그래핀의 광열효과를 기반으로 한 고효율 전광(all-optical) 광섬유 변조기 개발

Abstract

지난 십여 년 동안 그래핀의 뛰어난 전기적, 광학적, 열적, 그리고 기계적 특성은 전 세계적으로 수많은 관심을 불러일으켜 왔다. 특히, 가시광선에서 적외선 영역에 이르는 넓은 파장대역에서 2.3 %의 일정한 흡수도와 수 피코초 이내의 빠른 캐리어 응답속도, 그리고 높은 비선형성 등의 우수한 광학적 특성으로 인하여 광대역 광검출기, 극초단 펄스 레이저를 위한 비선형광소자 그리고 전광(all-optical) 변조기 등 다양한 광학소자 및 광전소자로의 연구가 활발히 진행되고 있다. 이 중에서 그래핀 기반의 전광 변조기는 광학적으로 입사하는 빛의 신호를 변조하는 소자로써 그래핀을 마이크로광섬유 위에 올리거나 감싼 형태를 통하여 포화흡수 현상을 이용한 세기변조나 광열효과(photothermal effect)를 이용한 간섭계에서 위상변조 원리를 기반으로 한 연구가 보고되고 있다. 그러나 넓은 파장 대역에서 동작이 가능하고 동시에 충분한 변조 깊이를 보이는 연구결과는 아직 보고되지 않고 있다. 본 연구에서는 그래핀의 광열효과를 기반으로 한 고효율 전광 전광섬유(all-fiber) 변조기를 개발했다. 이를 위하여 광섬유를 측면 연마 한 후 위에 대면적의 고품질 그래핀 층을 전사하고 굴절률이 정합되는 상부클래딩 물질을 도포하여 빛과 그래핀 간 강한 상호작용을 유도하였다. 그래핀에서 강한 빛 흡수에 의해 생성된 전자는 빠른 비복사 재결합 과정을 통하여 옴성(ohmic) 열을 발생시키는데, 이렇게 발생한 열은 높은 열광계수를 갖는 상부클래딩 물질의 굴절률을 변화시킨다. 측면이 연마된 광섬유를 따라 도파하던 빛은 변화된 경계조건에 의하여 모드 분포의 변화가 생기고, 이는 그래핀이 흡수하는 빛의 양을 크게 바꾼다. 결과적으로 광섬유 소자를 투과하는 빛은 광열효과를 기반으로 한 전광 조절 방식에 의하여 효율적인 광 변조가 가능하게 된다. 이러한 전광 변조 실험결과 25 mW의 980 nm 펌프 빔으로 1550 nm 신호 빔을 7.9 dB 만큼 변조시킬 수 있었다. 이와 더불어, 그래핀의 광열효과는 특정파장에 거의 구애받지 않으므로 기존의 보고된 유사연구와 비교하여 넓은 파장 영역에서 빛의 변조가 가능하다. 이를 통하여 펌프 빔과 신호 빔의 파장을 바꿈으로써 가역적인 빛의 변조가 가능함을 보였다. 실험결과 30 mW의 1550 nm 펌프 빔으로 980 nm 신호 빔을 6.6 dB 만큼 변조시킬 수 있었다. 따라서 본 연구에서 개발한 그래핀 소자는 특정 파장에 구애받지 않는 가역적인 변조가 가능한 새로운(novel) 개념의 소자이며, 전광섬유로 구성되어 다양한 광 통신 시스템에 손쉬운 결합이 가능하고, 전광 변조를 기반으로 광 신호 처리(optical signal processing) 분야에서 높은 활용가치를 가질 것으로 기대된다.