2005년 2월 18일, 서울 - 인텔코리아(대표 金明燦, 김명찬 www.intel.com/kr)는 오늘 표준 실리콘 제조 공정을 이용해 세계 최초의 연속파(波) 실리콘 레이저를 개발하는 중요한 과학적 성과를 이뤘다고 발표했다. 이 기술을 통해 컴퓨팅, 통신 및 의학 분야 애플리케이션 개발에 저비용, 고품질의 레이저 장치와 광학 장비가 주류를 이루게 될 것으로 기대된다.

오늘자 '네이처'誌에 게재된 논문에 따르면, 인텔의 연구원들은 일명 '라만 효과(Raman effect)'와 실리콘의 결정 구조를 이용해 빛을 실리콘에 통과시키면서 증폭시키는 방법을 발견해냈다. 즉, 외부로부터 유입되는 빛을 실험용 칩에 통과시키면, 고성능의 연속 레이저 광선을 만들어내는 것이다. 아직까지 본격적인 상용화 단계에 이르지는 않았지만, 표준 실리콘에서 레이저를 만들어내는 기술은 컴퓨터 내부와 주변에 저장되어 있는 자료를 빛의 속도로 이동시킬 수 있는 저렴한 광학 장비의 생산으로 이어질 것이며, 이것은 곧 초고속 컴퓨팅을 실현시킬 다수의 새로운 애플리케션 개발을 예고하는 것이다.

인텔 광학 기술 연구소 이사인 마리오 파니치아 박사는 "실질적으로 인텔은 업계 최초로 표준 실리콘이 빛을 증폭시키는 기기 생산에 사용될 수 있음을 입증한 것"이라며, "생산, 조립 및 포장에 상대적으로 많은 비용이 들었기 때문에, 지금까지 고품질 광학 장비의 사용에는 한계가 있었다. 이번 연구를 통해 고주파 실리콘 기반의 광학 장비를 저렴한 비용에 대량 생산할 수 있는 기반이 마련됐다"고 말했다.

오늘날 모든 컴퓨터는 내장되어 있는 칩, 하드디스크와 주변기기를 운영하기 위한 전력 공급원을 가지고 있다. 그러나 미래의 컴퓨터는 테라바이트급의 데이터를 컴퓨터와 네트워크 주변으로 이동시킬 수 있는 소형 레이저, 증폭기 및 광학 연결 장치를 위한 전력 공급원도 갖추게 될 지 모른다. 게다가 빛의 파장 가운데 일부는 인체 세포와의 상호작용에 매우 적합한 특수 파장으로, 의학 치료용 레이저로 사용될 수 있다. 예를 들어 특정 레이저 파장은 잇몸 치료에 효과적인 반면, 다른 파장은 충치를 제거하는 데 보다 적합하다. 하지만 현재 이 같은 레이저의 가격은 개당 수만 달러에 달해 극히 제한적으로 보급되고 있는 실정이다. 이번에 인텔이 발표한 획기적인 기술을 통해 앞으로는 보다 저렴한 의학용 레이저 장치 사용이 가능해질 것이고, 그 결과 치과를 찾는 환자들이 보다 쉽고 덜 고통스러운 치료를 받게 될 것이다.

기술적 세부 사항
실리콘에 라만 레이저를 적용하는 작업은 칩 위에 빛이 지나갈 통로인 '도파관(waveguide)'을 새기는 것에서 시작한다. 실리콘은 적외선에 투명하게 작용하기 때문에, 빛이 도파관 안으로 비춰지면 그 안에서 칩을 가로질러 전송될 수 있게 된다. 1960년에 개발된 최초의 레이저의 경우와 같이, 인텔 연구원들은 칩 안에 빛을 주입하기 위해 외부 빛을 이용했다. 빛이 주입되어 칩을 가로지르면 실리콘 내부의 자연적인 원자의 진동이 빛을 증폭시키게 된다. '라만 효과'라고 불리는 이 증폭 현상은 유리 섬유관을 이용했을 때보다 빛이 실리콘을 만났을 때가 만 배 이상 강력한 효과를 발휘한다. 라만 레이저와 증폭기는 현재 통신 산업에서 사용되고 있는데, 빛의 증폭시키기 위해서는 수 킬로미터 길이의 섬유관이 필요하다. 이에 비해, 인텔 연구진은 단지 몇 센티미터 크기의 실리콘 칩 안에서 빛을 증폭시킬 수 있었다.

