최근 중국과학기술대학교의 궈광찬 석좌교수 연구팀인 둥춘화 교수와 저우창링 연구원은 광 주파수 콤의 중심 주파수와 반복 주파수를 실시간으로 독립적으로 제어할 수 있는 범용 마이크로 공동 분산 제어 메커니즘을 제안하고, 이를 광 파장의 정밀 측정에 적용하여 파장 측정 정확도를 킬로헤르츠(kHz) 수준까지 향상시켰습니다. 이 연구 결과는 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)에 게재되었습니다.
광학 마이크로캐비티 기반의 솔리톤 마이크로콤은 정밀 분광학 및 광시계 분야에서 큰 연구 관심을 불러일으켰습니다. 그러나 환경 및 레이저 노이즈의 영향과 마이크로캐비티 내의 추가적인 비선형 효과로 인해 솔리톤 마이크로콤의 안정성이 크게 제한되어 저조도 영역에서의 콤 구현에 있어 주요 장애물이 되고 있습니다. 기존 연구에서는 재료의 굴절률이나 마이크로캐비티의 기하학적 구조를 제어하여 실시간 피드백을 통해 광학 주파수 콤을 안정화하고 제어했지만, 이는 마이크로캐비티 내 모든 공진 모드에 거의 균일한 변화를 동시에 일으켜 콤의 주파수와 반복 횟수를 독립적으로 제어할 수 없는 한계를 보였습니다. 이러한 한계로 인해 정밀 분광학, 마이크로파 광자, 광 거리 측정 등 저조도 영역에서의 콤 구현이 크게 제한되었습니다.
이 문제를 해결하기 위해 연구팀은 광 주파수 콤의 중심 주파수와 반복 주파수를 실시간으로 독립적으로 조절할 수 있는 새로운 물리적 메커니즘을 제안했습니다. 두 가지 서로 다른 마이크로 공동 분산 제어 방식을 도입함으로써, 연구팀은 서로 다른 차수의 마이크로 공동의 분산을 독립적으로 제어하여 광 주파수 콤의 각 치 주파수를 완벽하게 제어할 수 있었습니다. 이 분산 조절 메커니즘은 질화규소 및 니오브산리튬과 같이 널리 연구되고 있는 다양한 집적 광자 플랫폼에 적용 가능합니다.
연구팀은 펌핑 레이저와 보조 레이저를 사용하여 마이크로 공동의 서로 다른 차수의 공간 모드를 독립적으로 제어함으로써 펌핑 모드 주파수의 적응적 안정성과 주파수 콤 반복 주파수의 독립적인 조절을 구현했습니다. 이 광학 콤을 기반으로, 연구팀은 임의의 콤 주파수를 빠르고 프로그래밍 가능한 방식으로 조절하는 것을 시연하고 이를 파장의 정밀 측정에 적용하여, 킬로헤르츠(kHz) 수준의 측정 정확도와 다중 파장 동시 측정 기능을 갖춘 파장계를 개발했습니다. 기존 연구 결과와 비교했을 때, 연구팀이 달성한 측정 정확도는 세 자릿수 이상 향상되었습니다.
본 연구 결과에서 제시된 재구성 가능한 솔리톤 마이크로콤은 저비용의 칩 통합형 광 주파수 표준 구현을 위한 토대를 마련하며, 이는 정밀 측정, 광 시계, 분광학 및 통신 분야에 적용될 것이다.
게시 시간: 2023년 9월 26일