듀얼 컬러 반도체 레이저에 관한 최신 연구
수직 외부 공동 표면 방출 레이저(VECSEL)로도 알려진 반도체 디스크 레이저(SDL 레이저)는 최근 몇 년 동안 많은 주목을 받아 왔습니다. 이 레이저는 반도체 이득과 고체 공진기의 장점을 결합합니다. 기존 반도체 레이저의 단일 모드 지원으로 인한 발광 면적 제한을 효과적으로 완화할 뿐만 아니라, 유연한 반도체 밴드갭 설계와 높은 재료 이득 특성을 특징으로 합니다. 저잡음, 고출력, 저전력, 고출력, 고출력, 저전력 ...좁은 선폭 레이저출력, 초단 고반복 펄스 생성, 고차 고조파 생성, 나트륨 가이드 스타 기술 등이 있습니다. 기술 발전에 따라 파장 유연성에 대한 요구가 더욱 높아졌습니다. 예를 들어, 이중 파장 코히어런트 광원은 간섭 방지 라이더, 홀로그램 간섭계, 파장 분할 다중화 통신, 중적외선 또는 테라헤르츠 생성, 그리고 다색 광 주파수 빗과 같은 신흥 분야에서 매우 높은 응용 가치를 보여주었습니다. 반도체 디스크 레이저에서 고휘도 이중 색상 발광을 구현하고 여러 파장 간의 이득 경쟁을 효과적으로 억제하는 방법은 이 분야의 연구 과제였습니다.
최근에는 듀얼 컬러반도체 레이저중국 연구팀은 이러한 과제를 해결하기 위해 혁신적인 칩 설계를 제안했습니다. 심층적인 수치 연구를 통해, 온도 관련 양자우물 이득 필터링과 반도체 마이크로캐비티 필터링 효과를 정밀하게 조절하면 이중 색상 이득을 유연하게 제어할 수 있음을 확인했습니다. 이를 바탕으로 연구팀은 960/1000 nm 고휘도 이득 칩을 성공적으로 설계했습니다. 이 레이저는 회절 한계 근처의 기본 모드에서 작동하며, 출력 휘도는 약 310 MW/cm²sr에 달합니다.
반도체 디스크의 이득층은 두께가 수 마이크로미터에 불과하며, 반도체-공기 계면과 하부 분포 브래그 반사기 사이에 패브리-페로 마이크로캐비티가 형성됩니다. 반도체 마이크로캐비티를 칩의 내장 스펙트럼 필터로 취급하면 양자 우물의 이득이 변조됩니다. 한편, 마이크로캐비티 필터링 효과와 반도체 이득은 서로 다른 온도 드리프트율을 갖습니다. 온도 제어와 결합하면 출력 파장의 스위칭 및 조절이 가능합니다. 이러한 특성을 바탕으로 연구팀은 양자 우물의 이득 피크를 300K 온도에서 950nm로 계산하여 설정했으며, 이득 파장의 온도 드리프트율은 약 0.37nm/K입니다. 이후, 연구팀은 투과 행렬법을 사용하여 칩의 종방향 구속 계수를 설계했으며, 피크 파장은 각각 약 960nm와 1000nm입니다. 시뮬레이션 결과 온도 드리프트율은 0.08nm/K에 불과했습니다. 에피택셜 성장을 위해 금속-유기 화학 기상 증착 기술을 사용하고 성장 공정을 지속적으로 최적화함으로써 고품질 이득 칩을 성공적으로 제작했습니다. 광발광 측정 결과는 시뮬레이션 결과와 완벽하게 일치했습니다. 열 부하를 완화하고 고출력 전송을 달성하기 위해 반도체-다이아몬드 칩 패키징 공정이 더욱 발전했습니다.
칩 패키징을 완료한 후, 연구팀은 레이저 성능에 대한 종합적인 평가를 수행했습니다. 연속 작동 모드에서는 펌프 전력 또는 방열판 온도를 제어하여 방출 파장을 960nm에서 1000nm 사이에서 유연하게 조절할 수 있습니다. 펌프 전력이 특정 범위 내에 있을 때, 레이저는 최대 39.4nm의 파장 간격으로 이중 파장 작동을 달성할 수 있습니다. 이때 최대 연속파 전력은 3.8W에 이릅니다. 한편, 레이저는 회절 한계 근처의 기본 모드에서 작동하며, 빔 품질 계수(M²)는 1.1에 불과하고 밝기는 약 310MW/cm²sr에 달합니다. 연구팀은 또한 준연속파 성능에 대한 연구를 수행했습니다.원자 램프LiB₃O₅ 비선형 광학 결정을 공진 공동에 삽입하여 합 주파수 신호를 성공적으로 관찰하여 이중 파장의 동기화를 확인했습니다.
이 독창적인 칩 설계를 통해 양자우물 이득 필터링과 마이크로캐비티 필터링의 유기적인 조합이 구현되어 듀얼 컬러 레이저 광원 구현을 위한 설계 기반을 마련했습니다. 성능 지표 측면에서 이 단일칩 듀얼 컬러 레이저는 높은 밝기, 높은 유연성, 그리고 정밀한 동축 빔 출력을 달성합니다. 이 레이저의 밝기는 현재 단일칩 듀얼 컬러 반도체 레이저 분야에서 세계 최고 수준입니다. 실제 적용 측면에서, 이 성과는 고휘도 및 듀얼 컬러 특성을 활용하여 복잡한 환경에서 다색 라이더의 감지 정확도와 간섭 방지 성능을 효과적으로 향상시킬 것으로 기대됩니다. 광 주파수 빗 분야에서 안정적인 듀얼 파장 출력은 정밀한 스펙트럼 측정 및 고해상도 광학 센싱과 같은 응용 분야에 중요한 지원을 제공할 수 있습니다.
게시 시간: 2025년 9월 23일