현재까지 좁은 선폭의 레이저 개발에서 레이저 피드백 메커니즘의 진화는 레이저 공진기 구조의 진화와 동의어였습니다. 아래에서는 레이저 공진기의 진화 순서에 따라 좁은 선폭 레이저 기술의 다양한 구성을 소개합니다.
단일 주공동 레이저는 구조적으로 선형 공동과 링 공동으로 나눌 수 있으며, 공동 길이에 따라 단공동과 장공동 구조로 나눌 수 있습니다. 단공동 레이저는 단일 종방향 모드(SLM) 작동을 달성하는 데 더 유리한 큰 종방향 모드 간격을 특징으로 하지만, 고유한 공동 선폭이 넓고 노이즈 억제가 어렵다는 문제가 있습니다. 긴 공동 구조는 본질적으로 좁은 선폭 특성을 나타내며 유연한 구성으로 다양한 광학 장치를 통합할 수 있습니다. 그러나 그들의 기술적 과제는 지나치게 작은 세로 모드 간격으로 인해 SLM 작동을 달성하는 데 있습니다.
레이저 메인 캐비티의 고전적인 구성인 선형 캐비티는 간단한 구조, 고효율, 쉬운 조작 등의 장점을 자랑합니다. 역사적으로 최초의 실제 레이저 빔은 F-P 선형 공동 구조를 사용하여 생성되었습니다. 과학과 기술의 후속 발전으로 F-P 구조는 반도체 레이저, 파이버 레이저 및 고체 레이저에 널리 채택되었습니다.
링 캐비티는 고전적인 선형 캐비티의 변형으로, 광 신호의 순환 증폭을 달성하기 위해 정재파 장을 진행파로 대체하여 선형 캐비티의 공간적 홀 연소 단점을 극복합니다. 광섬유 장치의 개발에 힘입어 유연한 전체 섬유 구조를 갖춘 섬유 레이저는 광범위한 주목을 받았으며 지난 20년 동안 가장 빠르게 성장하는 레이저 카테고리가 되었습니다.
비평면 링 발진기(NPRO) 레이저는 특수한 진행파 레이저 구성을 나타냅니다. 일반적으로 이러한 레이저의 주 공동은 단방향 레이저 작동을 실현하기 위해 결정 끝면 반사와 외부 자기장을 통해 레이저 편광 상태를 조절하는 모놀리식 결정으로 구성됩니다. 이 설계는 레이저 공진기의 열부하를 크게 줄이고, 파장과 출력에서 탁월한 안정성을 제공하며, 좁은 선폭 특성을 제공합니다.
지나치게 짧은 공동 길이 및 높은 고유 손실과 같은 요인으로 인해 공동 내 피드백을 기반으로 하는 F-P 선형 공동 단일 공동 레이저 구성은 광자 상호 작용 시간이 제한되고 이득 매질에서 자발적인 방출을 제거하는 데 어려움이 있습니다. 이 문제를 해결하기 위해 연구자들은 단일 외부 공동 피드백 구성을 제안했습니다. 외부 공동은 광자 상호 작용 시간을 연장하고 필터링된 광자를 주 공동으로 다시 공급하여 레이저 성능을 최적화하고 선폭을 압축하는 기능을 합니다. Littrow 및 Littman 구성과 같은 공간 광학을 기반으로 하는 초기 단순 외부 공동 구조는 격자의 스펙트럼 분산 기능을 활용하여 정제된 레이저 신호를 레이저 주 공동에 재주입하고 주 공동에 주파수를 끌어당겨 선폭 압축을 달성합니다. 이 단일 외부 공동 구조는 나중에 광섬유 레이저와 반도체 레이저로 확장되었습니다.
단일 외부 공동 피드백 레이저 구성의 기술적 과제는 외부 공동과 주 공동 사이의 위상 일치에 있습니다. 연구에 따르면 외부 공동 피드백 신호의 공간 위상은 레이저 임계값, 주파수 및 상대 출력 전력을 결정하는 데 중요하며 레이저 종방향 모드는 피드백 신호의 강도와 위상에 매우 민감한 것으로 나타났습니다.
