2023년 학회에서 광섬유 한 가닥으로 단일 모드 5 kW를 냈다는 발표가 나왔습니다. 네 해 뒤 2027년 학회 초록에는 같은 일을 10 kW로 해냈다는 제목이 올라와 있습니다. 숫자로는 두 배이지만, 그사이 연구자들이 붙잡고 씨름한 문제는 해마다 조금씩 달랐습니다.
이 글은 SPIE Photonics West 학회의 레이저 분야인 LASE 가운데 광섬유 레이저(fiber laser) 학회를 2022년부터 2027년까지 따라갑니다. 한 가닥의 출력을 묶는 한계, 광섬유 설계, 여러 빔을 하나로 모으는 일, 2 µm 대역, 짧은 펄스, 국방 쪽 수요가 각각 어디로 움직였는지 발표 번호와 함께 짚습니다.
여섯 해, 발표 431편
Fiber Lasers 학회의 발표는 2022년 65편, 2023년 62편, 2024년 86편, 2025년 65편, 2026년 68편, 2027년 85편으로 모두 431편입니다. 해마다 60~90편 사이를 오르내렸고, 한쪽으로 꾸준히 커지거나 줄어든 흐름은 없습니다.
자료에는 한계가 있습니다. 2022~2026년은 프로시딩에 원고나 녹화 발표가 올라가 DOI가 붙은 발표만 셌기 때문에, 원고 없이 구두로만 한 발표는 빠졌을 수 있습니다. 2027년은 학회가 열리기 전에 공개된 초록이라 실제 발표와 달라질 수 있습니다.
주제는 발표 제목에 든 낱말로 셌습니다. 제목에 mode instability나 TMI가 있으면 모드 불안정성 발표로 보는 식입니다. 초록까지 읽고 나누는 것보다 거칠지만, 여섯 해에 같은 잣대를 댈 수 있습니다.
칸마다 숫자가 작다는 점은 기억해 둘 만합니다. 한 해 65편 가운데 두 편만 늘어도 비율이 3%쯤 바뀝니다. 그래서 아래에서는 비율의 작은 오르내림보다 발표 내용이 어디로 옮겨 갔는지를 따라갑니다.
한 가닥의 벽: 열이 먼저, 그다음은 산란
광섬유 레이저는 가는 코어에 빛을 가두고 긴 거리를 지나게 하며 키웁니다. 센 빛이 좁은 길을 오래 지나가니 두 종류의 벽이 생깁니다. 하나는 열 때문에 빔 모양이 흔들리는 횡모드 불안정성(transverse mode instability, TMI)입니다.
다른 하나는 빛이 유리 속 떨림과 얽혀 에너지 일부가 다른 파장으로 옮겨 가는 산란입니다. 유도 브릴루앙 산란(stimulated Brillouin scattering, SBS)과 유도 라만 산란(stimulated Raman scattering, SRS)이 여기에 듭니다. 산란은 코어 속 빛의 세기가 높을수록, 빛이 함께 지나는 광섬유가 길수록 낮은 출력에서 시작됩니다. 두 벽의 원리는 「한 가닥의 한계 ②: 열과 모드 불안정성」과 「한 가닥의 한계 ①: 비선형 효과(SBS, SRS)」에 차근차근 풀어 두었습니다.
2023년은 TMI의 해라고 부를 만합니다. 제목에 TMI가 든 발표가 7편으로 여섯 해 가운데 가장 많았고, 모델을 실험값에 맞추는 일부터 편광 측정, 코어 크기와 문턱의 관계까지 다뤘습니다. 같은 해 고차 모드의 손실을 키운 이터븀 첨가 광섬유(ytterbium-doped fiber, YDF)는 TMI 없이 단일 모드 5 kW를 냈습니다. 이 발표에서 출력을 막은 것은 광섬유가 아니라 펌프 출력이었습니다(12400-1).
TMI를 늦추는 길은 크게 둘로 갈렸습니다. 하나는 열을 덜 만드는 쪽입니다. OFS는 2024년에 코어 유리의 열광학 계수를 낮춘 광섬유로 TMI 없는 5.2 kW 단일 모드를 냈습니다(3003763).
