개요 레이저는 1960년대 이후 세계에 혁명을 일으켰으며 이제 최첨단 수술 및 정밀 제조부터 광섬유 데이터 전송에 이르기까지 현대 응용 분야에서 없어서는 안 될 도구입니다. 그러나 레이저 응용 분야에 대한 수요가 증가함에 따라 과제도 발생합니다. 예를 들어, 파이버 레이저 시장은 확대되고 있으며 현재 주로 산업용 절단, 용접 및 마킹 응용 분야에 사용되고 있습니다. 파이버 레이저는 희토류 원소(에르븀, 이테르븀, 네오디뮴 등)가 도핑된 광섬유를 광 이득 매체로 사용합니다. 파이버 레이저는 고품질 빔, 고출력, 고효율, 낮은 유지 관리 비용 및 내구성을 제공하며 일반적으로 가스 레이저보다 크기가 작습니다. 파이버 레이저는 낮은 위상 노이즈에 대한 "최적 표준"이기도 하며, 이는 해당 빔이 오랫동안 안정적으로 유지될 수 있음을 의미합니다. 그럼에도 불구하고, 칩 규모의 파이버 레이저의 소형화에 대한 요구가 커지고 있습니다. 에르븀 기반 파이버 레이저는 레이저의 높은 일관성과 안정성을 유지하기 위한 모든 요구 사항을 충족하기 때문에 특히 관심을 끌고 있습니다. 그러나 파이버 레이저의 성능을 소규모로 유지하는 방법은 파이버 레이저의 소형화를 위한 항상 과제였습니다.
이제 EPFL의 Yang Liu 박사와 Tobias Kippenberg 교수가 이끄는 과학자 팀은 넓은 파장 조정 가능성과 칩 규모 광자의 실용성을 결합하면서 파이버 레이저의 성능에 접근하는 최초의 칩 통합 에르븀 도핑 도파관 레이저를 만들었습니다. 완성. 이 연구는 Nature Photonics에 게재되었습니다.
파이버 레이저 일관성과 이전에는 달성할 수 없었던 주파수 조정성을 제공하는 질화규소 광자 통합 칩을 기반으로 완전히 패키지된 하이브리드 통합 에르븀 레이저 이미지. 출처: Andrea Bancora 및 Yang Liu(EPFL).
칩 규모의 레이저 제작
연구진은 최첨단 제조 공정을 사용하여 칩 규모의 에르븀 레이저를 개발했습니다. 그들은 먼저 초저손실 실리콘 질화물 광자 통합 칩에 1미터 길이의 온칩 광학 캐비티(광학 피드백을 제공하는 미러 세트)를 구축했습니다. "칩의 작은 크기에도 불구하고 장치를 물리적으로 확대하지 않고도 광학 경로를 효과적으로 확장하는 미세 구멍 공진기의 통합 덕분에 레이저 공동을 1미터 길이로 설계할 수 있었습니다."라고 Dr. 양 리우. 그런 다음 팀은 칩에 고농도의 에르븀 이온을 주입하여 레이저 발생에 필요한 활성 이득 매질을 선택적으로 생성했습니다. 마지막으로 그들은 에르븀 이온을 여기시키기 위해 III-V 반도체 펌프 레이저와 회로를 통합하여 빛을 방출하고 레이저 빔을 생성했습니다.
그림 1: 하이브리드 통합 Er:Si3N4 레이저. 출처: Yang Liu, Zheru Qiu, Xinru Ji 등, "완전 하이브리드 통합 에르븀 기반 레이저", Nature Photonics(2024). 레이저 성능을 개선하고 정밀한 파장 제어를 가능하게 하기 위해 연구진은 특정 광 주파수를 선택할 수 있는 광학 필터인 마이크로포어 기반 버니어 필터를 사용하여 혁신적인 공동 내 설계를 고안했습니다. 이 필터는 넓은 범위에 걸쳐 레이저 파장을 동적으로 조정할 수 있으므로 다양한 용도에 적합하고 다재다능합니다. 이 설계는 고유 선폭이 50Hz에 불과한 안정적인 단일 모드 레이저를 지원합니다.
또한 측면 모드 억제 기능도 뛰어납니다. 즉, 레이저는 안정적인 단일 주파수에서 빛을 방출하는 동시에 다른 주파수의 강도를 최소화할 수 있습니다("측면 모드"). 이는 고정밀 응용 분야의 전체 스펙트럼 범위에 걸쳐 "깨끗하고" 안정적인 출력을 보장합니다.
그림 2: 단일 모드 레이징에서 작동하는 하이브리드 통합 Er:Si3N4vernier 레이저. 출처: Yang Liu, Zheru Qiu, Xinru Ji 외, "완전 하이브리드 통합 에르븀 기반 레이저", Nature Photonics(2024). 전력, 정밀도, 안정성 및 저잡음 칩 규모의 에르븀 광섬유 레이저는 10mW 이상의 출력 전력과 70dB 이상의 사이드 모드 억제율을 가지며 이는 많은 기존 시스템보다 우수합니다. 또한 선폭이 매우 좁기 때문에 방출하는 빛이 매우 순수하고 안정적이며 감지, 자이로스코프, LiDAR 및 광주파수 계측과 같은 일관된 응용 분야에 중요합니다. 마이크로홀 기반 버니어 필터는 레이저에 C 대역과 L 대역(통신에 사용되는 파장 범위)에서 40 nm의 넓은 파장 조정 가능성을 제공하여 조정 및 낮은 스펙트럼 스퍼("스퍼"는 원치 않는 주파수임)에서 기존 파이버 레이저를 능가합니다. ) 현재의 반도체 제조 공정과의 호환성을 유지합니다.
그림 3: 레이저 파장의 광대역 튜닝 시연. 출처: Yang Liu, Zheru Qiu, Xinru Ji 등, "완전 하이브리드 통합 에르븀 기반 레이저", Nature Photonics(2024). 차세대 레이저
에르븀 파이버 레이저를 소형화하고 칩 규모 장치에 통합하면 전체 비용을 절감할 수 있으므로 통신, 의료 진단 및 소비자 전자 제품의 휴대용 고집적 시스템에 유용할 수 있습니다.
그림 4: 완전 하이브리드 통합 레이저 잡음 특성화 및 EDWL. 출처: Yang Liu, Zheru Qiu, Xinru Ji 외, "완전 하이브리드 통합 에르븀 기반 레이저", Nature Photonics(2024). 또한 LIDAR, 마이크로파 포토닉스, 광 주파수 합성 및 자유 공간 통신과 같은 다양한 다른 응용 분야를 위해 광학 기술을 축소할 수도 있습니다. Yang Liu 박사는 "이 새로운 에르븀 첨가 통합 레이저의 응용 분야는 사실상 무한합니다."라고 말합니다.
