그룹 속도 분산을 갖도록 설계되어 광 주파수가 증가함에 따라 속도가 감소합니다. 이는 매질에서 긴 파장의 빛이 짧은 파장보다 더 빠르게 이동하여 광 펄스가 시간에 따라 퍼지는 현상입니다.
팀이 만든 마이크로콤브는 최대 158 mW의 총 칩 내 전력을 달성했습니다. 동시에 콤브 라인의 내재적 선폭은 200 kHz였습니다. 연구원들은 또한 100 μW를 초과하는 라인 수를 두 배 이상 늘리고, 이전 보고된 결과보다 한 차례 정도 높은 칩 내 전력 수준을 보여주었습니다.
Researchers said:
“우리의 새로운 전기 펌프식 마이크로콤브 소스는 데이터 통신에 필요한 크기, 전력 및 선폭을 갖추고 있으며, 고성능 컴퓨팅 및 스펙트럼 센싱과 시간 측정 응용 분야와 같은 광범위한 장치에 큰 영향을 미칠 수 있습니다.”
이 돌파구는 AI 붐이 데이터 센터 용량에 대한 폭발적인 수요 증가를 일으키는 시점에 등장했습니다. 이는 인프라에 부담을 주어 빠른 정보 전송에 어려움을 겪게 합니다. 결과적으로 기업들은 대규모 AI 모델의 학습 및 실행을 위한 막대한 계산 요구를 처리하기 위해 AI 전용 인프라를 구축하고 있습니다.
이미 고급 데이터 센터에서는 광섬유 링크를 사용해 데이터를 전송하고 있지만, 이들 역시 단일 파장의 레이저에 의존합니다.
수십 개의 빔을 동일한 단일 광섬유를 통해 병렬로 전송함으로써, 하나의 빔이 하나의 데이터 스트림만을 전달하는 대신, 주파수 콤브는 데이터 센터의 역량을 크게 향상시킬 수 있습니다.
이와 동일한 원리는 파장 분할 다중화(WDM) 또는 wavelength-division multiplexing의 기반이 되었으며, 광섬유 기술은 각 스트림에 고유한 파장을 할당하여 단일 광섬유를 통해 여러 데이터 스트림을 동시에 전송함으로써 데이터 용량을 크게 늘리고 더 높은 대역폭을 가능하게 합니다. WDM은 1990년대 후반 인터넷이 전 세계 고속 네트워크가 되는 데 기여했습니다.
현재 리프슨 팀은 고출력 다중 파장 콤브를 제작하고 있으며, 이들은 직접 칩에 장착될 정도로 작습니다. 이 성과는 현대 컴퓨팅 시스템 중 소형이면서 비용이 높은 부품에 이 기능을 도입할 수 있게 합니다.
이러한 방식으로 칩은 정보 전송 및 처리 방식을 간소화함으로써 데이터 센터 운영 방식을 변화시켜 차세대 데이터 센터 및 효율적인 광 통신에 의존하는 다양한 장치 설계에 영향을 미칠 수 있습니다. 이러한 칩은 고급 LiDAR 시스템, 소형 양자 장치, 매우 정밀한 광 시계 및 휴대용 분광계에도 활용될 수 있습니다.
“이것은 실험실 수준의 광원을 실제 장치에 적용하는 것입니다. 충분히 강력하고 효율적이며 작게 만들 수 있다면 거의 모든 곳에 적용할 수 있습니다.”
– 길-몰리나
스크롤하려면 스와이프 →
| 소스 | 통합 | 칩 내 총 콤브 전력 | 100 μW 초과 라인 수 | 내재 선폭 (라인당) | 핵심 기술 |
|---|---|---|---|---|---|
| Columbia Engineering (2025) | Multimode laser diode + SiN resonator (on-chip) | ~0.16 W (≈160 mW) | ≥25 | ~200 kHz | Self-injection locking in nonlinear regime |
| Prior integrated microcombs | Gain chip + high-Q resonator | 수십 배 낮음 | 100 μW 초과 라인 수가 적음 | 다양함 (보통 더 넓음) | 다양함 (대개 펌프 전력이 낮음) |
레이저 기술에 투자하기
광자 및 레이저 기술 분야의 글로벌 리더인 Coherent Corp. (COHR )는 반도체 레이저 다이오드와 고성능 광학 부품을 생산합니다.
