차세대 고성능 레이저, 심우주 내비게이션 정밀도 높인다

나사의 심우주 네트워크(Deep Space Network, DSN)는 일종의 우주 GPS 시스템으로, 극도의 정확성을 위해 원자 시계에 의존한다. 현대 내비게이션 시스템은 무선 신호를 정확하게 타이밍해 위치를 삼각측량해야 한다. 하지만 우주에선 먼 거리가 미세한 오차도 복합적으로 키우기 때문에 정확성 요구가 훨씬 높다.

나사 제트추진연구소(JPL) 전 연구원 루테 말레키(Lute Maleki)와 그의 JPL 동료들이 우주를 위해 만든 발전이 이제 통신, 자율주행차용 레인지 파인더, 양자 컴퓨팅 같은 신흥 분야를 위한 세계에서 가장 정교한 레이저와 발진기로 이어졌다.

1980년대, DSN용 원자 시계 기술 개선 작업 중 말레키는 JPL의 양자 과학 기술 그룹으로 발전한 것을 설립해 광자나 시계 속 진동 원자 같은 가장 기본적인 입자를 지배하는 양자 물리를 이용해 새로운 역량을 개발했다. 팀은 더 좋고 저렴한 유형의 원자 시계를 개발했고, 사상 최초로 원자 시계 신호를 광케이블로 약 20마일 떨어진 안테나들에 전송했다.

1990년대 초, 말레키와 연구실 다른 멤버가 새로운 유형의 발진기를 발명하게 됐다. "그는 풀 수 없는 안정성 문제가 있었고, 내가 발진기로 바꿔 해결하라고 했고, 우린 광전자 발진기(optoelectronic oscillator)를 발명했다."라고 말레키는 말했다.

발진기는 시간 측정뿐만 아니라 통신에서도 중요한데, 두 개 이상의 디바이스가 정보를 송수신할 정확한 주파수에 합의하게 해주기 때문이다. 이전 모든 발진기가 전류로 진동을 생성한 반면, 이 발진기는 레이저 빛을 사용했다. 광전자 발진기는 이후 레이더, 우주 공학, 무선 통신 등 여러 애플리케이션에 필수적이 됐다.

일정한 주파수 보장을 위해 발진기는 공진기(resonator)가 필요하다. 당시엔 보통 출력 신호를 상당한 거리(이상적으로 1마일 정도)까지 전달하고 순환시킬 수 있는 광섬유였는데, 시스템이 자체 출력 주파수를 추적하고 노이즈를 상쇄할 수 있게 했다. 말레키 설명에 따르면 이건 거대한 시스템이었다.

이게 두 번째 근본적 발명으로 이어졌다: 속삭임 갤러리 모드 광학 공진기(whispering gallery mode optical resonator) 사용. 당시 나사에겐 용도가 적었지만 말레키는 시장이 있다고 확신했다.

그는 1999년 OEwaves(OE는 광전자 의미)를 팀의 나사 작업에서 나온 약 30개 특허로 설립했다. 캘리포니아 공과대학(Caltech)이 JPL을 관리하며 라이선스했다.

회사는 변화하는 기술 환경에서 입지를 다지는 데 시간이 걸렸지만, 세계 최저 잡음 반도체 레이저를 포함한 제품들이 최근 몇 년간 새로운 시장을 찾았다. 하나는 '스마트 구조물(smart structures)'로, 수십 년 전부터 존재한 개념이지만 특히 아시아에서 실천되기 시작했다. 빌딩, 교량, 철도, 기타 구조물에 임베디드된 광섬유 센서가 응력이나 변형을 감지할 수 있지만, 파장의 미세한 변화를 드러내려면 저잡음 레이저가 필요하다.

말레키는 휴대폰과 통신 시장에서도 수요 증가를 예상한다. 더 높은 주파수로 이동하면서 정보를 더 효율적으로 전달하지만 극도로 높은 충실도를 요구하기 때문이다.

2014년 OEwaves는 자율주행차용 라이다(LiDAR) 기술 개발을 위해 스트로브(Strobe Inc.)를 분사했다. 라이다 시스템은 반사된 레이저 신호로 주변 환경의 3D 지도를 구축하는데, 많은 자율주행차 기업들이 이를 핵심 기술로 본다. GM 자회사 크루즈 오토메이션(Cruise Automation)이 2017년 스트로브를 인수했다.

말레키는 JPL에서 시작된 같은 기술이 스트로브로 하여금 공진기만 사용해 주파수를 급속히 변경하는 '처핑(chirping)' 기법으로 작고 효율적인 라이다 시스템을 개발하게 했다고 말했다. 처핑은 주변 물체의 거리와 속도 측정을 모두 돕는다. 전체 시스템을 포토닉 집적 회로에 올릴 수 있어 비용을 더 줄일 수 있다.

여러 대학과 기업들도 미래 양자 디바이스 연구용으로 레이저 구성요소들을 구매하고 있다. 통신, 컴퓨팅 및 기타 애플리케이션용이다.

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