레이저 혁신: 가변형 반도체 링 기술

비엔나 공과대학교(TU Wien)와 하버드 존 A. 폴슨 공학 및 응용과학대학(SEAS)의 과학자들로 구성된 팀이 가변 반도체 링 레이저를 제작하는 새로운 방법을 발표했습니다. 이 첨단 레이저는 고출력 통신, 더욱 발전된 안전 시스템 등 다양한 분야에 활용될 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다. 알아두어야 할 사항은 다음과 같습니다.

가변 레이저의 종류와 장점

시어도어 H. 메이먼(Theodore H. Maiman)이 합성 루비 막대를 사용하여 최초의 레이저를 시연하고 불과 6년 후, 연구자들은 가변 파장 레이저 연구를 시작했습니다. 고정 파장 레이저와 달리, 가변 파장 레이저는 다양한 파장에 걸쳐 빛을 방출하도록 설정할 수 있어 광통신 및 현미경과 같은 정밀 응용 분야에 이상적입니다. 따라서 가변 파장 레이저는 오늘날 첨단 기술 및 의료 분야의 핵심 요소로 자리 잡았습니다.

가변 레이저 카테고리: 가스, 파이버, OPO 및 반도체

오늘날 가스 레이저, 파이버 레이저, 광 파라메트릭 발진기(OPO), 반도체 레이저 등 다양한 유형의 가변 레이저가 존재합니다. 가변 반도체 레이저는 많은 사람들에게 가장 진보된 옵션으로 여겨집니다. 컴팩트한 디자인, 넓은 파장 지원, 그리고 적절한 출력을 제공합니다.

튜닝 가능 레이저의 단점

가변 레이저 기술은 성능 면에서 비약적인 발전을 이루었습니다. 하지만 여전히 많은 제약이 이 기술의 잠재력을 최대한 발휘하는 데 걸림돌이 되고 있습니다. 예를 들어, 넓은 파장 범위를 가진 가변 레이저는 정밀도가 떨어지는 경우가 많습니다. 또한, 이러한 장치의 제조 비용과 전반적인 취약성은 발전의 걸림돌로 여겨져 왔습니다.

반도체 레이저를 조정하는 방법

반도체 레이저를 제작하고 조정하는 데는 두 가지 주요 방법이 있습니다. 첫 번째 방법은 레이저 융기부에 정밀한 격자를 추가하는 것이었습니다. 이 격자는 나노 스케일에서 정확한 각도로 절단되어 주파수 선택적인 광 피드백을 생성합니다. 이러한 구성을 통해 엔지니어는 레이저 전류를 변경하여 특정 파장을 증폭하고 다른 파장의 간섭을 줄일 수 있습니다.

출처 - 군사 항공 우주

반도체 레이저를 튜닝하는 두 번째 방법은 외부 공동(cavity)을 이용하는 것입니다. 이 방식에서는 회전하는 회절격자가 정확한 파장을 공동으로 반사시킵니다. 파장을 레이저로 여기시키는 공동은 회전을 통해 조정할 수 있습니다.

오늘날의 반도체 레이저의 문제점

반도체 레이저 분야에는 엔지니어들이 오랜 세월 극복하기 위해 노력해 온 몇 가지 단점이 있습니다. 첫째, 정밀도와 거리 성능의 균형이 여전히 중요합니다. 지금까지는 매우 정밀한 장치를 사용하거나 다양한 파장을 적절히 처리할 수 있는 장치를 사용하는 것 외에는 방법이 없었습니다.

반도체 레이저의 또 다른 문제점은 온도가 상승함에 따라 성능이 크게 저하된다는 것입니다. 반도체 레이저가 뜨거워지면 출력과 효율이 떨어지고 심지어 손상될 수도 있습니다. 따라서 광범위한 스펙트럼에서 장기간 연속적인 홉-프리 튜닝을 달성하는 것은 불가능했습니다.

반도체 링 레이저 연구

이러한 한계를 인식한 하버드 엔지니어들과 다른 명망 있는 기관의 과학자들은 최초의 광범위 스펙트럼 고정밀 반도체 레이저 개발에 착수했습니다. 그들은 연구를 통해 그들의 여정을 다음과 같이 기록했습니다.연속적이고 광범위하게 조정 가능한 반도체 링 레이저과학 저널 Optica에 게재되었습니다.

