이중 색상 반도체 레이저에 대한 최신 연구
반도체 디스크 레이저(SDL 레이저), 또는 수직 외부 공진 표면 방출 레이저(VECSEL)는 최근 몇 년 동안 많은 주목을 받고 있습니다. 이 레이저는 반도체 이득과 고체 공진기의 장점을 결합한 것으로, 기존 반도체 레이저의 단일 모드 지원으로 인한 방출 면적 제한을 효과적으로 완화할 뿐만 아니라, 유연한 반도체 밴드갭 설계와 높은 물질 이득 특성을 특징으로 합니다. 저잡음 출력단과 같은 다양한 응용 분야에서 활용될 수 있습니다.좁은 선폭 레이저출력, 초단파 고반복 펄스 생성, 고차 고조파 생성, 나트륨 가이드 스타 기술 등 다양한 분야에서 활용되어 왔습니다. 기술이 발전함에 따라 파장 유연성에 대한 요구 사항도 높아지고 있습니다. 예를 들어, 이중 파장 코히런트 광원은 간섭 방지 라이다, 홀로그래픽 간섭계, 파장 분할 다중화 통신, 중적외선 또는 테라헤르츠 생성, 다색 광 주파수 콤과 같은 신흥 분야에서 매우 높은 응용 가치를 보여주고 있습니다. 반도체 디스크 레이저에서 고휘도 이중 색상 발광을 구현하고 여러 파장 간의 이득 경쟁을 효과적으로 억제하는 것은 이 분야의 연구 과제로 남아 있습니다.
최근에, 두 가지 색상이 사용되었습니다.반도체 레이저중국 연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 혁신적인 칩 설계를 제안했습니다. 심층적인 수치 연구를 통해 온도에 따른 양자 우물 이득 필터링과 반도체 마이크로 공동 필터링 효과를 정밀하게 조절하면 이중 색상 이득을 유연하게 제어할 수 있다는 것을 발견했습니다. 이를 바탕으로 연구팀은 960/1000nm 고휘도 이득 칩을 성공적으로 설계했습니다. 이 레이저는 회절 한계에 가까운 기본 모드에서 동작하며, 출력 밝기는 약 310MW/cm²sr에 달합니다.
반도체 디스크의 이득층은 두께가 수 마이크로미터에 불과하며, 반도체-공기 계면과 하부 분산 브래그 반사기 사이에는 패브리-페로 마이크로 공동이 형성됩니다. 이 반도체 마이크로 공동을 칩의 내장 스펙트럼 필터로 간주하면 양자 우물의 이득을 조절할 수 있습니다. 또한, 마이크로 공동 필터링 효과와 반도체 이득은 온도 변화에 따른 드리프트율이 다릅니다. 이러한 특성을 온도 제어와 결합하면 출력 파장의 전환 및 조절이 가능합니다. 이러한 특성을 바탕으로 연구팀은 300K 온도에서 양자 우물의 이득 피크를 950nm로 설정했으며, 이득 파장의 온도 드리프트율은 약 0.37nm/K입니다. 이어서, 연구팀은 투과 행렬법을 이용하여 칩의 종방향 제약 인자를 설계했으며, 피크 파장은 각각 약 960nm와 1000nm입니다. 시뮬레이션 결과, 온도 드리프트율은 0.08nm/K에 불과한 것으로 나타났습니다. 금속유기화학기상증착(MOCVD) 기술을 이용한 에피택셜 성장 및 지속적인 성장 공정 최적화를 통해 고품질 이득 칩을 성공적으로 제작하였다. 광발광 측정 결과는 시뮬레이션 결과와 완벽하게 일치하였다. 열 부하를 완화하고 고출력 전송을 달성하기 위해 반도체-다이아몬드 칩 패키징 공정을 더욱 발전시켰다.
칩 패키징을 완료한 후, 연구팀은 레이저 성능에 대한 종합적인 평가를 수행했습니다. 연속 동작 모드에서 펌프 출력 또는 방열판 온도를 제어함으로써 방출 파장을 960nm에서 1000nm 사이에서 유연하게 조절할 수 있습니다. 펌프 출력이 특정 범위 내에 있을 경우, 최대 39.4nm의 파장 간격으로 이중 파장 동작도 가능합니다. 이때 최대 연속파 출력은 3.8W에 달합니다. 또한, 레이저는 회절 한계에 가까운 기본 모드에서 동작하며, 빔 품질 계수 M²는 1.1에 불과하고 밝기는 약 310MW/cm²sr에 이릅니다. 연구팀은 이 레이저의 준연속파 성능에 대한 연구도 진행했습니다.원자 램프LiB₃O₅ 비선형 광학 결정을 공진 공동에 삽입함으로써 합 주파수 신호를 성공적으로 관찰할 수 있었고, 이를 통해 두 파장의 동기화가 확인되었습니다.
본 혁신적인 칩 설계를 통해 양자 우물 이득 필터링과 마이크로 공동 필터링의 유기적인 결합을 달성하여 이중 색상 레이저 소스 구현을 위한 설계 기반을 마련했습니다. 성능 지표 측면에서, 이 단일 칩 이중 색상 레이저는 높은 밝기, 뛰어난 유연성 및 정밀한 동축 빔 출력을 제공합니다. 밝기는 현재 단일 칩 이중 색상 반도체 레이저 분야에서 국제적으로 최고 수준입니다. 실용적인 측면에서, 이 성과는 높은 밝기와 이중 색상 특성을 활용하여 복잡한 환경에서 다색 라이다의 검출 정확도와 간섭 방지 기능을 효과적으로 향상시킬 것으로 기대됩니다. 광 주파수 콤 분야에서는 안정적인 이중 파장 출력을 통해 정밀 분광 측정 및 고해상도 광 센싱과 같은 응용 분야에 중요한 지원을 제공할 수 있습니다.
게시 시간: 2025년 9월 23일