레이저 혁신: 조정 가능한 반도체 링 기술

비엔나 공과대학(TU Wien)과 하버드 존 A. 폴슨 공학 및 응용과학 학교(SEAS)의 과학자 팀이 조정 가능한 반도체 링 레이저를 제작하는 새로운 방법을 공개했습니다. 이 첨단 레이저는 고출력 통신, 보다 진보된 안전 시스템 등 다양한 분야에 활용될 잠재력을 가지고 있습니다. 알아야 할 내용은 다음과 같습니다.

조정 가능한 레이저의 유형 및 장점

테오도어 H. 마이만이 합성 루비 막대를 사용해 최초의 레이저를 시연한 지 겨우 6년 후, 연구자들은 조정 가능한 레이저에 대한 연구를 시작했습니다. 고정 파장의 기존 레이저와 달리, 다양한 파장에서 빛을 방출하도록 설정할 수 있어 광통신 및 현미경과 같은 정밀 응용 분야에 이상적입니다. 따라서 조정 가능한 레이저는 오늘날 첨단 및 의료 분야의 핵심 구성 요소가 되었습니다.

조정 가능한 레이저 카테고리: 가스, 섬유, OPO 및 반도체

오늘날에는 가스 레이저, 섬유 레이저, 광파라메트릭 발진기(OPO) 및 반도체 레이저 등 다양한 종류의 조정 가능한 레이저가 있습니다. 조정 가능한 반도체 레이저는 많은 사람들에게 가장 진보된 옵션으로 여겨집니다. 이 레이저는 컴팩트한 형태를 제공하고, 넓은 파장 범위를 지원하며, 충분한 출력을 제공합니다.

조정 가능한 레이저의 단점

조정 가능한 레이저 기술은 능력에서 큰 도약을 이루었습니다. 그러나 여전히 기술이 최대 잠재력에 도달하는 것을 방해하는 여러 제한이 존재합니다. 예를 들어, 넓은 파장 범위를 가진 조정 가능한 레이저는 종종 정밀도가 낮습니다. 또한, 이러한 장치의 제조 비용과 전반적인 취약성도 발전을 가로막는 장애물로 인식되고 있습니다.

반도체 레이저 조정 방법

반도체 레이저를 제작하고 조정하는 주요 방법은 두 가지입니다. 첫 번째 방법은 레이저 능선에 정밀 격자를 추가하는 것이었습니다. 이 격자는 나노 규모에서 정확한 각도로 절단되어 주파수 선택적인 광 피드백을 생성합니다. 이 설정을 통해 엔지니어는 레이저 전류를 조절하여 특정 파장을 증폭하고 다른 파장의 간섭을 감소시킬 수 있습니다.

출처 – Military Aerospace

두 번째 방법은 외부 캐비티를 이용해 반도체 레이저를 조정하는 것입니다. 이 구성에서는 회전하는 회절 격자가 정확한 파장을 캐비티로 반사합니다. 파장을 레이저로 변환하는 캐비티는 회전시켜 조정할 수 있습니다.

오늘날 반도체 레이저의 문제점

반도체 레이저 분야에는 엔지니어들이 수년간 극복하려 노력해 온 몇 가지 단점이 있습니다. 첫째, 정밀도와 범위 능력 사이의 균형이 여전히 문제입니다. 지금까지는 매우 정밀한 장치와 다양한 파장을 충분히 커버하는 장치 중 하나만 선택할 수 있었습니다.

반도체 레이저의 또 다른 문제는 온도가 상승함에 따라 성능이 크게 저하된다는 점입니다. 레이저가 뜨거워지면 출력과 효율이 감소하고 손상될 수도 있습니다. 따라서 넓은 스펙트럼에서 장기간 연속적인 홉 없는 조정을 달성하는 것이 불가능했습니다.

반도체 링 레이저 연구

이러한 제한을 인식한 하버드 엔지니어와 다른 권위 있는 기관의 과학자들은 최초의 광범위하고 고정밀 반도체 레이저를 만들기 위해 나섰습니다. 그들은 이 과정을 과학 저널 Optica에 게재된 연구 “Continuously and widely tunable semiconductor ring lasers“에 기록했습니다.