2025년에는 펌프 파장과 레이저 파장을 바짝 붙여 양자 결손(quantum defect)을 1.7%까지 낮춘 레이저가 나왔습니다. 펌프 빛과 레이저 빛의 에너지 차이가 열이 되니, 그 차이를 줄인 것입니다(3036943).
다른 하나는 빛이 광섬유 안에서 움직이는 방식을 바꾸는 쪽입니다. 다중 모드 증폭기에 넣는 빛을 맞춤으로 다듬어 원하는 출력 모양과 높은 TMI 문턱을 함께 얻는 계산이 2024년에 나왔습니다(3001019). 2025년에는 주파수가 조금 다른 두 모드로 움직이는 무늬를 만들어 모드 사이의 에너지 이동을 다스리는 방법이 나왔습니다(3042933). 2027년 초록에서는 영국 광전자연구센터(ORC)가 처음 넣는 모드만 바꿔도 TMI가 늦게 나타난다는 실험을 냅니다(14439-6).
그사이 출력은 꾸준히 올라갔습니다. IPG Photonics는 다이오드로 바로 펌핑하는 단일 모드 이터븀 광섬유 레이저로 2025년 7.2 kW, 2026년 8.2 kW를 보고했습니다(3043583, 3078267). 2027년 초록에서는 10 kW에 빔 품질(beam quality) 지표 M² 1.1을 내걸었습니다(14439-3).
숫자가 오르면서 함께 적는 값이 바뀌었습니다. IPG의 7.2 kW 발표는 SRS 빛과 신호 빛의 비를 약 -35 dB로 적었고, 8.2 kW 발표는 제목에 -40 dB 아래라는 조건을 넣었습니다. 같은 2025년, 선폭이 좁은 증폭기로 5.04 kW를 낸 발표는 다음 한계로 SRS와 스펙트럼 넓어짐을 들었습니다(3043499).
2027년에는 이 흐름이 더 또렷합니다. 제목에 브릴루앙이나 라만이 든 발표가 11편으로 여섯 해 가운데 가장 많습니다. Fujikura와 Kawasaki Heavy Industries는 SRS로 생긴 빛을 걸러 내는 광밴드갭 광섬유로 10 kW급 빛을 5 m 넘게 보냈습니다(14439-2).
두 벽이 따로 놀지 않는다는 점도 드러났습니다. 2023년에 이미 브릴루앙 불안정과 TMI가 함께 있을 때의 출력 문턱을 따진 발표가 있었습니다(12400-64). 2027년 초록에서 ORC는 선폭이 아주 좁은 증폭기에서 거꾸로 가는 SBS가 낮은 출력에서도 TMI를 부른다는 결과를 냅니다(14439-50). 여섯 해를 이어 보면 열이 먼저 문제였고, 출력이 오른 뒤에는 산란과 전송이 함께 앞에 섰다고 읽을 수 있습니다.
광섬유 설계: 겹을 더하고, 코어를 나누고, 걸러 내기
설계 쪽 발표는 한 방향으로 모이지 않았습니다. 그래도 여섯 해를 늘어놓으면 세 갈래가 보입니다.
첫째는 유리와 구조를 다듬어 한 코어로 더 버티는 길입니다. 2023년 YOFC는 코어를 크게 키우고 클래딩을 세 겹으로 둔 이터븀 광섬유로 10 kW 넘는 출력을 내고, 10 kW급에서 500시간 동안 출력 저하를 1% 아래로 지켰습니다(12400-4). 펌프 빛이 지나는 겹을 둔 이중 클래드 광섬유(double-clad fiber)에 한 겹을 더한 구조입니다. 다만 초록에는 이 출력이 단일 모드인지가 없어서, 글머리의 단일 모드 5 kW·10 kW와 같은 줄에 놓고 견줄 수는 없습니다.
실리카 대신 YAG 같은 결정으로 광섬유를 만들면 SBS·TMI 문턱이 오를 수 있다는 계산도 2023년과 2024년에 이어졌습니다(12400-65, 2691020).
