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- 고정밀하고 자유롭게 조정 가능한 칩 크기의 마이크로 레이저를 개발
- 수중 사용을 위해 LIDAR 시스템을 최적화하거나 마이크로파 대신 광학 조명을 기반으로 하는 WLAN의 한 형태인 "Li-Fi"와 같은 완전히 새로운 기술을 가능하게 할 수 있다.

연구원들은 컬러 레이저를 축소했다.
마이크로스케일의 가시광선용 최초의 고정밀 조정 가능 레이저

물리학자들이 적색 이외의 가시광선을 위한 최초의 마이크로레이저를 개발했다. 이 마이크로레이저는 UV 범위에서 모든 가시광선을 거쳐 근적외선까지 자유롭게 선택할 수 있는 파장으로 선명하게 정의된 레이저 광을 전달한다. 이는 FP 레이저 다이오드와 광자 도파관을 결합하여 레이저 광을 원하는 파장 범위로 가져옴으로써 가능해졌다. 이 레이저 기술은 양자 통신, 광학 원자시계 또는 센서의 새로운 응용 분야를 가능하게 한다. 

▲ 물리학자들은 가시광선의 모든 색상에서 미세 조정 가능한 레이저 광을 생성하는 최초의 칩 호환 마이크로레이저를 개발했다. © Myles Marshall/ Columbia Engineering

레이저는 오랫동안 일상생활, 기술 및 연구 분야 모든 곳에서 사용되고 있다. 간섭성 빛은 측정 보조 도구, 다목적 도구, 통신 수단 또는 센서 역할을 하며 초단파 펄스에서 데이터용 반송파에 이르기까지 수많은 변형에 사용된다. 레이저는 또한 광학 데이터 전송 및 처리와 양자 기술에서 중요한 역할을 한다.

칩 호환 마이크로레이저 찾기

그러나 포토닉 칩에 적합한 레이저 기술은 아직 없다. 지금까지는 전체 테이블을 채우는 대형 레이저 시스템에 의해 공급되었으며 값이 비싸다. 저렴하고 마이크로칩에 통합할 수 있을 만큼 작은 다이오드 레이저가 있다. 대부분 경우 이러한 Fabry-Pérot 다이오드(FP)는 너무 흐릿하고 너무 많은 파장을 포함하는 레이저 광을 생성하며 조절하기도 어렵다. 다른 칩 크기의 마이크로레이저는 충분히 정밀하지만 적외선 및 적색 파장 범위만 포함한다.

"양자 광학, 광학 원자시계, 원자 및 분자 물리학과 같은 응용 분야에는 선폭이 좁고 넓은 범위에서 조정할 수 있는 온칩 가시광선 레이저가 필요하다”고 연구팀은 말했다.

소형 링 공진기 모양 레이저 빔

연구원들은 이제 그러한 고정밀하고 자유롭게 조정 가능한 칩 크기의 마이크로 레이저를 개발했다. 그들은 표준 FP 레이저 다이오드를 반도체 재료 실리콘 질화물로 만든 특수 도파관과 결합하여 이를 수행하는 데 성공했다. 이 도파관은 다양한 링 폭을 가진 작은 링 공진기를 형성하며 그 모양은 원하는 방식으로 레이저 빔을 변조한다.

"이 복잡하게 설계된 구성 요소를 함께 결합함으로써 우리는 확장 가능하고 모든 색상의 빛을 생성할 수 있는 강력하고 다재다능한 레이저 플랫폼을 구성할 수 있었다"고 Zanarella는 말했다. 더 중요한 것은 생성된 레이저 빔이 양자 광학 응용 분야에 필요한 몇 킬로헤르츠의 기본 선폭과 유리 섬유에서 측정된 최대 10밀리와트의 전력을 갖는다는 것이다. 물리학자들은 이미 새로운 레이저 시스템에 대한 특허를 신청했다.

LIDAR, 원자시계 양자기술 적용

"이것은 고출력 레이저가 테이블 크기여야 하고 수만 달러의 비용이 든다는 패러다임을 깨뜨린다"고 연구원들은 말했다. 그들의 소형 레이저 시스템은 현재 대형 레이저가 필요한 많은 분야에서 사용될 수 있다. 여기에는 큐비트가 주로 레이저를 사용하여 조작되는 양자 통신 및 양자 컴퓨터뿐만 아니라 작은 온칩(on-chip) 레이저를 사용하여 더 작고 더 쉽게 이동할 수 있는 광학 원자시계도 포함된다.

"통합 포토닉스는 광학 통신에서 양자 기술, 바이오 센싱에 이르기까지 우리 세계를 혁신할 흥미진진한 분야다"고 Columbia University의 수석 과학자 Michal Lipson은 말했다. 소형화된 레이저 플랫폼은 또한 수중 사용을 위해 LIDAR 시스템을 최적화하거나 마이크로파 대신 광학 조명을 기반으로 하는 WLAN의 한 형태인 "Li-Fi"와 같은 완전히 새로운 기술을 가능하게 할 수 있다.
(Nature Photonics, 2022; doi: 10.1038/s41566-022-01120-w)
출처: Columbia University School of Engineering and Applied Science

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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