Coherent는 첨단 컴퓨팅 및 데이터 전송 시대에 필수적인 포토닉스 기반 솔루션 개발 및 제조를 핵심 사업으로 삼아 광통신 산업에서 지배적인 위치를 차지하고 강력한 시장 점유율을 확보하고 있습니다.
그의 사업 부문에는 복합 반도체 기술을 활용해 부품 및 하위 시스템을 제공하는 네트워킹, 실리콘 카바이드(SiC), 갈륨 안티모나이드(GaSb), 갈륨 비소(GaAs), 인듐 포스파이드(InP), 아연 셀레나이드(ZnSe), 아연 설파이드(ZnS) 기반의 광전자 장치를 포함하는 소재, 그리고 레이저 부문이 반도체, 정밀 제조, 항공우주 및 방위 산업 등 산업 고객에게 레이저 및 광학 제품을 제공한다.
Coherent Corp. (COHR )
Coherent는 혁신적인 포토닉스 기반 제품군을 통해 고객에게 맞춤형 및 종단 간 솔루션을 제공하고 AI 인프라의 확장성 요구를 충족시킬 수 있습니다.
AI 시장에 대한 전략적 집중은 Coherent를 현재 진행 중인 AI 성장의 주요 수혜자로 자리매김하게 합니다. 이는 고성능 광학 부품에 대한 수요 증가와 맞물리지만, 동시에 AI와 광통신 부문에서 경쟁이 심화되어 도전에 직면하고 있습니다.
Coherent의 시장 실적은 현재 강세를 보이고 있으며, 전체 주식 시장과 마찬가지입니다. 올해 현재까지 29.16% 상승했으며, COHR 주가는 $123.70에 거래되고 있어 사상 최고가(ATH)를 기록했고, 이는 회사 시가총액을 $19.20 억으로 만들었습니다.
(COHR )
4월에 주식 시장이 조정되면서 COHR 주가는 $50까지 하락했지만, 그 이후 Coherent 주가는 약 146% 회복했습니다. 불과 2년 전에는 $30 이하로 거래되던 주가가 크게 회복된 것입니다.
이에 따라 회사는 -0.62의 EPS(TTM)와 -198.72의 P/E(TTM)를 기록하고 있습니다.
Coherent의 재무 상황에 대해 말하자면, 2025년 6월 30일 종료된 4분기에 사상 최대 매출 $15.3억을 기록했습니다. 해당 기간 GAAP 기준 총 이익률은 35.7%였으며, 희석 주당 순손실은 $0.83이었고, 비GAAP 기준 총 이익률은 38.1%, 희석 주당 순이익은 $1.00이었습니다.
2025 회계연도 전체 매출도 사상 최고인 $58.1억을 기록했습니다. GAAP 기준 총 이익률은 35.2%였으며, 희석 주당 순손실은 $0.52이었고, 비GAAP 기준 총 이익률은 37.9%, 희석 주당 순이익은 $3.53이었습니다.
According to CEO Jim Anderson:
“우리는 2025 회계연도에 매출이 23% 성장하고 비GAAP EPS가 191% 확대되는 강력한 실적을 달성했습니다. AI 데이터 센터와 같은 핵심 성장 동력에 대한 노출을 고려할 때, 장기적으로 강력한 매출 및 이익 성장을 지속할 수 있는 좋은 위치에 있다고 믿습니다.”
이번 분기에 회사는 1.6T 트랜시버 제품의 출하를 시작했으며, 이는 고성능 AI 데이터 센터 응용에 활용됩니다. 또한 새로운 다이아몬드 SiC 복합 소재가 도입되어 이러한 데이터 센터의 고급 냉각에 사용됩니다.
