연구원들은 활성 모드 잠금을 위해 니오브산 리튬을 사용하여 광자 칩에 소형 모드 잠금 레이저를 제작하는 새로운 방법을 개발했습니다. 이 기술은 대규모 초고속 레이저 실험을 칩 규모 형식으로 구현하고 펄스 지속 시간을 더욱 단축하고 피크 전력을 증가시킬 것을 약속합니다.
레이저는 일상 생활에서 상대적으로 보편화되었지만 레이브 파티에서 조명 쇼를 제공하고 식료품의 바코드를 스캔하는 것 외에도 많은 용도로 사용됩니다. 레이저는 통신, 컴퓨팅, 생물학, 화학, 물리 연구 분야에서도 중요합니다.
후자의 응용 분야에서는 1조분의 1초(1피코초) 이하의 초단 펄스를 방출할 수 있는 레이저가 특히 유용합니다. 이러한 작은 시간 규모에서 작동하는 레이저를 사용하여 연구자들은 화학 반응 중 분자 결합의 생성 또는 파괴, 물질 내부의 전자 이동 등 매우 빠르게 발생하는 물리적, 화학적 현상을 연구할 수 있습니다. 이러한 극초단 펄스는 피크 강도가 극도로 높지만 평균 전력이 낮아 생물학적 조직과 같은 샘플이 가열되거나 연소되는 것을 방지하기 때문에 이미징 응용 분야에도 널리 사용됩니다.
사이언스(Science)에 발표된 논문에서 Caltech의 전기 공학 및 응용 물리학 조교수인 Alireza Marandi는 자신의 연구실에서 포토닉 칩에서 모드 고정 레이저라고 불리는 레이저를 만들기 위해 개발한 새로운 방법을 설명합니다. 레이저는 나노 규모의 구성 요소(나노미터는 10억분의 1미터)를 사용하여 제작되었으며 현대 전자 장치에서 발견되는 전기 기반 집적 회로와 유사한 광 기반 회로에 통합될 수 있습니다.
Marandi는 "우리는 모드 고정 레이저를 더 작게 만드는 것 이상에 관심이 있습니다."라고 말했습니다. "우리는 나노포토닉 칩에서 성능이 뛰어난 모드 고정 레이저를 만들고 이를 다른 구성 요소와 결합하게 되어 기쁩니다. 그 시점에서 우리는 집적 회로에서 완전한 초고속 포토닉 시스템을 구축할 수 있게 될 것입니다. 이는 현재 미터 규모 실험에 속하는 풍부한 초고속 과학 및 기술을 밀리미터 규모 칩으로 가져올 것입니다."
초고속 레이저 및 노벨상 수상
이러한 초고속 레이저는 연구에 매우 중요하므로 올해의 노벨 물리학상은 아토초 펄스(아토초는 1/5초)를 생성할 수 있는 레이저를 개발한 세 명의 과학자에게 수여되었습니다. 그러나 이러한 레이저는 현재 매우 비싸고 부피가 크므로 Marandi는 자신의 연구가 저렴하고 배포 가능한 초고속 광자 기술을 개발한다는 목표로 훨씬 저렴하고 작은 칩에서 이러한 시간을 달성할 수 있는 방법을 모색하고 있다고 언급했습니다.
"이러한 아토초 실험은 거의 항상 초고속 모드 고정 레이저를 사용하여 수행됩니다"라고 그는 말했습니다. "이러한 실험 중 일부는 최대 천만 달러의 비용이 들 수 있으며 그 중 큰 부분은 모드 고정 레이저의 비용입니다. 우리는 나노포토닉스에서 이러한 실험과 기능을 복제하는 방법에 대해 생각하게 되어 기쁩니다."
Marandi의 연구실에서 개발된 나노포토닉 모드 잠금 레이저의 핵심은 외부 무선 주파수 전기 신호의 적용으로 레이저 펄스를 제어하고 형성할 수 있는 독특한 광학적, 전기적 특성을 지닌 합성 염인 니오브산리튬입니다. 이 접근 방식을 공동 내 위상 변조 활성 모드 잠금이라고 합니다.
"약 50년 전 연구자들은 데스크탑 실험에서 모드 고정 레이저를 생성하기 위해 공동 내 위상 변조를 사용했으며 이 방법은 다른 기술에 비해 그다지 적합하지 않다고 믿었습니다"라고 논문의 첫 번째 저자이자 Marandi 연구실의 전 박사후 연구원인 Guo Qiushi가 말했습니다. "그러나 우리는 이것이 우리의 통합 플랫폼에 완벽하게 적합하다는 것을 알았습니다."
"우리의 레이저는 작은 것 외에도 다양한 매력적인 특성을 나타냅니다. 예를 들어, 우리는 넓은 범위에 걸쳐 출력 펄스의 반복 속도를 정밀하게 조정할 수 있습니다. 이를 활용하여 주파수 측정 및 정밀 감지에 중요한 칩 크기의 안정적인 주파수 빗 소스를 개발할 수 있습니다"라고 현재 뉴욕 시립 대학교 첨단 과학 연구 센터의 조교수인 Guo는 덧붙였습니다.
향후 목표 및 연구 시사점
Marandi는 자신의 목표가 50펨토초(1펨토초는 1조분의 1초)에 도달하는 것을 목표로 더 짧은 시간 규모와 더 높은 피크 전력에서 작동할 수 있도록 기술을 계속 개선하는 것이라고 말했습니다. 이는 4.8피코초 길이의 펄스를 생성하는 현재 장치보다 100배 향상된 것입니다.
이번 연구를 소개하는 논문은 '나노포토닉 리튬 니오베이트의 초고속 모드 고정 레이저'라는 제목으로 사이언스(Science) 11월 9일자에 게재됐다.