손가락 끝에 맞는 고성능 가시광선 레이저 - ScienceDaily

기술이 기하급수적으로 발전하고 이에 따라 새로운 장치에 대한 수요가 증가함에 따라 시스템을 칩으로 소형화하는 것이 점점 더 중요해지고 있습니다. 마이크로일렉트로닉스는 우리가 전기를 조작하는 방식을 변화시켜 이제 일상 생활의 필수적인 부분이 된 정교한 전자 제품을 가능하게 했습니다. 마찬가지로 통합 포토닉스는 데이터 통신, 이미징, 감지 및 생체 의학 장치와 같은 응용 분야에서 빛을 제어하는 ​​방식을 혁신적으로 변화시켜 왔습니다. 통합 포토닉스는 마이크로 및 나노스케일 구성 요소를 사용하여 빛을 라우팅하고 형성함으로써 전체 광학 시스템을 작은 칩 크기로 축소합니다.

성공에도 불구하고 통합 포토닉스는 완전한 소형화를 달성하기 위한 핵심 구성 요소인 고성능 칩 스케일 레이저를 놓치고 있습니다. 근적외선 레이저에서 약간의 진전이 있었지만 현재 광자 칩에 공급하는 가시광선 레이저는 여전히 벤치탑이고 비싸다. 가시 광선은 양자 광학, 디스플레이 및 바이오 이미징을 포함한 광범위한 응용 분야에 필수적이므로 다양한 색상의 빛을 방출하는 조정 가능하고 좁은 선폭의 칩 스케일 레이저가 필요합니다.

손가락 끝에 맞는 고성능 레이저 발명

Columbia Engineering의 Lipson Nanophotonics Group 연구원들은 근자외선에서 근적외선까지 손가락 끝에 맞는 매우 순수한 색상의 가시 레이저를 만들었습니다. 레이저의 색상은 정밀하게 조정될 수 있으며 초당 최대 267페타헤르츠까지 매우 빠릅니다. 이는 양자 광학과 같은 응용 분야에 매우 중요합니다. 이 팀은 녹색, 청록색, 파란색 및 보라색과 같이 빨간색 아래의 빛 색상에 대해 칩 크기의 좁은 선폭 및 조정 가능한 레이저를 처음으로 시연했습니다. 이 저렴한 레이저는 또한 가시광선을 방출하는 조정 가능하고 좁은 선폭의 집적 레이저 중에서 가장 작은 공간과 가장 짧은 파장(404nm)을 가지고 있습니다. 2021년 5월 14일 CLEO 2021 마감 후 세션에서 처음 발표된 이 연구는 2022년 12월 23일에 온라인으로 게시되었습니다. 자연 포토닉스.

이 연구의 수석 저자인 Mateus Corato Zanarella는 “이 작업에서 흥미로운 점은 통합 포토닉스의 힘을 사용하여 고성능 가시 레이저가 벤치탑이어야 하고 수만 달러의 비용이 든다는 기존 패러다임을 깨뜨렸다는 것”이라고 말했습니다. Higgins 전기 공학 교수이자 응용 물리학 교수인 Michal Lipson과 함께 일하는 박사 과정 학생입니다. “지금까지는 조정 가능하고 좁은 선폭 가시 레이저가 필요한 기술을 축소하고 대량 배포하는 것이 불가능했습니다. 주목할만한 예는 단일 시스템에서 여러 색상의 고성능 레이저를 요구하는 양자 광학입니다. 우리는 우리의 발견이 기존 기술과 새로운 기술을 위한 완전히 통합된 가시 광선 시스템을 가능하게 할 것입니다.”

적색 이하 파장 방출의 이점

빨간색보다 짧은 파장을 방출하는 레이저의 중요성은 몇 가지 중요한 응용 분야를 고려할 때 분명합니다. 예를 들어 디스플레이는 모든 색상을 구성하기 위해 빨간색, 녹색 및 파란색 빛이 동시에 필요합니다. 양자 광학에서 녹색, 파란색 및 보라색 레이저는 원자와 이온을 포획하고 냉각하는 데 사용됩니다. 수중 Lidar(Light Detection and Ranging)에서는 수분 흡수를 피하기 위해 녹색 또는 청색광이 필요합니다. 그러나 적색보다 짧은 파장에서는 광 집적 회로의 결합 및 전파 손실이 크게 증가하여 이러한 색상에서 고성능 레이저를 구현하지 못했습니다.

결합 및 전파 손실 문제 해결

연구원들은 FP(Fabry-Perot) 다이오드를 광원으로 선택하여 결합 손실 문제를 해결했으며, 이는 손실이 칩 크기 레이저의 성능에 미치는 영향을 최소화했습니다. 다른 유형의 소스를 사용하는 다른 전략과 달리 팀의 접근 방식은 기록적인 단파장(404nm)에서 레이저 구현을 가능하게 하는 동시에 높은 광 출력에 대한 확장성을 제공합니다. FP 레이저 다이오드는 저렴하고 컴팩트한 고체 레이저로 널리 사용됩니다. 연구 및 산업. 그러나 동시에 여러 파장의 빛을 방출하고 쉽게 조정할 수 없기 때문에 순수하고 정밀한 레이저가 필요한 응용 분야에 직접 사용할 수 없습니다. 특수 설계된 광자 칩과 결합함으로써 연구원들은 레이저 방출을 단일 주파수, 좁은 선폭 및 광범위하게 조정할 수 있도록 수정할 수 있습니다.

