소형 중적외선 펄스 발생기

하버드 대학교 존 A. 폴슨 공학 및 응용과학 대학원(SEAS)의 물리학자들은 유용하지만 달성하기 어려운 파장 범위에서 매우 밝고 짧은 펄스의 빛을 방출하는 소형 레이저를 만들어내어 대형 광자 소자의 성능을 단일 칩에 집적시켰습니다.

네이처(Nature) 에 게재된 이 연구는 외부 부품 없이 작동하는 온칩(on-chip) 피코초 중적외선 레이저 펄스 발생기를 최초로 시연했습니다. 이 장치는 광 주파수 빗(optical frequency comb)을 생성할 수 있는데, 이는 빗처럼 균일한 간격의 주파수 선으로 구성된 빛 스펙트럼으로, 오늘날 정밀 측정에 사용됩니다.

이 새로운 레이저 칩은 언젠가 환경 모니터링을 위한 고감도 광범위 스펙트럼 가스 센서나 의료 영상 촬영을 위한 새로운 유형의 분광학 도구 개발에 큰 진전을 가져올 것으로 기대됩니다.

이 논문의 수석 저자는 SEAS 응용물리학과 로버트 L. 월리스 교수이자 전기공학과 빈튼 헤이즈 선임 연구원인 페데리코 카파소입니다. 미국 국립과학재단(NSF)과 국방부의 지원을 받은 이 연구는 빈 공과대학교(TU Wien)의 슈바르츠 연구팀, 루이지 A. 루지아토가 이끄는 이탈리아 과학자 컨소시엄, 그리고 티모시 데이가 이끄는 레오나르도 DRS 데이라이트 솔루션즈와의 협력으로 진행되었습니다.

"이것은 온칩 비선형 광자학을 통합하여 중적외선에서 초단 펄스 광을 생성하는 흥미로운 신기술입니다. 지금까지는 그런 기술이 존재하지 않았습니다."라고 카파소는 말했습니다. "게다가 이러한 장치는 표준 반도체 제조 방식을 사용하는 산업용 레이저 파운드리에서 쉽게 생산할 수 있습니다."

중적외선은 전자기 스펙트럼의 보이지 않는 영역으로, 오늘날 환경 분야에서 활용되고 있습니다. 이산화탄소나 메탄과 같은 많은 기체 분자가 중적외선을 효율적으로 흡수하기 때문에, 이 파장 범위는 환경 기체를 모니터링하는 데 중요한 도구로 활용되어 왔으며, 특히 1990년대 카파소가 개척한 양자 캐스케이드 레이저 기술이 그 예입니다.

새로운 논문에서는 예를 들어 단일 장치에서 다양한 가스 흡수 지문을 감지할 수 있는 광대역 광원을 생성하는 방법을 보여줍니다.

"이것은 하나의 칩에서 수천 개의 서로 다른 주파수의 빛을 생성할 수 있는 초연속 광원을 만드는 데 중요한 단계입니다."라고 카파소 연구팀의 공동 제1저자이자 연구원인 드미트리 카자코프는 말했습니다. "이것이 이 플랫폼의 미래에 실질적인 가능성을 제시한다고 생각합니다."

나노포토닉 공학의 새로운 업적의 핵심은 양자 캐스케이드 레이저입니다. 이 레이저는 서로 다른 나노구조 반도체 재료를 적층하여 결맞는 중적외선 빔을 생성합니다. 수십 년 동안 모드 잠금이라는 잘 정립된 기술에 의존하여 펄스를 생성해 온 다른 반도체 레이저와 달리, 양자 캐스케이드 레이저는 본질적으로 초고속 동역학을 가지고 있어 펄스 생성이 매우 어렵습니다.

양자 캐스케이드 레이저 기반 기존 중적외선 펄스 생성기는 일반적으로 펄스 방출을 달성하기 위해 복잡한 구성과 여러 개의 개별 하드웨어 구성 요소를 필요로 합니다. 또한 일반적으로 특정 출력 전력과 스펙트럼 대역폭으로 제한됩니다.

