그래핀 기반의 광학소자 제작 및 특성측정

Abstract

벌집모양의 2차원 구조를 가지는 탄소원자로 이루어진 그래핀은 기존의 bulk 물질과 구별되는 고유의 기계적, 화학적, 전기적 특성으로 가지고 있다. 특히 포인트 밴드 갭을 가지는 그래핀의 전기적 특성을 기반으로 매우 넓은 대역에서 동작 가능한 광학소자 및 광전 소자로 응용하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 도파로에 집적된 그래핀이 이를 진행하는 빛의 감쇄파와 상호작용 할 때 편광에 따른 광학적 흡수 차이를 이용하여 그래핀 기반의 광 대역 편광자 (Polarizer)에 대한 연구가 보고 되었다. 그러나 낮은 품질의 그래핀 특성과 제한된 그래핀-빛 간의 상호작용, 그리고 큰 삽입손실로 인하여 편광자 성능의 한계를 보였다. 본 연구에서는 상용화 된 평면 광파 회로 (Planar Light-wave Circuit, PLC)를 이용하여 파장 의존성이 없이 동작하는 높은 성능의 그래핀 편광자를 제작하였다. 평면 광파 회로는 광섬유와 호환성을 가지고 있어 삽입 손실이 적으며, 그래핀-빛 사이의 상호작용 길이를 수십 mm 까지 증대시킬 수 있는 장점을 가진다. 제작된 높은 품질의 그래핀을 평면 광파 회로에 전사하여 층수에 따른 편광자 특성을 분석하였고 over cladding 구조를 도입하여 소자의 성능이 향상됨을 확인하였다. 또한 본 연구에서는 그래핀에 전기장을 인가하여 페르미 준위를 변화시킴으로써 기존의 그래핀 포화 흡수체의 성능을 전기적으로 조절 하고자 하는 연구를 수행하였다. 기존의 그래핀 포화 흡수체가 가지는 고정된 변조 깊이를 전기적으로 조절하기 위해 투명전극을 이용하여 그래핀에 전기장을 인가 해 줄 수 있는 투과형 소자를 제작하였고, 그로 인해 광학적인 투과 특성이 변하는 것을 확인하였다. 또한 그래핀 포화 흡수체에 입사하는 빛의 세기에 따른 비선형 투과 특성을 측정하여 포화 흡수체의 비선형 흡수 특성을 전기적으로 조절 할 수 있음을 최초로 밝혀내었다. 나아가 광섬유 레이저에 응용하기 위하여 마이크로 광섬유를 기반으로 한 능동형 그래핀 포화 흡수체를 제작하고, 제작된 소자가 광섬유 레이저에서 포화 흡수체로서 성공적으로 동작하는 것을 확인 하였다.