또한 Coherent는 광 회로 스위치(OCS)에서 최초 매출을 기록했으며, 초고온 초전도 테이프 생산을 위한 엑시머 레이저 플랫폼을 업데이트하여 융합과 같은 신흥 에너지 기술에 적용했습니다.
지난 몇 주 동안 Coherent는 여러 신제품을 출시했으며, 여기에는 AI 및 클라우드를 위한 보다 효율적이고 빠른 광 트랜시버를 가능하게 하는 쿼드 채널 IC 시리즈, 기존 광섬유 인프라의 용량을 극대화하는 업계 최초 QSFP28 듀얼 레이저 100G ZR 솔루션, 그리고 공동 패키징 광학 및 실리콘 포토닉스 응용의 까다로운 요구를 충족하는 고출력 400 mW 연속파 레이저가 포함됩니다.
최근 Coherent는 현대 데이터 센터의 급증하는 데이터 트래픽 수요를 해결하기 위해 차세대 2D VCSEL 및 포토다이오드(PD) 어레이를 시연했습니다.
몇 주 전 Coherent는 기존 순환 신용 약정을 재융자하고 총 시설 한도를 $7억으로 확대하는 등 수정 계약을 체결했으며, 이는 JPMorgan Chase Bank (JPM ) 및 기타 대출기관과의 신용 계약에 해당합니다. 이를 통해 회사의 유동성과 재무 유연성이 향상되어 운영 및 성장 지원에 도움이 됩니다.
결론
컬럼비아 대학교는 만들었습니다 엔지니어링 성취를, 보여주며 과학에서 예상치 못한 순간이 어떻게 더 크고 더 나은 발견으로 이어질 수 있는 능력을 전체 분야를 재정의할 수 있게 합니다. 단일 지저분한 빔을 수십 개의 강력하고 안정적인 광 채널로 변환함으로써, 팀은 차세대 광 시스템을 위한 기반을 마련했습니다.
From LiDAR 혁신 및 양자 장치 소형화부터 AI 기반 데이터 센터 용량 증대에 이르기까지, 이 기술은 포토닉스 통합에서 큰 도약을 의미합니다. 그리고 세계가 더 빠르고 에너지 효율적인 통신 시스템을 향해 나아가면서, 소형 주파수 콤브 칩은 미래 컴퓨팅 인프라의 기반이 될 수 있습니다.
인공지능 투자에 대해 모두 알아보려면 여기를 클릭하십시오.
참고 문헌
- Gil-Molina, A., Antman, Y., Westreich, O., et al. (2025). High-power electrically pumped microcombs. Nature Photonics, 19(10), 873–879. 2025년 10월 7일 출판. https://doi.org/10.1038/s41566-025-01769-z
컬럼비아 엔지니어링 연구원들은 레이저를 “주파수 콤브”로 변환하여 동시에 여러 강력한 광 채널을 생성할 수 있는 새로운 칩을 만들었습니다.
특수 잠금 메커니즘을 활용하여 연구원들은 혼란스러운 레이저 빛을 정화하고 작은 실리콘 장치에서 실험실 수준의 정확도를 달성했습니다. 이 성과는 데이터 센터 효율성을 크게 향상시키고 LiDAR, 센싱 및 양자 기술 분야의 혁신을 촉진할 수 있습니다.
마이크로콤브가 실험실 수준의 정밀성을 칩으로 축소한다
연구원들은 LiDAR(빛 감지 및 거리 측정) 기술을 향상시키기 위해 고출력 마이크로콤브 장치를 만들었습니다.
LiDAR는 펄스 레이저 빛을 사용해 거리를 계산하고 환경의 고해상도 3D 모델을 생성하는 원격 감지 기술입니다. 레이더와 유사하게 작동하지만 소리 대신 빛을 사용합니다.
시스템은 레이저 펄스를 방출하고 반환 시간을 측정하여 물체까지의 정확한 거리를 측정하고 실시간으로 움직임을 추적합니다.