본 논문은 링 어레이 양자 캐스케이드 레이저(QCL) 구조를 활용하여 원활한 가변성을 제공하면서도 넓은 스펙트럼 범위를 지원하는 새로운 유형의 가변 반도체 레이저에 대한 연구를 공개합니다. 특히, 양자 캐스케이드 레이저는 원적외선 스펙트럼에서 빔을 생성하는 반도체 레이저입니다.

링 QCL 설계: 독립적이고 주소 지정 가능한 어레이

연구팀은 독립적으로 주소 지정이 가능한 여러 개의 작은 링 QCL을 만드는 것으로 연구를 시작했습니다. 특히 링 레이저는 동일한 편광을 가진 두 개의 광선을 특징으로 합니다. 이 광선들은 거울에 의해 만들어진 닫힌 고리를 따라 반대 방향으로 향합니다. 이러한 접근 방식은 미세한 움직임도 정확하게 측정할 수 있게 해줍니다. 따라서 링 레이저는 자이로스코프와 같은 내비게이션 시스템에서 흔히 사용됩니다.

이 사례에서 과학자는 양자 캐스케이드 레이저 활성 재료와 건식 에칭 공정을 사용하여 링 레이저를 개발했습니다. 또한, 각 링에는 전기 접점과 버스 도파관이 추가되었습니다. 엔지니어들은 이러한 접근 방식이 버스 도파관의 광 손실을 줄이고 성능을 향상시킨다는 점에 주목했습니다.

각 링은 고유한 반지름을 갖도록 개발되었습니다. 크기가 다른 링을 사용하여 각 공간에 대해 서로 다른 레이저 발진 주파수를 생성했습니다. 이러한 접근 방식을 통해 엔지니어는 레이저 발진 저하 없이 각 링을 개별적으로 조정할 수 있었습니다.

링 커플러를 사용한 단일 모드 방출 달성

이 독특한 접근 방식 덕분에 엔지니어들은 여러 개의 링을 함께 사용하여 특정 출력과 파장을 생성할 수 있었습니다. 이 시스템을 통해 엔지니어들은 레이저의 직선 구간을 따라 소멸 방향성 결합기를 통해 각 링에서 나오는 빔을 단일 도파관으로 결합할 수 있었습니다. 특히, 방향성 결합기는 빛이 한 방향으로만 진행되도록 하여 이득 격자(gain grating) 현상을 방지했습니다.

패싯 기반 설계를 통한 도파관 방출

연구팀은 이 레이저가 독특한 광 방출 방식을 사용한다는 점에 주목했습니다. 이 시스템은 버스 도파관을 통과하는 면 방출 방식을 사용합니다. 이 도파관은 실온에서 필요에 따라 레이저 주파수를 조정하고 증폭하는 데 사용될 수 있습니다.

모듈식 링 레이저 설계로 확장성 확보

이 레이저 장비는 모듈식으로 설계되어 엔지니어가 모든 요구에 맞게 확장할 수 있습니다. 또한, 링 레이저는 동시에 또는 단일 링 모드로 작동할 수 있습니다. 따라서 레이저를 결합하면 더욱 강력하고 강렬한 빔을 생성할 수 있어 특정 첨단 기술 분야에 이상적입니다.

반도체 링 레이저 테스트

엔지니어들은 TU Wien의 마이크로 및 나노구조 센터 클린룸 시설에서 자신들의 이론을 시험하기 위해 출발했습니다. 이곳에서 그들은 각각 반지름이 다른 다섯 개의 링으로 구성된 레이저 장치를 제작했습니다. 구체적으로 링의 크기는 5µm에서 220µm까지 다양했습니다.

연구팀은 레이저를 제작한 후 다양한 레이저 설정과 파장을 테스트했습니다. 한 예로, 세 개의 서로 다른 링의 튜닝 범위를 결합하여 넓은 대역폭에서 모드 홉 없이 튜닝하는 방법을 테스트했습니다.