팀은 모든 가시 파장에 대해 재료 흡수 및 표면 산란 손실을 동시에 최소화하는 플랫폼을 설계하여 전파 손실 문제를 극복했습니다. 빛을 안내하기 위해 그들은 모든 색상의 가시 광선에 대해 투명한 반도체 산업에서 널리 사용되는 유전체인 실리콘 질화물을 사용했습니다. 최소한의 흡수가 있더라도 제조 공정에서 피할 수 없는 거칠기로 인해 빛은 여전히 ​​손실됩니다. 연구팀은 특수한 유형의 링 공진기로 광자 회로를 설계하여 이 문제를 해결했습니다. 링은 둘레를 따라 가변 폭을 가지므로 좁은 도파관의 단일 모드 작동 특성과 넓은 도파관의 저손실 특성을 허용합니다. 그 결과 광자 회로는 FP 다이오드에 파장 선택적 광 피드백을 제공하여 레이저가 매우 좁은 선폭으로 원하는 단일 파장에서 방출하도록 합니다.

Corato Zanarella는 “이 복잡하게 디자인된 조각들을 결합함으로써 우리는 확장 가능하고 모든 색상의 빛에 대해 작동하는 강력하고 다재다능한 플랫폼을 구축할 수 있었습니다.”라고 말했습니다.

기술 혁신

TOPTICA Photonics, Inc.의 레이저 기술 이사인 Chris Haimberger는 “레이저 제조업체로서 우리는 통합 포토닉스가 우리 업계에 막대한 영향을 미치고 지금까지 불가능했던 차세대 애플리케이션을 가능하게 할 것이라는 점을 인식하고 있습니다.”라고 말했습니다. 이 작업은 컴퓨팅, 의학 및 산업 분야의 미래 발전에 힘을 실어줄 작고 조정 가능한 가시 레이저를 추구하는 데 중요한 진전을 나타냅니다.”

연구 결과는 다음을 포함하여 광범위한 응용 분야에 혁명을 일으킬 수 있습니다.

  • 양자 정보. 양자 계산을 위한 대부분의 양자 비트는 가시 광선을 사용하여 포획되고 조사되는 원자 또는 이온을 사용합니다. 빛은 매우 순수해야 하고(좁은 선폭) 원자 전이를 다루기 위해 매우 특정한 파장을 가져야 합니다. 현재 이러한 응용 분야에 사용할 수 있는 레이저는 비싸고 탁상용입니다. 이 새로운 연구는 이러한 부피가 큰 소스가 작고 저렴한 칩으로 대체될 수 있음을 보여줍니다. 이를 통해 양자 시스템을 축소하고 결국 일반 대중이 접근할 수 있는 기술의 일부가 될 것입니다.
  • 원자 시계. 가장 정밀한 시계는 스트론튬 원자를 기반으로 하며, 동시에 다양한 색상의 레이저에 의해 포획되고 조사되어야 합니다. 양자 광학 시스템과 유사하게, 현재 사용 가능한 레이저의 엄청난 크기는 이 기술을 연구실에 한정합니다. 칩 크기의 레이저는 휴대용 원자 시계를 만드는 것을 목표로 이러한 시스템을 축소하는 것을 가능하게 할 것입니다.
  • 바이오 센싱. 여러 신경 프로브는 광유전학이라는 기술을 사용하여 신경 반응을 측정, 수정 및 이해합니다. 이 기술에서 뉴런은 가시광선에 민감한 옵신이라는 단백질 유형을 생산하도록 유전적으로 변형됩니다. 일반적으로 파란색인 가시광선을 이러한 세포에 비추어 과학자들은 원하는 대로 특정 뉴런을 켤 수 있습니다. 마찬가지로, 형광 이미징에서 형광단은 원하는 이미지를 생성하기 위해 가시광선으로 여기되어야 합니다. 이 고성능 소형 레이저는 이러한 시스템을 소형화할 수 있는 기회를 제공합니다.
  • 수중 범위. 수중 범위는 바닷물이 다른 모든 색상의 빛을 강하게 흡수하기 때문에 파란색 또는 녹색 빛이 필요합니다. 또한 주파수 변조 연속파 LiDAR라는 널리 사용되는 거리 측정 전략의 경우 물체의 거리와 속도를 정확하게 감지하기 위해 레이저를 신속하게 조정할 수 있어야 합니다. 이 레이저는 이 기술을 사용하는 휴대용 수중 측정 시스템에 사용할 수 있습니다.
  • 라이파이. 통신 시스템에서 대역폭에 대한 수요가 증가함에 따라 네트워크가 포화 상태가 되었습니다. Li-Fi 또는 가시 광선 통신은 이러한 병목 현상을 극복하기 위해 사용자 측에서 기존의 마이크로웨이브 링크를 보완할 것을 약속하는 빠르게 성장하는 기술입니다. 레이저의 높은 변조 속도는 매우 빠른 광 무선 통신 링크를 구현하는 데 이상적입니다.

다음 단계

기술에 대한 잠정 특허를 출원한 연구원들은 이제 레이저를 독립형 장치로 전환하고 칩 크기의 가시광선 엔진, 양자 실험 및 광학 시계의 소스로 사용하기 위해 레이저를 광학적 및 전기적으로 패키징하는 방법을 모색하고 있습니다.

“앞으로 나아가기 위해서는 이러한 시스템을 소형화하고 확장하여 궁극적으로 대량 배포 기술에 통합할 수 있어야 합니다.”라고 연구 초기부터 이 분야를 강력하게 형성한 실리콘 포토닉스의 선구자인 Lipson은 말했습니다. 수십 년 전, 현재 광자 칩의 일부인 능동 및 수동 장치에 근본적인 기여를 했습니다. 그녀는 “통합 포토닉스는 광통신에서 양자 정보, 바이오 센싱에 이르기까지 우리 세상을 진정으로 혁신하고 있는 흥미로운 분야”라고 덧붙였다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2023/01/230104135615.htm

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