레이저는 1960년대 이래 세계에 혁명을 가져왔으며, 이제는 최첨단 수술과 정밀 제조부터 광섬유 데이터 전송에 이르기까지 다양한 현대적 응용 분야에 없어서는 안 될 도구가 되었습니다.
하지만 레이저 응용 분야에 대한 수요가 증가함에 따라 과제도 증가합니다. 예를 들어, 현재 주로 산업용 절단, 용접 및 마킹 응용 분야에서 사용되는 파이버 레이저에 대한 시장이 성장하고 있습니다.
파이버 레이저는 희토류 원소(에르븀, 이터븀, 네오디뮴 등)로 도핑된 광섬유를 광 이득 소스(레이저 광을 생성하는 부분)로 사용합니다. 파이버 레이저는 높은 출력 전력, 높은 효율성, 낮은 유지 관리, 내구성을 갖춘 고품질 빔을 방출하며 일반적으로 가스 레이저보다 작습니다. 파이버 레이저는 또한 낮은 위상 잡음의 "골드 스탠다드"로, 이는 빔이 장기간 안정될 수 있음을 의미합니다.
그럼에도 불구하고 칩 스케일 파이버 레이저의 소형화에 대한 수요가 증가하고 있습니다. 에르븀 기반 파이버 레이저는 레이저의 코히어런스와 안정성을 높게 유지하기 위한 모든 요구 사항을 충족하기 때문에 특히 관심을 받고 있습니다. 그러나 소형 파이버 레이저의 경우 작은 스케일에서 파이버 레이저의 성능을 유지하는 방법이 과제였습니다.
이제 EPFL의 Yang Liu 박사와 Tobias Kippenberg 교수가 이끄는 과학자들은 파이버 레이저에 가까운 성능을 가진 최초의 칩 통합 에르븀 도핑 도파관 레이저를 제작했으며, 광범위한 파장 조정성과 칩 스케일 광자 통합의 유용성을 결합했습니다. 이 연구는 Nature Photonics에 게재되었습니다.
칩 스케일 레이저 구축
연구자들은 최첨단 제조 공정을 사용하여 칩 스케일 에르븀 레이저를 개발했습니다. 그들은 먼저 초저손실 실리콘 질화물 광자 집적 회로를 기반으로 1m 길이의 온칩 광 공동(광 피드백을 제공하는 거울 세트)을 구성했습니다.
양 류 박사는 "칩 크기가 작음에도 불구하고, 이러한 마이크로비아 공진기를 통합하여 레이저 캐비티를 1m 길이로 설계할 수 있었습니다. 이는 장치를 물리적으로 확대하지 않고도 광학 경로를 효과적으로 확장합니다."라고 말했습니다.
그런 다음 팀은 회로에 고농도의 에르븀 이온을 이식하여 레이저에 필요한 활성 이득 매질을 선택적으로 생성했습니다. 마지막으로, 그들은 회로를 III-V 그룹 반도체 펌핑 레이저와 통합하여 에르븀 이온을 여기시켜 빛을 방출하고 레이저 빔을 생성했습니다.
레이저의 성능을 개선하고 정확한 파장 제어를 달성하기 위해 연구진은 특정 광학 주파수를 선택할 수 있는 광학 필터인 미세다공성 버니어 기반 필터를 특징으로 하는 혁신적인 공동 내 설계를 고안했습니다.
이 필터는 광범위한 파장에 걸쳐 레이저 파장을 동적으로 조정할 수 있어 다재다능하고 다양한 응용 분야에 적합합니다. 이 설계는 50Hz에 불과한 놀라울 정도로 좁은 내부 선폭을 가진 안정적인 단일 모드 레이저를 지원합니다.
또한 레이저가 다른 주파수의 강도를 최소화하면서 단일 안정된 주파수에서 빛을 방출할 수 있는 상당한 사이드 모드 억제 기능이 있습니다("사이드 모드"). 이를 통해 고정밀 애플리케이션을 위해 전체 스펙트럼 범위에서 "깨끗하고" 안정적인 출력이 보장됩니다.
에르븀이 첨가된 광자 집적 회로를 기반으로 한 하이브리드 집적 레이저의 광학적 이미지는 파이버 레이저의 코히어런스와 이전에는 달성할 수 없었던 주파수 조정성을 제공합니다.
파워, 정밀성, 안정성 및 저소음
칩 스케일 에르븀 파이버 레이저는 출력 전력이 10mW가 넘고 사이드 모드 제거율이 70dB가 넘습니다. 이는 많은 기존 시스템보다 뛰어납니다.
또한 선폭이 매우 좁기 때문에 방출되는 빛이 매우 순수하고 안정적입니다. 이는 감지, 자이로스코프, LIDAR 및 광 주파수 계측과 같은 코히어런트 응용 분야에 중요합니다.
마이크로 조리개 기반 버니어 필터는 레이저가 C 대역과 L 대역(통신에 사용되는 파장 범위)에서 모두 40nm의 넓은 파장 조정성을 가질 수 있게 함으로써 조정 및 낮은 스펙트럼 스파이크 측정('스파이크'는 원치 않는 주파수) 측면에서 기존 파이버 레이저보다 성능이 뛰어나며, 동시에 현재 반도체 제조 공정과도 호환됩니다.
차세대 레이저
에르븀 파이버 레이저를 소형화하고 칩 스케일 장치에 통합하면 전체 비용이 줄어들어 통신, 의료 진단, 가전 제품 분야에서 휴대형 고집적 시스템에 사용할 수 있습니다.
또한 LIDAR, 마이크로파 광자공학, 광 주파수 합성, 자유 공간 통신 등 다양한 다른 응용 분야에 사용할 수 있는 광학 기술의 규모를 줄일 수도 있습니다.