DBR 레이저 구성
레이저 시스템의 안정성을 강화하고 파장 선택 장치를 주 공동 구조에 통합하기 위해 DBR 구성이 개발되었습니다. F-P 공진기를 기반으로 설계된 DBR 공진기는 F-P 구조의 미러를 주기적인 수동 브래그 구조로 대체하여 광학 피드백을 제공합니다. 레이저 간섭 모드에 대한 브래그 구조의 주기적인 빗살 필터링 효과로 인해 DBR 주 공동은 본질적으로 필터링 특성을 갖습니다. 짧은 캐비티 구조로 인해 제공되는 큰 세로 모드 간격과 결합되어 SLM 작동이 쉽게 달성됩니다. 주기적인 브래그 구조는 원래 파장 선택만을 위해 설계되었지만 공동 구조 관점에서 볼 때 피드백 표면 수가 증가한 단일 공동 구조의 진화를 나타냅니다.
이득 매질에 따라 분류되는 DBR 레이저에는 반도체 레이저와 파이버 레이저가 포함됩니다. 반도체 레이저는 반도체 재료 및 마이크로 나노 공정 기술과의 제조 호환성에서 자연스러운 이점을 가지고 있습니다. 2차 에피택시, 화학 기상 증착, 스텝 포토리소그래피, 나노임프린팅, 전자빔 에칭, 이온 에칭 등 많은 반도체 제조 공정이 반도체 레이저의 연구 및 제조에 직접 적용될 수 있습니다.
DBR 파이버 레이저는 DBR 반도체 레이저보다 늦게 등장했는데 주로 파이버 도파관 처리 및 고농도 멀티 도핑 기술의 개발로 인해 제한되었습니다. 현재 일반적인 섬유 도파관 제조 기술에는 산소 결함 위상 마스킹 및 펨토초 레이저 처리가 포함되는 반면, 고농도 섬유 도핑 기술에는 MCVD(수정 화학 기상 증착) 및 SCVD(표면 플라즈마 화학 기상 증착)가 포함됩니다.
브래그 격자를 기반으로 한 또 다른 공진기 구조는 DFB 구성입니다. DFB 레이저 메인 캐비티는 브래그 구조와 활성 영역을 통합하고 파장 선택을 위해 구조 중앙에 위상 변이 영역을 도입합니다. 그림 3(b)에서 볼 수 있듯이 이 구성은 더 높은 수준의 통합 및 구조적 통일성을 특징으로 하며 DBR 구조의 심각한 파장 드리프트 및 모드 호핑과 같은 문제를 완화하여 현 단계에서 가장 안정적이고 실용적인 레이저 구성이 됩니다.
DFB 레이저의 기술적 과제는 격자 구조 제작에 있습니다. DBR 반도체 레이저의 격자 제조에는 2차 에피택시와 표면 에칭이라는 두 가지 주요 방법이 있습니다. RGF(재성장 격자 피드백)-DFB 반도체 레이저는 2차 에피택시와 포토리소그래피를 사용하여 활성 영역에서 저굴절률 격자 세트를 성장시킵니다. 이 방법은 낮은 손실로 활성층 구조를 보존하여 높은 Q 공진기의 제작을 용이하게 합니다. 표면 격자(SG)-DFB 반도체 레이저는 활성 영역 표면의 격자 층을 직접 에칭하는 작업을 포함합니다. 이 접근 방식은 더 복잡하여 활성 영역 재료 및 도핑 이온에 따라 정밀한 조정이 필요하고 손실이 더 높지만 더 강력한 광학적 감금 및 더 높은 모드 억제 기능을 제공합니다.
DBR 파이버 레이저와 마찬가지로 DFB 파이버 레이저는 파이버 도파관 처리 및 고농도 도핑 파이버 기술의 발전에 의존합니다. DBR 파이버 레이저와 비교하여 DFB 파이버 레이저는 희토류 이온의 파장 흡수 특성으로 인해 격자 제조에 더 큰 어려움을 안겨줍니다.
