ICT/융합

탐지효율 90% 초과하는 단일 광자 탐지기의 산업화 추진

발행일 : 2019 / 09 / 11

최근 중국과학원 상하이마이크로시스템·정보기술연구소 유리싱(尤立星) 연구팀이 자체로 개발한 단일 광자탐지기는 탐지효율이 90% 이상에 달하는 성과를 거두었고 이에 따른 산업화 과정이 추진 중에 있다. 연구팀이 개발한 저온 초전도 나노와이어 단일 광자 탐지기(SNSPD) 기술은 빛에 민감한 초전도 나노재료의 특성을 이용해 단일 광자를 탐지한다. SNSPD 핵심기술을 보유하기 전 중국 양자통신 시험에 사용된 단일 광자 탐지기의 효율은 20% 밖에 안 되었고 잡음이 큰 단점으로 세계 최고 수준과 거리가 멀었다.

SNSPD시스템의 실용성 및 신뢰성을 확보하기 위해 연구팀은 신형 회로구조 개발을 통해 시스템의 안정성과 신뢰성을 향상시켰다. 또한 응용환경을 실험실환경에서 실제 현장환경에로 확장시켰다. SNSPD시스템은 기계냉각기술에 기반해 플러그 앤 플레이를 실현함으로써 국외 동일 유형 단일 광자 탐지기에 비해 사용자 친화 성능을 대폭 향상시켰을 뿐만 아니라 응용원가를 뚜렷이 낮추어 양호한 보급가치를 보유한다.

2013년에 미국이 규화텅스텐(WSi) 재료를 사용해 개발한 SNSPD 탐지효율은 최대 93%에 도달했다. 그 당시 중국이 질화니오븀(NbN) 재료로 개발한 SNSPD 탐지효율은 4% 밖에 안 되었다. WSi 재료로 제조한 장치는 NbN에 비해 더 낮은 작업온도를 요구하기에 저온 냉각장비 원가도 배로 증가한다. 연구팀은 NbN 재료를 사용한 SNSPD 개발을 견지해 2016년에 세계 최초로 NbN SNSPD 장치의 광섬유 통신 1,550 나노파장 탐지효율을 90% 이상에 도달시켰다. 연구팀은 그 이후로 NbN SNSPD 장치효율의 세계기록을 지속적으로 유지했다.

뿐만 아니라 잡음의 근원을 파악한 토대에서 온칩(on-chip) 집적 저온 필터, 광섬유 말단면(end face) 저온 필터 등 2종 다크카운트(Dark Count) 억제 핵심기술을 개발했다. 해당 방법을 사용한 초저다크카운트 SNSPD시스템은 다크카운트 1Hz 조건에서 80%에 달하는 탐지효율에 도달할 수 있는 세계 최고 수준에 도달했다. 해당 기술은 현재 중국, 미국, 일본 등 3개국의 특허를 획득했다.

SNSPD가 보유하고 있는 효율 등 성능 분야에서의 절대적 우위는 양자통신, 광양자컴퓨팅, 레이저레이더, 심우주통신 등 여러 분야로의 확장응용을 촉진할 수 있다. 상하이마이크로시스템·정보기술연구소는 국가 수요를 만족시키고 시장화 방식을 통한 첨단기술의 자아생존 및 세대교체를 달성하며 과학연구와 산업 간 교량 구축을 목표로 SNSPD기술의 산업화를 추진 중에 있다.