레이저, 스캐너 및 특수 GPS 수신기로 구성된 LiDAR 기기는 상세한 ‘포인트 클라우드’ 데이터를 생성하며, 이는 자율 주행, 환경 모니터링, 측량 및 고고학과 같은 응용 분야를 위한 3D 지도 제작에 사용됩니다.
이 기술은 1960년대에 발명되어 처음에는 기상학, 해양 감지 및 지형 측량에 적용되었으며, 이후 NASA에 의해 우주 분야로 확장되었습니다. 2010년대에 상용 자동차가 LiDAR를 사용하기 시작했으며, 그 이후 고급 전기차에서 자동차용 LiDAR가 매우 인기를 끌게 되었습니다.
LiDAR 적용이 확대됨에 따라 연구원들은 지속적으로 기술 개선에 매진해 왔습니다. 레이저 기술의 많은 흥미로운 혁신이 첨단 광학과 결합되어 추가적인 소형화를 가능하게 하며, 장기적인 LiDAR 시스템의 미래에 대한 기대를 품고 있습니다.
컬럼비아 대학교 공학 및 응용 과학 학교의 연구원들은 소형 레이저 시스템에서 더 높은 출력과 스펙트럼 순도를 확보하여 칩 규모 주파수 콤브 생성을 가능하게 하고, 이를 통해 통신, 센싱, 분광학, LiDAR 및 기타 통합 광자 응용 분야를 향상시키는 방법을 찾는 데 집중했습니다.
그래서 그들은 마이크로콤브, 즉 칩 위에서 빗의 이와 같이 균일하게 간격을 둔 광 주파수 시리즈를 생성하는 소형 광자 장치를 만들었습니다.
이러한 통합 소형 주파수 콤브는 전통적으로 이러한 응용 분야에 필요했던 복잡한 시스템의 크기를 줄일 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다. 따라서 통합 마이크로콤브는 높은 출력, 작은 발자국, 높은 효율성을 요구하는 분광학, 센싱 및 데이터 통신과 같은 다양한 응용 분야에 유망합니다.
최근 연구원들은 고성능 공진기와 이득 칩(반도체 광학 소자)을 통합하여 전기 펌프식 마이크로콤브를 시연했습니다. 그러나 이들의 전체 광 출력은 실용적인 솔루션에 필요한 수준보다 여전히 훨씬 낮습니다.
이 제한은 고출력 전기 펌프식 Kerr-주파수 마이크로콤브를 시연한 컬럼비아 연구원들에 의해 해결되었습니다.
‘지저분한’ 다이오드에서 깨끗한 마이크로콤브로
흥미롭게도 이는 우연한 발견이었습니다. 몇 년 전, 공동 저자 미칼 리프슨 교수님의 연구실에서 전기공학 및 응용 물리학 교수인 유진 히긴스 교수는 LiDAR 성능을 향상시키는 프로젝트를 진행하던 중 놀라운 현상을 포착했습니다.
그들은 더 밝은 빔을 생성할 수 있는 고출력 칩을 설계하고 있었으며, “칩에 전력을 점점 더 많이 공급하면서 우리가 주파수 콤브라고 부르는 것이 생성되는 것을 발견했습니다.”라고 Xscape Photonics의 수석 엔지니어이자 리프슨 연구실의 전 포스트닥 연구원인 안드레스 길-몰리나는 말했습니다.
주파수 콤브는 이산적이고 규칙적으로 간격을 둔 스펙트럼 라인으로 구성된 스펙트럼입니다. 이는 무지개처럼 서로 정렬된 다양한 색을 포함한다는 의미입니다.
여기서는 수십 개의 광 주파수가 빛납니다. 그러나 서로 다른 색이나 주파수 사이의 간격은 어둡게 남습니다. 따라서 스펙트로그램에서 이러한 밝은 주파수를 보면 스파이크 또는 빗의 이와 같이 보여 이름이 붙여졌습니다.
