음의 열광학 효과를 이용한 자동 솔리톤 생성 방법

1999년 Hänsch 등에 의해 발표된 광주파 콤은 빗살 모양의 스펙트럼을 가지고 정밀한 광주파수 측정을 가능하게 하는 '빛의 자'로서 널리 사용되게 되었습니다. 이 기술은 2005년 노벨 물리학상을 수상했으며, 2009년에는 일본의 길이의 국가 표준으로 채택되었다. 최근에는 이 광 주파수 콤의 발생장치(공진기)를 마이크로 스케일까지 소형화하여 에너지를 절약한 '광카컴'에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다. 광카컴이 가장 안정된 상태를 광 솔리톤이라고 하며, 선행 연구를 통해 공진 파장에 대한 입력광의 파장을 적절히 변화시키면서 입력하면 이 상태를 얻을 수 있다는 것이 밝혀졌다. 그러나 실제로 광카컴을 발생시킬 때 흡수 등에 의해 발생하는 열의 영향으로 공진 파장이 변화(열광학적 효과)함에도 불구하고, 열의 영향을 고려한 연구는 거의 없었다.

따라서 본 연구에서는 열의 영향을 고려한 계산 모델을 새롭게 구축하고, 특히 지금까지 생각하지 못했던 음의 열광학 효과를 이용한 광 솔리톤의 생성 방법을 계산을 통해 보여주었다.

Fig. 2(a)는 음의 열광학 효과를 가진 CaF₂공진기를 모델로 사용했을 때의 계산 결과를 보여줍니다. 그림 2(a)는 입력 파장이 일정할 때(검은색 선), 공진기 내 광 강도의 시간적 변화(파란색 선)를 나타낸 것으로, 0 ms에 빛을 입력한 후 급격하게 광 강도가 상승하고, 이후 감소하여 안정된 상태로 전환되는 것을 알 수 있습니다. 이 최종 안정 상태에서의 공진기 내 빛의 시간 파형과 광 스펙트럼을 나타낸 것이 Fig. 2(b,c)이다. 이 결과, 공진기 내에서 가파른 펄스(광 솔리톤)가 발생하고 있으며, 스펙트럼도 깔끔한 빗살무늬를 이루고 있음을 확인할 수 있다. 이 메커니즘을 Fig. 2(d)에 나타냈다. 먼저, 공진 파장 부근의 파장을 입력하면 그 빛은 공진기 내에 갇혀 급격히 강도가 높아집니다. 이에 따라 광카 효과에 의해 공진 파장이 장파장 쪽으로 이동합니다. 그 후 빛의 흡수 등에 의해 열이 발생하고, 음의 열광학 효과에 의해 공진 파장이 단파장 쪽으로 이동합니다. 이 열광학 효과에 의한 공진 파장의 변화는 알려진 솔리톤 생성 방법인 입력 파장을 장파장 쪽으로 변화시키는 것과 실질적으로 동일하며, 솔리톤이 생성되는 원리입니다.

본 성과는 기존과 같이 광원의 입력 파장을 변경하지 않고도 자동으로 솔리톤을 생성할 수 있음을 보여줌으로써, 보다 간단하고 실용적인 광카컴의 발생 방법 중 하나로 기대할 수 있다.