레이저는 넓은 의미에서 강렬한 간섭성 광선(모든 광자(光子)의 파장, 위상 및 방향이 동일한 빛)을 발하는 모든 기기에 해당한다. 연구진은 칩의 양쪽 측면을 고급 선글라스에 사용되는 것과 유사한 반사성의 얇은 필름으로 코팅하여 빛을 칩 안에 가둘 수 있었고 빛의 반복된 반사를 통하여 증폭시킬 수 있었다. 연구진이 주입 에너지의 양을 점점 높여 임계점에 다다르자 매우 정밀한 간섭성 광선인 레이저가 칩에서 발생하였다.

획기적인 발견
초기 단계에서 연구진은 일정 한도 이상으로 빛의 주입을 증가시키면 증폭되는 양이 증가하지 않으며 오히려 다소 감소한다는 사실을 발견했다. 그 원인은 주입된 빛에서 생성된 두 개의 광자가 동시에 하나의 원자와 부딪히면서 전자를 제거해버리는 "이(二)광자 흡수"라는 물리적 현상 때문인 것으로 드러났다. 이 때 초과된 전자는 계속해서 축적되어 도파관 내부에 저장되며 일정량 이상의 빛을 흡수하면 증폭을 정지시킨다.

인텔의 획기적인 이번 연구 성과는 기술 용어로 핀(PIN; P-type - Intrinsic - N-type) 장치라고 불리는 반도체 구조를 도파관에 통합시키려는 목적에서 시작됐다. 전압이 연결되면 핀은 마치 진공청소기처럼 빛이 지나가는 통로에 남아있는 대부분의 초과 전자를 제거해버린다. 라만 효과와 결합된 핀 장치는 연속 레이저 광선을 생산해낸다.

실리콘과 빛의 결합
인텔의 실리콘 광학 연구는 인텔의 실리콘 전문 기술을 통합 광학 장비 개발에 적용하여, 고객들이 그 광학 장비를 다양한 제품 생산에 반영할 수 있도록 하기 위한 시도의 일환으로 시작됐다. 실리콘 광학 연구진은 2004년 최초의 실리콘 기반 광학 모듈레이터의 개발을 시작으로 여러 차례의 획기적인 성과를 달성해냈다. 이 모듈레이터는 1GHz의 데이터를 암호화할 수 있는 장비로서 20MHz 수준에서 그쳤던 기존의 연구와 비교할 때 50배나 향상된 성과였다.

인텔 통신 기술 연구소 케빈 칸 소장은 "우리는 실리콘 분야의 전문 기술을 이용해 사람들의 생활을 보다 향상시킬 수 있는 방법을 찾기 위해 다양한 분야에 걸친 장기간 연구 프로그램을 마련했다"며, "예를 들어, 공장이나 또는 바다를 항해중인 선박에서 발생할 수 있는 기기 오류들을 사전에 발견하거나 노인들을 위한 의료 서비스를 개선시키는데 사용되는 무선 센서 네트워크를 개발 중이다. 실리콘 광학 프로그램에 대한 인텔의 목표는 자사가 보유하고 있는 실리콘 제조 기술을 이용해 가격이 저렴한 광학 기기들을 대량생산해 컴퓨팅 및 통신 업계가 고주파 광학의 혜택을 누리도록 돕는 것"이라고 설명했다.

이 연구 논문은 2월 17일자 '네이처'誌 433호에 게재되었다. "연속파 라만 실리콘 레이저"라는 제목의 이 논문은 인텔 연구원 하이셍 롱, 리차드 존스, 안슁 리우, 오디드 코헨, 대니 학, 알렉산더 팡, 마리오 파니치아에 의해 작성되었으며, 보다 자세한 정보와 논문 사본은 관련 웹 사이트 www.intel.com/technology/sp 에서 찾을 수 있다.