반도체 링 레이저 테스트 결과

시험 결과는 엔지니어들의 모델을 뒷받침했습니다. 연구팀은 단일 링 QCL이 실온에서 연속파 작동 시 최대 0.5mW의 빔을 방출할 수 있다는 점에 주목했습니다. 또한, 레이저 칩이 레이저 면(facet)에 강한 광을 주입했음에도 불구하고 안정적인 파장 출력을 유지한다는 것을 시험 결과를 통해 확인했습니다. 이러한 시험 결과는 새로운 레이저 설계가 높은 수준의 광 피드백에도 복원력이 우수함을 입증했습니다.

또한, 엔지니어들은 이 성능이 다중 섹션 DFB 레이저와 유사하다고 밝혔습니다. 이 발견은 각 레이저의 활성 영역을 따라 고유한 격자를 제작할 필요 없이 이러한 레이저를 제작할 수 있다는 것을 의미하므로 매우 중요한 이정표였습니다.

구체적으로, 연구팀은 세 개의 레이저 링을 활용하여 266GHz에서 395GHz까지의 광 대역폭을 부드럽게 스위핑할 수 있었습니다. 스위핑 동작은 매끄러웠고, 각 링 간의 스펙트럼 중첩은 최소화되었습니다. 특히, 이 장치는 많은 양의 광 주입에서도 매우 안정적인 빔 생성을 보였습니다.

반도체 링 레이저의 장점

이 연구는 레이저 시장에 많은 이점을 가져다줄 것입니다. 첫째, 이 설계는 움직이는 부품이 없어 제조가 훨씬 쉽고 저렴합니다. 고급 레이저 제작 비용을 절감함으로써 더 많은 사용 사례와 도입 가능성을 열어줍니다.

작은 크기

이 장치는 특정 요구에 맞춰 크기를 조절할 수 있는 링 레이저를 사용하는 소형 폼팩터를 가지고 있습니다. 이러한 전략은 파장의 미세 조정과 안정적인 방출을 가능하게 합니다. 더 작은 레이저는 미래 기술과 웨어러블 기기의 발전을 촉진할 것입니다.

주목할 점은, 기존의 가변 파장 레이저는 한 번에 하나의 파장만 방출한다는 것입니다. 반면, 링 어레이 레이저는 모듈성을 통해 여러 개의 링이 동시에 작동하고 서로 다른 링 반경을 사용하여 각 파장을 타겟팅할 수 있습니다.

피드백 감소 및 빔 안정성 향상

여러 개의 링 레이저와 단방향 커플러를 사용하면 이전 레이저 설계의 문제점이었던 역반사를 줄이는 데 도움이 됩니다. 따라서 이 구조는 이전 레이저보다 더 많은 에너지를 처리하여 더 강력한 빔을 생성할 수 있는 강력한 레이저를 지원할 수 있습니다.

반도체 링 레이저 실제 적용 분야

이 기술은 여러 가지 실제 응용 분야에 활용될 수 있습니다. 예를 들어, 레이저는 오늘날 여러 첨단 기술 분야에서 중요한 경쟁 상대입니다. 더욱 강력하고 유용한 장치를 개발하면 기존 기술의 비용을 낮추는 동시에 혁신적인 제품의 출시를 촉진하는 데 도움이 될 것입니다. 이 기술의 다른 활용 사례는 다음과 같습니다.

통신

통신 산업은 항상 더 강력한 레이저를 찾고 있습니다. 이 최신 기술은 이전에는 상상도 할 수 없었던 수준의 고속 데이터 전송이 가능한 슈퍼 네트워크를 구축하는 데 도움이 될 수 있습니다. 이러한 장치는 언젠가 우주 전역으로 데이터를 전송하여 수백만 마일 떨어진 우주인들이 지구와 통신할 수 있도록 할 것입니다.

의료

의료 분야에서는 여러 가지 이유로 레이저를 사용합니다. 질병 검사부터 시력 교정까지, 이러한 레이저는 앞으로 수백만 명의 건강을 개선하는 데 다양한 방식으로 기여할 것입니다. 더 작아진 크기와 향상된 유연성 및 정확성은 차세대 자동화 의료 서비스와 시술을 가능하게 할 것입니다.