다양한 색의 빛이 서로 간섭하지 않기 때문에, 각 이가 자체 채널 역할을 하여 동시에 여러 데이터 스트림을 전송할 수 있는 놀라운 기회를 제공합니다.
매우 유익하지만, 강력한 주파수 콤브를 만들기 위해서는 크고 비싼 레이저와 증폭기가 필요합니다.
Nature Photonics에 발표된 이 논문은 동일한 작업을 단일 칩에서 수행할 수 있는 방법을 상세히 설명합니다.
“우리가 개발한 기술은 매우 강력한 레이저를 칩 위에서 수십 개의 깨끗하고 고출력 채널로 변환합니다. 이는 개별 레이저 랙을 하나의 소형 장치로 교체할 수 있어 비용을 절감하고 공간을 절약하며 훨씬 빠르고 에너지 효율이 높은 시스템을 구현할 수 있게 합니다.”
– 길-몰리나
이 연구는 다수의 파장을 포함한 강력하고 효율적인 광원에 대한 데이터 센터의 막대한 수요를 충족시킬 뿐만 아니라, 실리콘 포토닉스를 발전시키려는 팀의 사명에 있어 중요한 이정표가 됩니다.
전통적인 전자 회로보다 적은 전력을 소비하고 열 발생이 적으면서도 데이터 전송 속도를 크게 향상시키는 것으로 알려진 실리콘 포토닉스는 고속 데이터 센터, AI, LiDAR, 양자 기술, IoT 및 5G 등 다양한 분야에 적용되고 있습니다.
실리콘 포토닉스는 표준 CMOS 제조 공정을 사용해 실리콘 칩에 광 기반 부품을 통합하여 포토닉 집적 회로(PIC)를 생성합니다. 실리콘 온 인슐레이터(SOI) 웨이퍼를 반도체 플랫폼으로 활용해 광을 안내하는 파형 가이드 및 기타 부품을 형성함으로써 더 빠르고 에너지 효율적인 통신과 더 작고 비용 효율적인 장치를 구현합니다.
“이 기술이 핵심 인프라와 일상 생활에 점점 더 중심이 됨에 따라, 이러한 진보는 데이터 센터가 가능한 한 효율적으로 운영되도록 보장하는 데 필수적입니다.”
– 리프슨
자체 주입 잠금이 빛을 정화하고 배가시키는 방법
칩에 탑재할 수 있는 가장 강력한 레이저는 무엇일까요? 이 질문이 연구원들을 돌파구로 이끌었습니다.
컬럼비아 팀은 다중모드 레이저 다이오드를 선택했습니다. 레이저 다이오드(LD)는 특정 파장에서 단색 빛을 생성하는 반도체 장치입니다. 다중모드 레이저 다이오드, 즉 광폭 레이저(BAL)는 더 높은 출력 전력을 제공하며, 높은 광 출력이 필요하고 빔 품질이 덜 중요한 경우에 이상적입니다.
이 장치들은 더 넓은 빔을 생성하여 빔 품질은 감소하지만 전력 밀도는 증가합니다. 다중모드 레이저 다이오드는 의료 기기, 인쇄 및 이미징, 레이저 절단 도구와 같은 다양한 분야에 널리 사용됩니다.
엄청난 양의 빛을 생성하지만, 이러한 레이저의 빔은 “지저분”하여 정밀한 응용 분야에 활용하기 어렵습니다.
다중모드 레이저 다이오드를 실리콘 포토닉스 칩에 통합하면, 광 경로가 단 몇 마이크로미터(μm) 혹은 수백 나노미터(nm) 정도의 폭에 불과하므로 신중한 엔지니어링이 필요합니다.
이 강력하지만 매우 잡음이 많은 광원을 정화하기 위해 팀은 잠금 메커니즘을 사용했습니다.
자체 주입 잠금은 비선형 영역에서 적용되어 고출력 칩 내 콤브를 생성하고 동시에 펌프 소스의 코히런스를 정화했습니다.
