보도자료
광,전자재료센터 송용원 박사 논문, ‘Nature Photonics’의 Research Highlights에 선정
- 등록일 : 2010-04-13
- 조회수 : 8740
- 출처
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작성자
최연아
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우리 원 광∙전자재료센터 송용원 박사가 APL(Applied Physics Letters)에 투고한 논문(논문명 : Graphene mode-lockers for fiber lasers functioned with evanescent field interaction, 소실장 작용에 의해 동작하는 광섬유 레이저용 그래핀 모드 잠금 장치)이 세계적으로 권위 있는 학술지인 ’Nature Photonics’의 ‘Research Highlights’에 선정되었다.
최근 탄소 원자들의 2차원 구조로 이루어진 그래핀 (graphene)에 대한 합성과 전기적 성질에 대한 활발한 연구가 진행되고 있는 상황에서, 뛰어난 광학적 특성에도 불구하고 이러한 탄소기반의 나노소재에 대한 포토닉스의 응용 사례는 전 세계적으로 연구가 미약한 상태이다. 송용원 박사 연구팀에서는, 이러한 탄소나노구조를 초고속 고출력 펄스 레이저 개발에 응용하여, 기존에 사용 되어지던 저 효율의 펄스형성기를 대체하는데 성공하였다.
초고속 펄스 레이저는 레이저의 에너지를 극히 짧은 펄스에 집적함으로서 이를 통한 초고속 통신, 초미세 가공, 원격 정밀 순간 측정, 광학적 tomography등에 효과적으로 응용 될 수 있다. 탄소나노튜브나 그래핀 등의 탄소 나노구조체는 광학적으로 포화 흡수 (saturable absorption)라는 비선형 성질을 갖게 되는데, 이러한 물질을 레이저의 cavity내에 단순 삽입하는 것 만으로 별도의 에너지 공급이 없이 (즉, passively) 고품질의 레이저 펄스를 모드 잠금 (mode-locking)현상에 의해 형성하게 되며, 이때 이러한 나노구조체는 모드 잠금 장치 (mode-locker)가 된다 (그림 1).
특히, 그래핀은 에너지 밴드 사이의 밴드갭이 ‘0’인 ‘포인트 밴드갭’ 구조를 갖게 되어 흡수되는 파장에 제한이 없으므로 광대역 광신호의 생성 및 처리가 가능하며, 포화 흡수 현상을 위한 threshold 값이 낮고 제작이 비교적 용이한 점 등의 이점을 갖는다.
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그림 1. 포인트밴드갭을 갖는 그래핀에서의 광학적 포화 흡수 현상. 왼쪽그림은 그래핀에 의해 흡수되는 포톤을, 오른쪽 그림은 그래핀의 포화흡수에 의해 통과되는 포톤을 설명함. |
일반적으로, 그래핀은 탄소로 구성되어 있어 레이저 빔에 의한 열적손상에 취약하게 된다. 이를 극복하기 위해, 나노구조와 레이저 빔과의 상호작용에 대한 새로운 메커니즘을 고안하여 고출력 레이저의 동작에 있어서도 탄소 나노구조의 열적 손상없이 레이저 펄스가 생성되도록 하였는데, 여기에서는 레이저의 peak power가 그대로 그래핀에 전달되는 것이 아니고 evanescent field 만이 그래핀과 상호작용을 하여, 진행하는 광의 극히 일부분의 에너지로도 동일한 펄스를 형성하는 효과를 내는데 성공 하였다 (그림 2, 그림 3).
이러한 새로운 메커니즘에서는 레이저가 그래핀 층을 뚫고 진행하는 것이 아니고, 레이저가 진행하는 방향의 측면에서 그래핀이 펄스 형성기의 역할을 하게 된다. 따라서 추후 적층구조의 포토닉스 회로 등을 제작할 때 인쇄기법 등을 통해 펄스 레이저나, 초고속 스위치, 그리고 광학 논리소자 등을 실현하는 것이 가능 하게 된다 (그림 4).
그림 2. 고출력 레이저 작동을 위한 evanescent field interaction 방식 설명. 그림 3. 구성된 fiber ring laser 장치와 그래핀의 동작 모식도, 그리고 출력된 레이저의 펄스 열.
제작된 그래핀 펄스 형성기는 레이저의 펄스화 뿐 아니라, 동일한 구조에서 높은 광학적 비선형성을 통해 10 GHz급 이상의 초고속 스위치로서의 역할도 하게 된다. 여기서는 높은 효율의 Kerr shutter뿐 아니라 parametric 효과도 기대 되어, 큰 부피에 많은 에너지가 요구되었던 기존 소자를 대체해서 포토닉스 논리소자나 집적화된 모듈도 가능할 것으로 기대 된다.
송박사는 “차후 더욱 개선된 고출력 펄스 레이저 개발은 물론 다양한 나노물질 기반의 포토닉 스위치들을 개발하여, 생활 속의 기술에 대한 패러다임을 “전자기술”에서 더욱 월등한 성능을 가진 “광전자융합기술”로 변화시키는데 연구력을 집중할 계획”이라고 밝혔다.
그림 4. 차후 실현 가능한, evanescent field interaction 동작에 의한 탄소나노구조 기반의 포토닉스 집적화 소자 예시.
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