종모드 (Longitudinal Mode)

한 줄 정의: 광공진기의 축 방향으로 정상파를 형성하며 존재할 수 있는, 서로 다른 진동수를 가진 개별 발진 모드입니다.

쉽게 풀면

기타 줄을 튕기면 줄의 길이에 맞는 특정 음높이의 소리만 울리듯이, 레이저 공진기 안에서도 거울 사이의 거리에 딱 맞는 파장의 빛만 정상파로 존재할 수 있습니다. 이렇게 공진기 축 방향으로 만들어지는 여러 개의 허용된 파장(진동수)들을 종모드라고 부릅니다. 공진기 길이가 파장의 정수 배와 일치할 때만 안정적으로 존재할 수 있기 때문에, 종모드는 일정한 진동수 간격을 두고 촘촘하게 늘어서 있습니다.

왜 중요한가

레이저가 몇 개의 종모드에서 발진하느냐에 따라 출력 스펙트럼의 폭과 결맞음 특성이 달라지므로, 단일 주파수 레이저나 극초단 펄스 레이저를 설계할 때 종모드 제어는 핵심적인 과제입니다. 광통신에서는 단일 종모드 레이저가 신호 왜곡을 줄이는 데 중요하게 쓰입니다.

논문에서는 이렇게 쓰입니다

"The frequency spacing between adjacent longitudinal modes is inversely proportional to the optical resonator length."

인접한 종모드 사이의 진동수 간격이 광공진기 길이에 반비례한다는 설명으로, 공진기 설계와 모드 구조를 분석할 때 자주 쓰입니다.

"A distributed feedback structure was used to suppress unwanted longitudinal modes and achieve single-frequency operation."

분포궤환 구조를 이용해 불필요한 종모드를 억제하고 단일 주파수 발진을 달성했다는 뜻으로, 단일모드 레이저 다이오드 연구에서 쓰입니다.

조금 더 깊게 보면

인접한 종모드 사이의 진동수 간격은 빛의 속도를 공진기의 왕복 광경로 길이로 나눈 값으로 근사할 수 있어, 공진기가 길수록 모드 간격은 좁아집니다. 여러 종모드가 동시에 이득매질의 이득 대역폭 안에 들어오면 다중모드 발진이 일어나고, 반대로 모드 선택 구조를 사용하면 하나의 종모드만 남기는 단일모드 발진을 얻을 수 있습니다.

주의할 점

종모드는 공진기 축을 따라 정의되는 개념으로, 빔의 단면 분포를 나타내는 횡모드와는 다른 개념이므로 혼동하지 않아야 합니다. 또한 실제 레이저 출력 스펙트럼은 종모드 구조뿐 아니라 이득 대역폭, 모드 경쟁 등 여러 요인의 영향을 함께 받습니다.