주입 잠금은 한 진동자가 인접한 주파수에서 작동하는 두 번째 진동자에 의해 방해받을 때 발생할 수 있는 주파수 효과입니다. 두 주파수가 충분히 가깝고 결합이 강하면, 두 번째 진동자가 첫 번째 진동자를 포획하여 실질적으로 동일한 주파수를 갖게 됩니다.
이 기술은 고출력이 요구되는 연속파(CW) 단일 주파수 레이저 소스에 주로 적용되며, 매우 낮은 강도 잡음 및 위상 잡음과 결합됩니다.
이 방법은 실리콘 포토닉스를 이용해 레이저 출력을 재구성하고 정화하여 보다 안정적이고 깨끗한 빔을 생성하며, 이를 고코히런스라고 합니다. 빛이 정화된 후, 칩의 비선형 광학 특성이 작동하여 단일 강력한 빔을 수십 개의 균일하게 간격을 둔 색으로 분할합니다. 이는 주파수 콤브의 핵심 특성입니다.
그 결과 얻어진 소형 고효율 광원은 산업용 레이저의 원시 파워와 고급 통신 및 센싱에 필요한 안정성과 정밀성을 결합합니다.
저코히런스 소스는 고출력 및 실리콘 나이트라이드 링 공진기와 통합되었습니다. 이 공진기는 정상 그룹 속도 분산을 갖도록 설계되어 광 주파수가 증가함에 따라 속도가 감소합니다. 이는 매질에서 긴 파장의 빛이 짧은 파장보다 더 빠르게 이동하여 광 펄스가 시간에 따라 퍼지는 현상입니다.
팀이 만든 마이크로콤브는 최대 158 mW의 총 칩 내 전력을 달성했습니다. 동시에 콤브 라인의 내재적 선폭은 200 kHz였습니다. 연구원들은 또한 100 μW를 초과하는 라인 수를 두 배 이상 늘리고, 이전 보고된 결과보다 한 차례 정도 높은 칩 내 전력 수준을 보여주었습니다.
Researchers said:
“우리의 새로운 전기 펌프식 마이크로콤브 소스는 데이터 통신에 필요한 크기, 전력 및 선폭을 갖추고 있으며, 고성능 컴퓨팅 및 스펙트럼 센싱과 시간 측정 응용 분야와 같은 광범위한 장치에 큰 영향을 미칠 수 있습니다.”
이 돌파구는 AI 붐이 데이터 센터 용량에 대한 폭발적인 수요 증가를 일으키는 시점에 등장했습니다. 이는 인프라에 부담을 주어 빠른 정보 전송에 어려움을 겪게 합니다. 결과적으로 기업들은 대규모 AI 모델의 학습 및 실행을 위한 막대한 계산 요구를 처리하기 위해 AI 전용 인프라를 구축하고 있습니다.
이미 고급 데이터 센터에서는 광섬유 링크를 사용해 데이터를 전송하고 있지만, 이들 역시 단일 파장의 레이저에 의존합니다.
수십 개의 빔을 동일한 단일 광섬유를 통해 병렬로 전송함으로써, 하나의 빔이 하나의 데이터 스트림만을 전달하는 대신, 주파수 콤브는 데이터 센터의 역량을 크게 향상시킬 수 있습니다.
이와 동일한 원리는 파장 분할 다중화(WDM) 또는 wavelength-division multiplexing의 기반이 되었으며, 광섬유 기술은 각 스트림에 고유한 파장을 할당하여 단일 광섬유를 통해 여러 데이터 스트림을 동시에 전송함으로써 데이터 용량을 크게 늘리고 더 높은 대역폭을 가능하게 합니다. WDM은 1990년대 후반 인터넷이 전 세계 고속 네트워크가 되는 데 기여했습니다.
현재 리프슨 팀은 고출력 다중 파장 콤브를 제작하고 있으며, 이들은 직접 칩에 장착될 정도로 작습니다. 이 성과는 현대 컴퓨팅 시스템 중 소형이면서 비용이 높은 부품에 이 기능을 도입할 수 있게 합니다.