이 논문은 링-배열 양자 카스케이드 레이저(QCL) 구조를 활용하여 부드러운 조정성을 제공하고 확장된 스펙트럼 범위를 지원하는 새로운 유형의 조정 가능한 반도체 레이저에 대한 연구를 공개합니다. 특히, 양자 카스케이드 레이저는 원외 적외선 스펙트럼에서 빔을 생성하는 반도체 레이저입니다.

링 QCL 설계: 독립적, 주소 지정 가능한 배열

팀은 여러 개의 작고 독립적으로 주소 지정 가능한 링 QCL을 제작하는 것으로 작업을 시작했습니다. 특히, 링 레이저는 동일한 편광을 가진 두 개의 빛 빔을 특징으로 합니다. 이 빔들은 거울에 의해 만들어진 폐쇄 루프를 따라 반대 방향으로 향합니다. 이 접근 방식은 미세한 움직임을 정확하게 측정할 수 있게 해줍니다. 따라서 링 레이저는 항법 시스템에서 자이로스코프로 흔히 사용됩니다.

이 경우, 과학자는 양자 카스케이드 레이저 활성 물질과 건식 식각 공정을 사용해 링 레이저를 제작했습니다. 또한 각 링에는 전기 접점과 버스 웨이브가이드가 추가되었습니다. 엔지니어들은 이 접근 방식이 성능을 향상시키고 버스 웨이브가이드의 광 손실을 감소시킨다고 언급했습니다.

각 링은 서로 다른 반경을 갖도록 설계되었습니다. 다양한 크기의 링을 사용함으로써 각 공간마다 고유한 발광 주파수를 만들었습니다. 이 접근 방식은 엔지니어가 각 링을 별도로 조정하면서 발광 감소 없이 조정할 수 있게 했습니다.

링 커플러를 이용한 단일 모드 방출 달성

이 독특한 접근 방식은 엔지니어가 여러 링을 함께 사용해 특정 출력과 파장을 생성하도록 했습니다. 시스템은 각 링의 빔을 레이저의 직선 구간을 따라 존재하는 에반에센트 방향성 커플러를 통해 단일 웨이브가이드로 결합할 수 있게 했습니다. 특히, 방향성 커플러는 빛이 한 방향으로만 전파되도록 하여 이득 격자를 방지했습니다.

면 기반 설계를 통한 웨이브가이드 방출

팀은 레이저가 독특한 빛 방출 방식을 사용한다고 언급했습니다. 이 시스템은 버스 웨이브가이드를 통과하는 면 방출 방식을 기반으로 합니다. 웨이브가이드는 실온에서 필요에 따라 레이저 주파수를 조정하고 증폭하는 데 사용될 수 있습니다.

모듈식 링 레이저 설계가 확장성을 가능하게 함

이 레이저 구성의 모듈식 설계는 엔지니어가 필요에 따라 확장할 수 있음을 의미합니다. 또한, 링 레이저는 동시에 작동하거나 단일 링 모드로 운영될 수 있습니다. 따라서 레이저를 결합하면 더 강하고 강렬한 빔을 생성하여 특정 첨단 응용 분야에 이상적입니다.

반도체 링 레이저 테스트

엔지니어들은 TU Wien의 마이크로·나노구조 센터 클린룸 시설에서 이론을 테스트하기 시작했습니다. 여기서 그들은 각각 다른 반경을 가진 5개의 링을 갖는 발광 장치를 제작했습니다. 구체적으로, 링 크기는 220~260 µm 사이였습니다.

제작이 완료된 후, 팀은 다양한 레이저 설정과 파장을 테스트했습니다. 한 사례에서는 세 개의 서로 다른 링의 조정 범위를 결합해 넓은 대역폭에서 모드 홉 없는 조정을 시험했습니다.

