Towards Single-Mode Continuous-Wave InP Based Photonic-Crystal Surface-Emitting Lasers at 2 µm

빛은 세상을 보는 강력한 도구이지만, 모든 빛이 동일한 것은 아닙니다. 수십 년 동안 과학자들은 바코드 판독부터 자율 주행 차량 유도에 이르기까지 다양한 작업을 수행하기 위해 특정 색상, 즉 파장의 빛을 쏘는 레이저를 설계해 왔습니다. 가장 흔한 레이저는 인간의 눈이 볼 수 있는 범위를 바로 넘어선 대역인 근적외선 영역에서 작동합니다. 그러나 2에서 2.5 마이크로미터에 이르는 스펙트럼의 다른 영역은 독특한 장점을 제공합니다. 확장 단파 적외선(extended shortwave infrared)으로 알려진 이 범위는 대기를 매우 투명하게 통과하여 원거리 감지 및 통신에 이상적입니다. 결정적으로, 이 특정 색상의 빛은 눈의 내부 액체가 망막에 도달하기 전에 이를 흡수하기 때문에 인간의 눈에 안전합니다. 이러한 이점을 활용하기 위해서는 강력할 뿐만 아니라 퍼지지 않고 하나의 순수한 색상의 빛을 방출하는 레이저가 필요합니다.

오하이오 주립대학교의 연구진은 공군 연구소 및 국립 연구소의 동료들과 협력하여 이러한 특수 레이저를 만들기 위한 중요한 발걸음을 내디뎠습니다. 그들의 연구는 광결정 표면 발광 레이저(photonic-crystal surface-emitting laser)라고 불리는 새로운 유형의 레이저 설계에 초점을 맞추고 있습니다. 빛을 측면이나 상단으로 쏘아 넓게 퍼지는 빔을 만드는 전통적인 레이저와 달리, 이 장치들은 반도체 재료에 식각된 미세한 구멍 격자를 사용합니다. 이 격자는 빛이 한 방향으로 이동하여 표면에서 수직으로 곧게 방출되도록 강제하는 거울 역할을 하여, 조밀하고 고품질인 빔을 만들어냅니다. 유사한 장치들이 더 짧은 파장용으로 제작된 적은 있지만, 연구진은 까다로운 2 마이크로미터 범위를 목표로 삼았습니다. 그들은 인듐 인화물(indium phosphide)이라는 재료를 사용하여 이 레이저를 제작하기로 선택했는데, 이는 이전 시도에서 사용되었던 더 흔한 갈륨 안티모나이드(gallium antimonide) 재료만큼, 혹은 그보다 더 우수한 성능을 낼 수 있음을 증명해야 하는 선택이었습니다.

여정은 두 재료 옵션에 대한 신중한 비교로부터 시작되었습니다. 연구진은 인듐 인화물 또는 갈륨 안티모나이드로 만들어진 레이저 내부에서 빛이 어떻게 행동할지를 시뮬레이션하기 위해 고급 컴퓨터 모델을 사용했습니다. 그들은 갈륨 안티모나이드가 낮은 전력 수준에서는 약간 더 강한 빛을 생성하지만, 인듐 인화물은 레이저가 더 강하게 구동될 때 뚜렷한 이점을 제공한다는 것을 발견했습니다. 전기 전류가 증가함에 따라 인듐 인화물 설계는 목표인 2 마이크로미터 파장에 대한 집중도를 유지한 반면, 다른 재료는 색상이 변하기 시작했습니다. 또한, 연구진은 레이저 내부에서 열이 어떻게 이동하는지 계산하기 위해 별도의 시뮬레이션을 수행했습니다. 그들은 인듐 인화물 구조가 경쟁 재료보다 내부 층을 통해 열을 더 효율적으로 전달한다는 것을 발견했는데, 이는 인듐 인화물의 클래딩 열전도율이 갈륨 안티모나이드의 32 W/(m·K)에 비해 68 W/(m·K)이기 때문입니다. 그러나 장치의 전체적인 온도 상승은 반도체 층 자체보다는 패키징과 레이저가 장착되는 인터페이스에 의해 주로 결정됩니다. 결과적으로, 갈륨 안티모나이드 장치는 고전력 부하 시 최대 7.9°C의 차이를 보이며 약간 더 높은 접합 온도를 나타냈지만, 두 플랫폼 모두의 열 관리 과제는 재료 선택 자체보다는 장착 인터페이스에 의해 좌우됩니다.