이러한 방식으로 칩은 정보 전송 및 처리 방식을 간소화함으로써 데이터 센터 운영 방식을 변화시켜 차세대 데이터 센터 및 효율적인 광 통신에 의존하는 다양한 장치 설계에 영향을 미칠 수 있습니다. 이러한 칩은 고급 LiDAR 시스템, 소형 양자 장치, 매우 정밀한 광 시계 및 휴대용 분광계에도 활용될 수 있습니다.
“이것은 실험실 수준의 광원을 실제 장치에 적용하는 것입니다. 충분히 강력하고 효율적이며 작게 만들 수 있다면 거의 모든 곳에 적용할 수 있습니다.”
– 길-몰리나
스크롤하려면 스와이프 →
| 소스 | 통합 | 칩 내 총 콤브 전력 | 100 μW 초과 라인 수 | 내재 선폭 (라인당) | 핵심 기술 |
|---|---|---|---|---|---|
| Columbia Engineering (2025) | Multimode laser diode + SiN resonator (on-chip) | ~0.16 W (≈160 mW) | ≥25 | ~200 kHz | Self-injection locking in nonlinear regime |
| Prior integrated microcombs | Gain chip + high-Q resonator | 수십 배 낮음 | 100 μW 초과 라인 수가 적음 | 다양함 (보통 더 넓음) | 다양함 (대개 펌프 전력이 낮음) |
레이저 기술에 투자하기
광자 및 레이저 기술 분야의 글로벌 리더인 Coherent Corp. (COHR )는 반도체 레이저 다이오드와 고성능 광학 부품을 생산합니다.
Coherent는 첨단 컴퓨팅 및 데이터 전송 시대에 필수적인 포토닉스 기반 솔루션 개발 및 제조를 핵심 사업으로 삼아 광통신 산업에서 지배적인 위치를 차지하고 강력한 시장 점유율을 확보하고 있습니다.
그의 사업 부문에는 복합 반도체 기술을 활용해 부품 및 하위 시스템을 제공하는 네트워킹, 실리콘 카바이드(SiC), 갈륨 안티모나이드(GaSb), 갈륨 비소(GaAs), 인듐 포스파이드(InP), 아연 셀레나이드(ZnSe), 아연 설파이드(ZnS) 기반의 광전자 장치를 포함하는 소재, 그리고 레이저 부문이 반도체, 정밀 제조, 항공우주 및 방위 산업 등 산업 고객에게 레이저 및 광학 제품을 제공한다.
Coherent Corp. (COHR )
Coherent는 혁신적인 포토닉스 기반 제품군을 통해 고객에게 맞춤형 및 종단 간 솔루션을 제공하고 AI 인프라의 확장성 요구를 충족시킬 수 있습니다.
AI 시장에 대한 전략적 집중은 Coherent를 현재 진행 중인 AI 성장의 주요 수혜자로 자리매김하게 합니다. 이는 고성능 광학 부품에 대한 수요 증가와 맞물리지만, 동시에 AI와 광통신 부문에서 경쟁이 심화되어 도전에 직면하고 있습니다.
Coherent의 시장 실적은 현재 강세를 보이고 있으며, 전체 주식 시장과 마찬가지입니다. 올해 현재까지 29.16% 상승했으며, COHR 주가는 $123.70에 거래되고 있어 사상 최고가(ATH)를 기록했고, 이는 회사 시가총액을 $19.20 억으로 만들었습니다.
(COHR )
4월에 주식 시장이 조정되면서 COHR 주가는 $50까지 하락했지만, 그 이후 Coherent 주가는 약 146% 회복했습니다. 불과 2년 전에는 $30 이하로 거래되던 주가가 크게 회복된 것입니다.
이에 따라 회사는 -0.62의 EPS(TTM)와 -198.72의 P/E(TTM)를 기록하고 있습니다.