새로운 펄스 생성기는 비선형 집적 광자학 및 집적 레이저의 여러 개념을 단일 장치로 완벽하게 결합하여 솔리톤이라고 불리는 특정 유형의 피코초 광 펄스를 생성합니다. 칩 아키텍처를 설계하면서 연구진은 겉보기에 관련성이 없어 보이는 커 마이크로공진기라는 광 변조 장치에서 영감을 얻었습니다. 이러한 창의적인 사고를 통해 모드 잠금과 같은 기존 펄스 생성 기법을 피할 수 있었습니다.

"저희의 측정은 양자 캐스케이드 레이저 연구 분야에서는 기존과 다른 것이었습니다."라고 MIT 대학원생이자 카파소 연구팀의 연구원인 공동 제1저자 시어도어 레소는 말했다. "저희는 두 가지 유형의 자기장을 병합하고 커 공진기 커뮤니티의 연구 결과를 저희 시스템에 적용했습니다. 정말 흥미로운 과정이었습니다."

"저에게 있어 이번 연구의 가장 큰 의미는, 인상적인 물리학적 결과를 넘어, 다중 구성 요소 아키텍처를 제작하고 운영하는 데 자신감을 심어주었다는 점입니다. 다중 구성 요소 아키텍처는 지금까지 중적외선 집적 광자학 분야에서 주요 과제로 남아 있었습니다."라고 논문 공동 저자이자 빈 공과대학교(TU Wien) 교수인 베네딕트 슈바르츠는 말했습니다. "우리는 이전에는 불가능할 것이라고 생각했던 기능을 구현할 수 있는 새로운 아키텍처를 이미 개발하고 있습니다."

연구진은 1980년대에 발표된 기초 이론을 바탕으로 수동 커 공진기의 기본 틀을 확립했습니다. 새로운 논문의 공동 저자 중 한 명인 루이지 루지아토는 중적외선 레이저 시스템의 역학을 설명하기 위해 원래 방정식을 재구성하는 작업을 진행했습니다.

이탈리아 인수브리아 대학교 명예교수인 루지아토는 "이것은 루지아토-레페버 방정식으로 시작된 여정의 흥미로운 정점입니다."라고 말했습니다. "수동 시스템 모델로 시작된 것이 모든 종류의 공동에서 솔리톤 주파수 빗을 위한 통합 프레임워크로 발전했습니다. 이러한 과정을 통해 우리는 임계치 이상의 광학 구동 양자 캐스케이드 레이저에서 솔리톤을 예측할 수 있었으며, 이는 이번 실험을 통해 확인되었습니다."

새로운 중적외선 레이저는 한 번에 몇 시간 동안 펄스 생성을 안정적으로 유지할 수 있습니다. 중요한 것은 기존의 산업 제조 공정을 사용하여 대량 생산할 수 있다는 점입니다.

이는 레이저의 광범위한 도입 속도를 크게 높일 수 있습니다. 이 장치는 외부 구동이 가능한 링 공진기, 링 공진기를 구동하는 온칩 레이저, 그리고 필터 역할을 하는 두 번째 능동 링 공진기로 구성됩니다. 이 칩들은 빈 공과대학교(TU Wien)에서 제작되었습니다.

"이 기술은 중적외선 분광학 분야에 진정한 변화를 가져올 것으로 기대됩니다."라고 논문 공동 저자이자 Leonardo DRS Daylight Solutions 사업부 수석 부사장 겸 총괄 매니저인 티모시 데이는 말했습니다. "기존 제조 공정을 활용하여 이러한 장치를 상업적으로 대량 생산할 수 있게 되면 환경 모니터링, 산업 공정 제어, 생명 과학 연구, 의료 진단 등 여러 시장에서 미래를 향한 발판을 마련할 수 있을 것입니다."

본 연구는 미국 국립과학재단(NSF)의 연구비 지원(ECCS2221715)을 기반으로 합니다. 국방부의 국방과학공학대학원 펠로우십 프로그램(NDEP)과 유럽연구위원회(ERC)의 지원도 받았습니다.

하버드 기술 개발 사무국은 이 연구와 관련된 혁신을 보호하고 상업적 기회를 모색하고 있습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/04/250416135347.htm