재료 선택이 확정된 후, 팀은 레이저의 물리적 설계에 착수했습니다. 그들은 반도체 얇은 층에 사각형 격자 형태로 배열된 미세한 공기 구멍 패턴을 식각했습니다. 이 구멍의 크기와 간격은 정확히 2 마이크로미터에서 빛과 공명하도록 계산되었습니다. 이 장치를 제작할 때의 핵심 과제는 식각된 구멍 위로 반도체 재료를 다시 성장시키는 과정입니다. 만약 재료가 구멍을 완벽하게 채우지 못하면 레이저의 성능이 저하됩니다. 연구진은 구멍이 완벽하게 수직 벽을 가진 시나리오와, 실제 제조 과정에서 발생하는 것처럼 역테이퍼 형태의 약간 기울어진 벽을 가진 시나리오 두 가지를 모델링했습니다. 시뮬레이션 결과, 이러한 현실적인 약간 기울어진 벽이 있더라도 레이저는 여전히 정상적으로 작동하며, 빛이 가장 강하고 안정적인 모드를 자연스럽게 선택하여 방출한다는 것을 보여주었습니다. 이는 그들의 설계가 실제 제작에 충분히 견고하다는 확신을 주었습니다.

설계가 작동함을 증명하기 위해, 팀은 최종 표면 발광 장치에 사용할 것과 동일한 인듐 인화물 및 활성 영역을 사용하여 표준 에지 발광 레이저를 제작하고 테스트했습니다. 이 테스트 레이저들은 최종 제품은 아니었지만, 중요한 개념 증명 역할을 했습니다. 전원을 켰을 때, 이 장치들은 2061 나노미터의 파장에서 성공적으로 빛을 방출하여 해당 재료가 원하는 색상을 실제로 생성할 수 있음을 확인시켜 주었습니다. 레이저는 중단 없이 연속적으로 작동했으며, 이는 모든 반도체 장치에 있어 까다로운 테스트입니다. 상온에서 이 장치들은 42.5 밀리와트의 일정한 출력을 생성했습니다. 온도가 상승함에 따라 레이저는 안정성을 유지했으나 효율은 약간 감소했는데, 이는 이 유형의 기술에서 전형적인 동작입니다. 팀은 또한 온도가 변함에 따라 레이저의 색상이 어떻게 변하는지 측정하여, 장치의 열 저항(열을 얼마나 잘 처리할 수 있는지를 나타내는 척도)을 계산할 수 있는 예측 가능한 관계를 찾아냈습니다.

이 연구의 결과는 2 마이크로미터 레이저의 미래를 위한 명확한 로드맵을 제공합니다. 인듐 인화물이 이 파장에서 고출력, 연속파 작동을 지원할 수 있음을 입증함으로써, 연구진은 대안들보다 제조가 용이하고 유리한 열적 특성을 제공하는 재료 플랫폼을 검증했습니다. 그들은 표면 발광 레이저를 만들기 위한 미세 공학이 제조 과정의 결함이 존재하는 상황에서도 실행 가능하다는 것을 보여주었습니다. 비록 팀이 아직 2 마이크로미터에서 최종 단일 모드 표면 발광 레이저를 제작하지는 않았지만, 하위 구성 요소의 성공적인 테스트와 시뮬레이션 및 예비 실험을 통한 철저한 설계 검증은 그러한 장치가 손에 닿을 거리에 있음을 시사합니다. 이러한 진전은 과학계가 도전적이지만 매우 유용한 확장 단파 적외선 스펙트럼에서 작동할 수 있는 소형의 강력하고 눈에 안전한 광원을 갖게 되는 데 한 걸음 더 다가가게 합니다.