둘째는 코어를 여러 개로 나누는 길입니다. 예나대학과 Fraunhofer IOF 쪽은 코어 49개를 7x7로 늘어놓은 막대형 광섬유를 시험했습니다. 2023년에는 펨토초 펄스로 평균 1 kW를 넘겼고, 2024년에는 100 mJ급 나노초 펄스를 뽑았습니다(12400-33, 3002542). 2025년에는 49코어 광섬유의 빛을 위상을 맞춰 합친 초고속 레이저가 평균 261 W, 1.75 mJ를 냈습니다(3042785).
셋째는 원하지 않는 빛을 광섬유 구조로 걸러 내는 길입니다. 앞에서 본 Fujikura의 광밴드갭 광섬유는 신호는 통과시키고 라만 빛은 막도록 짠 전고체 구조입니다(14439-71). Technologies Luqia는 SBS와 TMI를 함께 막도록 설계한 편광 유지 광섬유(polarization-maintaining fiber)로 선폭이 좁은 증폭기를 만들었습니다(14439-51).
다중 모드 광섬유를 일부러 쓰는 연구도 눈에 띕니다. 애들레이드대학과 호주 국방과학기술그룹(DST) 등은 홀뮴 다중 모드 증폭기에 넣는 빛의 파면을 다듬어 얼룩덜룩한 출력을 한 점으로 모았습니다(2687927). 예일대학 쪽은 모드가 약 76개인 증폭기에서 초점이 맺힌 출력과 높은 SBS 문턱을 함께 얻었습니다(3001018). 2027년에는 Baylor 대학이 미세구조 광섬유의 모드 특성을 기계학습으로 빠르게 내다보는 발표를 냅니다(14439-69).
광섬유가 빛을 가두는 방식과 펌프 빛이 들어가는 길은 「이중 클래드 광섬유와 펌프 빛 넣기」에서 그림으로 볼 수 있습니다.
빔 결합: 수는 그대로, 무게중심은 이동
한 가닥에 한계가 있으면 여러 가닥의 빛을 합치는 길이 남습니다. 이것이 빔 결합(beam combining)입니다. 위상을 맞춰 합치는 결맞음 빔 결합(coherent beam combining, CBC)과 파장을 조금씩 달리해 한 빔으로 겹치는 분광 빔 결합(spectral beam combining, SBC)이 대표적입니다. 위상도 파장도 맞추지 않고 나란히 모으는 비간섭성 빔 결합(incoherent beam combining, IBC)도 있습니다.
LASE의 다섯 학회 제목을 모두 세면 빔 결합 발표는 2022년 10편, 2023~2026년 6편씩, 2027년 10편입니다. 수는 크게 변하지 않았지만 나오는 자리는 달라졌습니다. 2022년에는 10편 가운데 7편이 광섬유 학회 밖, 주로 다이오드와 부품 학회에서 나왔습니다. 2027년에는 10편 가운데 7편이 Fiber Lasers 학회 안에 있습니다.
왜 광섬유 학회 안으로 모였는지는 초록만으로 알 수 없습니다. 2022년 학회 밖 발표에는 다이오드 밝기를 올리는 파장 결합이 많았고, 뒤로 갈수록 광섬유 증폭기 여러 대를 어떻게 묶고 제어할지, 체계에서 어느 방식이 나은지를 묻는 발표가 늘었습니다. 결합이 광원을 다듬는 기술에서 고출력 체계의 뼈대로 무게를 옮겼다고 읽을 수 있습니다.
2022~2023년의 결맞음 결합은 주로 초고속 펄스 쪽이었습니다. 예나 쪽 다중 코어 광섬유 시스템은 결합과 압축을 거쳐 평균 507 W를 냈습니다(11981-21). 툴륨 광섬유 증폭기를 결합한 시스템은 평균 188 W, 1.86 mJ, 84 fs 펄스를 얻었습니다(12400-13). 간섭 무늬에서 위상을 빠르게 읽어 내려고 딥러닝을 쓰는 발표도 이때 나왔습니다(12400-11).
2024년부터는 규모가 큰 이야기가 섞입니다. Fraunhofer IOF는 각각 800 W 넘는 툴륨 광섬유 증폭기 세 대를 분광 결합해 1.91 kW를 냈고, Rheinmetall과 함께 낸 발표에서는 고출력용 20 kW 분광 결합기를 예로 들었습니다(3001640, 3001748). 2025년 프랑스 ONERA 쪽은 광섬유 증폭기 7대를 1 km 떨어진 곳에서 되돌아온 빛으로 결합하면서 위상과 함께 빔마다 기울기까지 맞췄습니다(3043264).