반도체 링 레이저 테스트 결과

시험 결과는 엔지니어들의 모델을 입증했습니다. 팀은 단일 링 QCL이 실온에서 연속파 동작 시 최대 0.5 mW 빔을 방출할 수 있다고 언급했습니다. 또한, 레이저 팩셋에 강한 광 주입이 가해져도 레이저 칩이 안정적인 파장 출력을 유지함을 확인했습니다. 이러한 시험은 새로운 레이저 설계가 높은 수준의 광 피드백에서도 견고함을 보여줍니다.

또한, 엔지니어들은 성능이 다중 섹션 DFB 레이저와 비교 가능하다고 언급했습니다. 이 발견은 각 레이저의 활성 영역에 고유한 격자를 제작할 필요 없이 레이저를 만들 수 있음을 의미하는 중요한 이정표였습니다.

구체적으로, 팀은 세 개의 레이저 링을 활용해 266 GHz에서 395 GHz까지의 광 대역폭을 부드럽게 스윕할 수 있었습니다. 스윕 동작은 매끄러웠으며 각 링 사이의 스펙트럼 겹침은 최소화되었습니다. 특히, 이 장치는 높은 광 주입 하에서도 매우 안정적인 빔 생산을 구현했습니다.

반도체 링 레이저 혜택

이 연구가 레이저 시장에 가져올 혜택은 많습니다. 우선, 이 설계는 움직이는 부품이 없으며 제조가 훨씬 쉽고 저렴합니다. 고급 레이저 제작 비용을 낮춤으로써 더 많은 사용 사례와 추가 채택의 문을 열게 됩니다.

작은 크기

이 장치는 특정 요구에 맞게 확대하거나 축소할 수 있는 링 레이저를 활용한 작은 형태를 가지고 있습니다. 이 전략은 파장의 미세 조정과 안정적인 방출을 가능하게 합니다. 작은 레이저는 미래 기술 및 웨어러블 장치를 추진하는 데 도움이 될 것입니다.

특히, 전통적인 조정 가능한 레이저는 한 번에 단일 파장을 방출합니다. 반면, 링-배열 레이저의 모듈성은 여러 링이 동시에 작동하며 서로 다른 링 반경을 사용해 개별 파장을 목표로 할 수 있게 합니다.

피드백 감소 및 빔 안정성 향상

다중 링 레이저와 단방향 커플러의 사용은 이전 레이저 설계에서 문제였던 역반사를 감소시키는 데 도움이 됩니다. 따라서 이 구조는 더 많은 에너지를 처리하여 이전보다 강력한 빔을 생성할 수 있는 강력한 레이저를 지원합니다.

반도체 링 레이저 실제 적용 사례

이 기술에는 여러 실제 적용 사례가 있습니다. 우선, 레이저는 오늘날 많은 첨단 분야에서 핵심 경쟁 요소입니다. 보다 강력하고 유용한 장치를 만들면 현재 기술의 비용을 낮추고 혁신적인 제품 도입을 촉진할 수 있습니다. 다음은 이 기술의 다른 활용 사례입니다.

통신

통신 산업은 항상 더 강력한 레이저를 찾고 있습니다. 이번 최신 개발은 이전에 상상할 수 없었던 수준의 고속 데이터 전송이 가능한 초고속 네트워크 구축에 도움이 될 수 있습니다. 이러한 장치는 언젠가 우주 전역에 데이터를 전송하여 수백만 마일 떨어진 우주 여행자와 지구를 연결할 수 있게 될 것입니다.

의료

의료 분야는 다양한 이유로 레이저를 사용합니다. 질병 검진부터 시력 교정까지, 이러한 레이저는 앞으로 수백만 명의 건강을 향상시키는 데 많은 도움이 될 것입니다. 작은 크기와 향상된 유연성 및 정확성은 새로운 세대의 자동화된 의료 서비스와 절차를 가능하게 할 것입니다.

안전

고출력 레이저 스캐너는 가스 및 화학 분야를 포함한 여러 산업에서 필수적인 구성 요소입니다. 이 장치들은 사소한 문제까지 스캔하여 재앙적인 고장을 방지합니다. 이 기술은 가스 파이프라인 누출, 인프라 노후화 및 인구 안전을 유지하는 기타 중요한 작업을 감지하는 데 도움이 될 수 있습니다.

