단일모드 온칩 에르븀 도핑 탄탈럼 옥사이드 마이크로링 레이저

초록

본 논문은 실리콘 기판 위에 맞춤형 다마스케인 공정을 적용해 Er:Ta₂O₅ 이득 매질을 구현하고, 마이크로링과 U형 파형 가이드를 결합한 하이브리드 캐비티를 이용해 Vernier 효과로 강력한 모드 선택을 달성한 단일모드 마이크로링 레이저를 제시한다. 0.73 dB/cm의 낮은 전파 손실, Q≈5.0×10⁵, SMSR 53.3 dB, 라인폭 9.5 pm, 슬로프 효율 2.76 %(임계 전력 3.3 mW)라는 최고 수준의 성능을 기록했으며, 18–68 °C 온도 범위에서 안정적인 파장 튜닝이 가능함을 보였다.

상세 분석

이 연구는 Er³⁺가 도핑된 Ta₂O₅(Er:Ta₂O₅) 얇은 막을 실리콘 기판 위에 증착하고, 다마스케인(Damascene) 공정을 변형해 1 µm 폭·450 nm 두께의 파형 가이드를 형성함으로써 고품질 광학 코어를 구현하였다. 스퍼터링 조건(200 °C, RF 100 W, Ar/O₂ 20/5 sccm, 압력 0.3 Pa)과 CMP·고온 어닐링을 통해 결함 없는 충전과 Er³⁺ 활성화를 달성했으며, 결과적으로 전파 손실 0.73 dB/cm와 Q = 5.03×10⁵라는 뛰어난 내재 품질을 얻었다.

핵심 설계는 마이크로링과 두 개의 대칭 결합점을 갖는 U형 파형 가이드를 결합한 하이브리드 캐비티이다. 두 서브 캐비티는 서로 다른 자유 스펙트럼 범위(FSR)를 가지고 있어 Vernier 효과를 유도한다. 이 효과는 전체 스펙트럼을 넓은 주기(≈7.12 nm)로 조절하면서 특정 파장만이 동시에 공명하도록 하여, 장거리 모드 경쟁을 억제하고 단일모드 출력을 보장한다. 또한, 비공명 펌핑(1480 nm)을 채택함으로써 펌프 광이 캐비티 내에서 다중 반사되지 않아 펌프 파워의 스펙트럼 순도에 대한 민감도가 크게 감소한다. 이는 에너지 전환 효율을 높이고 온도 변동에 대한 안정성을 강화한다.

전송 행렬 방법(TMM)을 이용해 각 결합 구간과 전파 구간의 매트릭스를 연쇄적으로 곱함으로써 전체 캐비티의 전송 스펙트럼을 정량적으로 예측하였다. 실험적으로 측정된 라인폭(FWHM = 9.5 pm)과 SMSR(53.3 dB)은 모델이 예측한 Vernier 피크와 일치했으며, 온도에 따른 파장 이동(≈25 nm) 역시 열광학 계수와 열팽창에 기인한 공명 조건 변화와 부합한다.

슬로프 효율 2.76 %는 기존 Er:Ta₂O₅ 레이저(보통 ≤0.3 %)에 비해 10배 이상 향상된 수치이며, 이는 (1) 낮은 손실 고Q 구조, (2) 높은 모드 겹침(≈90 %)을 갖는 펌프·시그널 모드, (3) Vernier 기반의 강력한 모드 억제 메커니즘이 복합적으로 작용한 결과이다. 임계 전력 3.3 mW는 온칩 레이저로서는 매우 낮은 수준이며, 29 mW 펌프에서 72 µW(단일 포트) 출력 전력을 달성했다. 향후 반사소자를 통합하거나 이득 구역을 연장하면 출력 전력을 수배로 확대할 수 있을 것으로 기대된다.