2026년에는 무기 체계 분석이 Fiber Lasers 학회에 올라왔습니다. Lockheed Martin은 100 kW급 레이저 무기에서 광섬유 CBC와 SBC를 같은 조건으로 계산해 견줬습니다(3080121). 2027년 초록에서는 미시간대학이 타일처럼 늘어놓은 빔의 결합 효율을 거의 100%로 올린다는 '결맞음 빔 쌓기'를 내놓습니다(14439-5). Fraunhofer IOF와 예나대학은 아날로그 회로만으로 위상을 제어해 값을 낮추려 합니다(14439-59).
세 갈래가 어떻게 다른지는 「빔 결합이 필요한 이유와 세 가지 방법」, 위상을 맞춘다는 말의 뜻은 「결맞음 빔 결합의 원리: 공개 리뷰 논문으로 읽기」에 있습니다.
2 µm 대역: 툴륨과 홀뮴
툴륨(Tm)과 홀뮴(Ho)을 넣은 광섬유는 2 µm 대역의 빛을 냅니다. 제목에 툴륨·홀뮴이나 2 µm가 든 발표는 2022년 6편에서 2023년 13편, 2024년 20편으로 늘었습니다. 2024년에는 Fiber Lasers 발표 네 편 가운데 한 편 가까이가 이 대역이었고, 그 뒤로도 해마다 10~16편이 나왔습니다.
이 대역의 출력에는 오래된 벽이 있었습니다. 2024년 Fraunhofer IOF의 발표는 툴륨 광섬유 증폭기가 10년 넘게 평균 1 kW 안팎에 머물렀다는 데서 출발해, 앞에서 본 세 대의 분광 결합으로 1.91 kW를 냈습니다. 한 가닥 쪽도 움직였습니다. 2025년에는 2036 nm 연속파 680 W를 낸 전광섬유 툴륨 레이저가 나왔습니다(3040359).
2026년에는 한 툴륨 광섬유 레이저가 준연속파로 첨두 1142 W, 연속파로 770 W를 냈습니다(3078840). 같은 해 툴륨 광섬유에 가까운 파장의 빛을 넣는 대역 내 펌핑 방식은 평균 627 W와 펄스 에너지(pulse energy) 5 mJ를 함께 보였습니다(3080334).
쓰임새가 넓다는 점도 눈에 띕니다. 2023년에는 차세대 중력파 검출기에 쓸 고안정 2 µm 증폭기가 나왔습니다(12400-18). 2027년에는 극자외선(EUV) 광원을 만드는 데 쓸 툴륨 레이저(14439-12)가 있습니다. 홀뮴 광섬유로 2080 nm 단일 주파수 1.1 mJ 펄스를 내 결맞음 라이다(lidar)를 겨냥한 광원도 있습니다(14439-18).
파장은 2 µm에서 멈추지 않습니다. 라발대학 쪽은 다이오드로 펌핑하는 전광섬유 레이저로 3~3.5 µm 대역에서 20 W까지 냈습니다(14439-84). 파장마다 무엇이 달라지는지는 「파장은 왜 중요한가」에서 먼저 보면 좋습니다.
펄스와 초고속: 늘 한자리
제목에 펨토초, 피코초, 초고속, 모드 잠금 같은 낱말이 든 발표는 해마다 8~12편이었습니다. 다섯 주제 가운데 해마다 가장 고르게 10편 안팎을 지킨 갈래입니다. 펄스를 늘였다가 키운 뒤 다시 줄이는 처프 펄스 증폭(chirped pulse amplification, CPA)이 이 갈래의 바탕입니다.
이 갈래의 큰 물음은 평균 출력과 펄스 에너지를 함께 키우는 일입니다. 2023년 예나대학 등은 툴륨 초고속 레이저의 펄스를 더 짧게 압축해 1.87 µm에서 평균 132 W, 1.3 mJ를 얻었습니다. 펄스 길이는 빛이 두 번 출렁이는 시간보다 짧았습니다(12400-40).