반도체 링 레이저 타임라인

반도체 링 레이저는 향후 5~7년 내에 시장에 진입할 수 있습니다. 이 기술에 대한 즉각적인 수요가 있으며, 제조업체들은 이를 활용해 더 작고 진보된 제품을 만들고자 할 것입니다. 군사 통합의 경우는 전쟁터의 증가하는 요구를 충족시키기 위해 개발이 가속화되어 타임라인이 더 짧아질 것입니다.

반도체 링 레이저 연구원

반도체 링 레이저 연구는 하버드 존 A. 폴슨 공학 및 응용과학 학교(SEAS)와 비엔나 공과대학(TU Wien)의 공동 노력으로 진행되었습니다. 연구는 Federico Capasso와 Vinton Hayes가 공동으로 이끌었습니다. 또한, 연구에는 Johannes Fuchsberger, Theodore P. Letsou, Dmitry Kazakov, Rolf Szedlak, 그리고 Benedikt Schwarz가 핵심 기여자로 명시되어 있습니다. 특히, 국방부와 국립 과학 재단이 보조금을 통해 연구에 자금을 지원했습니다.

반도체 링 레이저의 향후 전망은?

연구자들은 현재 자신의 연구에 대한 특허를 진행 중입니다. 이후 제조업체를 찾아 생산 비용을 더욱 낮추려 할 것입니다. 또한, 팀은 더 많은 링을 사용해 장치를 확장할 경우의 영향을 연구할 예정입니다.

레이저 분야에 투자하기

레이저 분야의 많은 기업들은 품질과 우수한 서비스로 명성을 쌓아 왔습니다. 이들 기업은 수십 년에 걸쳐 가장 전력 효율이 높고 유용한 레이저를 만들기 위해 수백만 달러를 투자해 왔습니다. 다음은 시장에 신뢰할 수 있는 장치를 제공하기 위해 노력한 한 기업입니다.

Laser Photonics Corporation 

Laser Photonics Corporation

는 1981년에 고급 산업용 레이저를 제공하기 위해 시장에 진입했습니다. 이 회사는 플로리다주 올랜도에 위치하고 있으며 현재 레이저 청소, 절단 및 방위 시스템을 포함한 다양한 제품을 제공하고 있습니다. (LASE )

Laser Photonics Corporation는 견고한 비즈니스 관행과 신뢰할 수 있는 레이저 덕분에 업계 리더로서의 명성을 확보했습니다. 이 장치들은 유지보수가 필요 없는 고성능 솔루션을 시장에 제공합니다. 또한, 이 회사는 제품을 환경적으로 안전하고 지속 가능하게 만드는 데 중점을 두고 있습니다.

2022년 10월, Laser Photonics Corporation은 IPO를 진행해 5,500만 달러의 자금을 확보했습니다. 그 이후로 회사는 지속적으로 제품군과 고객 기반을 확대해 왔습니다. 오늘날 Laser Photonics Corporation은 여러 포춘 500대 기업에 서비스를 제공하며 업계 리더로 평가받고 있습니다.

반도체 링 레이저 | 결론

조정 가능한 반도체 레이저 연구에 대해 논의할 때 흥미로운 점이 많습니다. 이러한 장치는 여러 산업을 재구성하고 미래 전자 제품의 비용과 크기를 낮추는 데 기여할 수 있습니다. 이 장치가 현재 옵션보다 제작이 더 쉽고, 컴팩트한 칩 크기 형식에서 넓고 정밀한 파장 조정을 제공한다는 사실은 전체 산업에 큰 이점이 됩니다.

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참조된 연구:

^{1. Johannes Fuchsberger, Theodore P. Letsou, Dmitry Kazakov, Rolf Szedlak, Federico Capasso, and Benedikt Schwarz, “Continuously and widely tunable semiconductor ring lasers,” Optica 12, 985-990 (2025)}