안전

고출력 레이저 스캐너는 가스 및 화학 분야를 포함한 여러 산업에서 필수적인 구성 요소입니다. 이 장치는 사소한 문제도 스캔하여 심각한 고장을 예방합니다. 이 기술은 가스 파이프라인 누출, 인프라 노후화, 그리고 국민의 안전을 보장하는 기타 중요한 작업들을 감지하는 데 도움이 될 수 있습니다.

반도체 링 레이저 타임라인

반도체 링 레이저는 향후 5~7년 안에 시장에 출시될 수 있습니다. 이 기술에 대한 수요는 즉각적이며, 제조업체들은 이 기술을 활용하여 더 작고 진보된 제품을 개발하고자 할 것입니다. 군사 통합의 경우, 이 기간은 더 단축될 것이며, 이는 미래 전장의 증가하는 수요를 충족하기 위한 신속한 개발로 이어질 수 있습니다.

반도체 링 레이저 연구원

반도체 링 레이저 연구는 하버드 존 A. 폴슨 공학 및 응용과학대학(SEAS)과 빈 공과대학교(TU Wien)의 공동 연구로 진행되었습니다. 이 연구는 페데리코 카파소와 빈튼 헤이즈가 공동으로 주도했습니다. 또한, 이 연구에는 요하네스 푸흐스베르거, 테오도르 P. 레초우, 드미트리 카자코프, 롤프 세들락, 베네딕트 슈바르츠가 주요 기여자로 참여했습니다. 특히, 국방부와 미국 국립과학재단(NSF)은 보조금을 통해 이 연구에 자금을 지원했습니다.

반도체 링 레이저의 미래는 어떻게 될까?

연구진은 현재 연구 결과에 대한 특허를 출원 중입니다. 특허 출원을 통해 생산 비용을 더욱 절감하기 위해 제조업체를 물색할 예정입니다. 또한, 연구팀은 더 많은 링으로 장치의 크기를 키울 경우의 효과도 연구할 예정입니다.

레이저 부문에 투자

레이저 분야의 많은 회사들이 품질과 탁월한 서비스로 명성을 쌓아 왔습니다. 이 회사들은 수십 년 동안 가장 전력 효율적이고 유용한 레이저를 개발하는 데 수백만 달러를 투자해 왔습니다. 시장에 신뢰할 수 있는 제품을 제공하기 위해 최선을 다해 온 한 회사를 소개합니다.

레이저포토닉스 주식회사 

레이저포토닉스 주식회사

1981년 고급 산업용 레이저를 시장에 공급하기 위해 시장에 진출했습니다. 플로리다주 올랜도에 위치한 이 회사는 현재 레이저 세척, 절단, 방호 시스템 등 다양한 제품을 제공하고 있습니다. (LASE )

레이저 포토닉스(Laser Photonics Corporation)는 탄탄한 사업 관행과 신뢰할 수 있는 레이저를 통해 업계 선두주자로서의 명성을 확보했습니다. 이 제품들은 유지보수가 필요 없는 고성능 솔루션을 시장에 제공합니다. 또한, 이 회사는 제품의 환경적 안전성과 지속가능성을 확보하는 데 주력하고 있습니다.

2022년 55월, 레이저 포토닉스(Laser Photonics Corporation)는 500만 달러의 자금을 확보하며 기업공개(IPO)를 진행했습니다. 그 이후로 회사는 제품과 고객층을 지속적으로 확장해 왔습니다. 현재 레이저 포토닉스는 여러 포춘 XNUMX대 기업에 서비스를 제공하고 있으며 업계 선두주자로 인정받고 있습니다.

반도체 링 레이저 | 결론

가변 반도체 레이저 연구를 논의할 때 흥미로운 점들이 많습니다. 이 장치는 여러 산업을 재편하고 미래 전자 제품의 비용과 크기를 줄이거나 향상시킬 수 있습니다. 이 장치는 오늘날의 장치보다 제작이 쉽고, 소형 칩 크기에 광범위하고 정밀한 파장 조정을 제공한다는 점은 업계 전체에 긍정적인 영향을 미칩니다.

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참고 연구:

^{1. Johannes Fuchsberger, Theodore P. Letsou, Dmitry Kazakov, Rolf Szedlak, Federico Capasso 및 Benedikt Schwarz, "연속적이고 광범위하게 조정 가능한 반도체 링 레이저", Optica 12, 985-990 (2025)}