한계를 재는 연구도 있습니다. 2025년 Clemson 대학과 미 육군 우주·미사일 방어 사령부는 짧은 펄스 단일 모드 광섬유 증폭기에서 펄스 에너지를 어디까지 뽑을 수 있는지 살폈습니다. 펄스 길이와 광섬유 길이를 바꿔도 한계는 1.2~2 mJ 사이에서 일어난 광섬유 퓨즈(fiber fuse)라는 손상이었습니다(3038763).
2027년 초록에서는 미시간대학과 로런스 버클리 국립연구소가 공간과 시간 두 방향의 결맞음 결합으로 펨토초 광섬유 레이저의 펄스 에너지 기록을 냈다는 제목을 올렸습니다(14439-26). Coherent는 반복률 18 GHz 펨토초 광섬유 레이저를 361 W까지 키웠습니다(14439-49). 펄스를 만드는 두 방법은 「Q-스위칭과 모드 잠금」에 정리되어 있습니다.
국방·고출력 쪽: 출력보다 조건
Fiber Lasers 학회 발표의 대부분은 무기가 아니라 광원과 부품 이야기입니다. 그래도 국방과 닿는 발표를 모아 보면 공통점이 있습니다. 출력 숫자 못지않게 열을 어떻게 빼는지, 얼마나 빨리 켜지는지, 냉각수를 쓸 수 있는지가 자주 나옵니다.
2026년에는 지향성 에너지 체계를 염두에 둔 열 관리 발표가 있었습니다. 단상 냉각, 2상 냉각, 열 저장을 견주며 2상 냉각의 이점을 보였습니다(3077838). 펌프 다이오드의 발전을 돌아본 다른 발표는 차세대 지향성 에너지용 고출력 레이저가 물 냉각에서 벗어나 수동 냉각 쪽을 찾는다고 짚었습니다(3082400).
2027년 초록에서 Lockheed Martin Aculight는 50 kW급 SBC 지향성 에너지 광원에 들어갈 광섬유 채널을 더 단순한 발진-증폭 구조로 짰습니다(14439-4). 다이오드 학회에서는 TRUMPF Photonics가 대드론 방어용 광섬유 레이저를 빨리 켜기 위해 넓은 온도와 전류 범위에서 파장이 고정되는 펌프를 냅니다(14442-3). 고에너지 레이저(high-energy laser, HEL)에서 광원은 체계의 한 부분이고, 나머지 부분은 「레이저 무기는 레이저만으로 되지 않는다」와 「냉각과 열 관리」에 이어집니다.
공개 초록에서 볼 수 있는 것은 방향까지입니다. 초록은 성능 목표나 쓰는 조건을 자세히 밝히지 않고, 업체 발표의 숫자는 그 회사가 내놓은 값입니다.
자료를 읽을 때 알아 둘 것
이 글의 발표 수는 DOI가 있는 프로시딩과 학회 전 초록에서 나왔습니다. 원고를 내지 않은 구두 발표는 빠졌을 수 있고, 2027년 초록의 숫자는 실제 발표에서 바뀔 수 있습니다.
주제 비율은 제목 낱말로 나눈 이 사이트의 분류입니다. 제목에 낱말이 없으면 내용이 그 주제여도 세지 않았기 때문에, 실제보다 적게 잡혔을 수 있습니다.
그림과 본문의 출력 값은 기관마다 광섬유와 시험 조건이 다릅니다. 줄을 세워 누가 앞섰는지 가리는 데 쓰면 안 되고, 해마다 어떤 값이 발표되었는지 보는 데만 씁니다.
다음에 읽을 글
- 「학회로 본 고출력 반도체 레이저(펌프 LD) 흐름 2022~2027」: 이 글의 출력 기록 뒤에 있는 펌프 다이오드가 같은 여섯 해 동안 무엇을 좇았는지 이어 갑니다.
- 「한 가닥의 한계 ②: 열과 모드 불안정성」: TMI가 왜 출력을 묶는지 원리부터 봅니다.
- 「빔 결합이 필요한 이유와 세 가지 방법」: 학회 발표의 CBC·SBC·IBC가 어떻게 다른지 먼저 짚습니다.