DFB 및 DBR과 같은 짧은 공동 주 공동 레이저는 공동 내 광자 상호 작용 시간이 제한되어 있어 깊은 선폭 압축이 어렵습니다. 선폭을 더욱 압축하고 노이즈를 억제하기 위해 이러한 짧은 캐비티 메인 캐비티 구성은 성능 최적화를 위해 외부 캐비티 구조와 결합되는 경우가 많습니다. 일반적인 외부 공동 구조에는 공간 외부 공동, 섬유 외부 공동 및 도파관 외부 공동이 포함됩니다. 광섬유 장치 및 도파관 구조가 개발되기 전에 외부 공동은 주로 개별 광학 구성 요소와 결합된 공간 광학 장치로 구성되었습니다. 이 중에서 격자 기반 공간 외부 공동 피드백 구조는 주로 레이저 이득 공동, 결합 렌즈 및 회절 격자로 구성된 Littrow 및 Littman 설계를 채택합니다. 피드백 요소인 격자는 파장 조정, 모드 선택 및 선폭 압축을 가능하게 합니다.
또한 공간 외부 공동 피드백 구조에는 F-P 에탈론, 음향 광학/전기 광학 조정 가능 필터 및 간섭계와 같은 다양한 광학 필터링 장치가 통합될 수 있습니다. 이러한 필터링 장치는 본질적으로 모드 선택 기능을 갖고 있으며 격자를 대체할 수 있습니다. 특정 높은 Q F-P 에탈론은 스펙트럼 협소화 및 선폭 압축에서 반사 격자보다 성능이 뛰어납니다.
광섬유 장치 기술의 발전으로 공간 광학 구조를 고도로 통합되고 견고한 섬유 도파관 또는 섬유 장치로 교체하는 것은 레이저 시스템 안정성을 향상시키기 위한 효과적인 전략을 나타냅니다. 섬유 외부 공동은 일반적으로 섬유 장치를 접합하여 모든 섬유 구조를 형성함으로써 높은 통합성, 유지 관리 용이성 및 간섭에 대한 강력한 내성을 제공합니다. 파이버 외부 캐비티 피드백 구조는 단순한 파이버 루프 피드백이거나 전체 파이버 공진기, FBG, 파이버 F-P 캐비티 및 WGM 공진기일 수 있습니다.
도파관 외부 공동 피드백 구조가 통합된 좁은 선폭 레이저는 더 작은 패키지 크기와 더 안정적인 성능으로 인해 광범위한 관심을 끌었습니다. 기본적으로 도파관 외부 공동 피드백은 섬유 외부 공동 피드백과 동일한 기술 원리를 따르지만, 다양한 반도체 재료와 마이크로 나노 처리 기술로 보다 작고 안정적인 레이저 시스템이 가능해 도파관 외부 공동 피드백 좁은 선폭 레이저의 실용성이 향상됩니다. 일반적으로 사용되는 반도체 레이저 재료에는 Si, Si₃N₄ 및 III-V 화합물이 포함됩니다.
광전자 발진 레이저 구성은 피드백 신호가 일반적으로 전기 신호이거나 동시 광전자 피드백인 특수 피드백 레이저 아키텍처입니다. 레이저에 적용된 최초의 광전자 피드백 기술은 PDH 주파수 안정화 기술이었습니다. 이 기술은 전기적 음 피드백을 사용하여 공동 길이를 조정하고 레이저 주파수를 높은 Q 공진기 모드 및 저온 원자 흡수 선과 같은 참조 스펙트럼에 고정합니다. 네거티브 피드백 튜닝을 통해 레이저 공진기는 레이저 작동 상태를 실시간으로 일치시킬 수 있어 주파수 불안정성을 10⁻17 수준으로 줄일 수 있습니다. 그러나 전기 피드백은 느린 응답 속도와 광범위한 회로가 포함된 지나치게 복잡한 서보 시스템을 포함하여 상당한 제한을 받습니다. 이러한 요인으로 인해 레이저 시스템의 높은 기술적 난이도, 엄격한 제어 정밀도 및 높은 비용이 발생합니다. 더욱이 시스템은 참조 소스에 대한 의존도가 높기 때문에 레이저 파장을 특정 주파수 지점으로 엄격하게 제한하여 실제 적용 가능성을 더욱 제한합니다.
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