Coherent의 재무 상황에 대해 말하자면, 2025년 6월 30일 종료된 4분기에 사상 최대 매출 $15.3억을 기록했습니다. 해당 기간 GAAP 기준 총 이익률은 35.7%였으며, 희석 주당 순손실은 $0.83이었고, 비GAAP 기준 총 이익률은 38.1%, 희석 주당 순이익은 $1.00이었습니다.
2025 회계연도 전체 매출도 사상 최고인 $58.1억을 기록했습니다. GAAP 기준 총 이익률은 35.2%였으며, 희석 주당 순손실은 $0.52이었고, 비GAAP 기준 총 이익률은 37.9%, 희석 주당 순이익은 $3.53이었습니다.
According to CEO Jim Anderson:
“우리는 2025 회계연도에 매출이 23% 성장하고 비GAAP EPS가 191% 확대되는 강력한 실적을 달성했습니다. AI 데이터 센터와 같은 핵심 성장 동력에 대한 노출을 고려할 때, 장기적으로 강력한 매출 및 이익 성장을 지속할 수 있는 좋은 위치에 있다고 믿습니다.”
이번 분기에 회사는 1.6T 트랜시버 제품의 출하를 시작했으며, 이는 고성능 AI 데이터 센터 응용에 활용됩니다. 또한 새로운 다이아몬드 SiC 복합 소재가 도입되어 이러한 데이터 센터의 고급 냉각에 사용됩니다.
또한 Coherent는 광 회로 스위치(OCS)에서 최초 매출을 기록했으며, 초고온 초전도 테이프 생산을 위한 엑시머 레이저 플랫폼을 업데이트하여 융합과 같은 신흥 에너지 기술에 적용했습니다.
지난 몇 주 동안 Coherent는 여러 신제품을 출시했으며, 여기에는 AI 및 클라우드를 위한 보다 효율적이고 빠른 광 트랜시버를 가능하게 하는 쿼드 채널 IC 시리즈, 기존 광섬유 인프라의 용량을 극대화하는 업계 최초 QSFP28 듀얼 레이저 100G ZR 솔루션, 그리고 공동 패키징 광학 및 실리콘 포토닉스 응용의 까다로운 요구를 충족하는 고출력 400 mW 연속파 레이저가 포함됩니다.
최근 Coherent는 현대 데이터 센터의 급증하는 데이터 트래픽 수요를 해결하기 위해 차세대 2D VCSEL 및 포토다이오드(PD) 어레이를 시연했습니다.
몇 주 전 Coherent는 기존 순환 신용 약정을 재융자하고 총 시설 한도를 $7억으로 확대하는 등 수정 계약을 체결했으며, 이는 JPMorgan Chase Bank (JPM ) 및 기타 대출기관과의 신용 계약에 해당합니다. 이를 통해 회사의 유동성과 재무 유연성이 향상되어 운영 및 성장 지원에 도움이 됩니다.
결론
컬럼비아 대학교는 만들었습니다 엔지니어링 성취를, 보여주며 과학에서 예상치 못한 순간이 어떻게 더 크고 더 나은 발견으로 이어질 수 있는 능력을 전체 분야를 재정의할 수 있게 합니다. 단일 지저분한 빔을 수십 개의 강력하고 안정적인 광 채널로 변환함으로써, 팀은 차세대 광 시스템을 위한 기반을 마련했습니다.
From LiDAR 혁신 및 양자 장치 소형화부터 AI 기반 데이터 센터 용량 증대에 이르기까지, 이 기술은 포토닉스 통합에서 큰 도약을 의미합니다. 그리고 세계가 더 빠르고 에너지 효율적인 통신 시스템을 향해 나아가면서, 소형 주파수 콤브 칩은 미래 컴퓨팅 인프라의 기반이 될 수 있습니다.
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참고 문헌
- Gil-Molina, A., Antman, Y., Westreich, O., et al. (2025). High-power electrically pumped microcombs. Nature Photonics, 19(10), 873–879. 2025년 10월 7일 출판. https://doi.org/10.1038/s41566-025-01769-z
