그래핀-감쇄파와의 향상된 상호작용을 통한 새로운 광섬유 소자 개발

Abstract

이차원 공간상에서 탄소원자가 육각형 모양으로 배열된 그래핀은 구조적인 특징으로부터 기인한 포인트 밴드 갭 특성으로 인하여 고유의 전기적, 광학적, 기계적, 화학적 특성을 가지고 있다 [1-10]. 특히 높은 3차 비선형 광학 특성, 넓은 파장 동작 영역 특성 및 매우 빠른 비선형 응답시간 등 [1-10]의 장점으로 인하여 그래핀은 광대역 선형/비선형 광학소자 및 광전소자 구현을 위한 핵심 광 소재로써 주목 받아왔다. 하지만 그래핀의 작은 광학적 흡수율(단층 그래핀의 경우 약 2.3% [6-8])로 인하여 이를 광 검출기 [11-16], 광 변조기 [17-20], 그리고 비선형 포화흡수체 [21-25] 등의 분야에 응용하는데 많은 제한이 있어 왔다. 이를 극복하기 위하여 도파로를 진행하는 빛의 감쇄파 등을 기반으로 그래핀과 빛의 상호작용을 증가시킬 수 있는 광소자가 제안되고 있지만 [26-31], 높은 효율의 그래핀 광소자 및 광전소자 구현을 위하여 극복해야 할 많은 문제들이 여전히 존재한다. 본 연구에서는 단층 그래핀과 감쇄파의 상호작용을 향상시킬 수 있는 광섬유 소자를 제안하고 이를 그래핀 광 포화 흡수체 및 그래핀 광 검출기에 응용하고자 하였다. 이를 위하여 측면 연마 광섬유 위에 고품질의 단층 그래핀을 전사한 후, 오버클래딩(over-cladding) 구조를 추가함으로써 그래핀과 감쇄파의 상호작용을 크게 향상시킬 수 있음을 실험적으로 밝혀내었다. 또한 전산모사를 통하여 오버클래딩이 추가된 그래핀 광소자에서 전기장의 분포를 계산한 결과, 오버클래딩이 존재하지 않는 경우와 비교하여 도파되는 빛의 감쇄파의 크기가 그래핀 계면에서 약 60배 증가함을 알 수 있었다. 이로부터 그래핀과 감쇄파의 상호작용이 매우 향상될 수 있음을 전산모사를 통하여 예측할 수 있었으며 이는 실제 제작된 그래핀-광섬유 광소자의 성능과 일치하는 것을 확인하였다. 제작된 그래핀-광섬유 소자를 포화 흡수체로 응용하기 위하여 어븀 첨가 전 광섬유 공진기를 구성한 후 그래핀-광섬유 소자를 삽입하여 극초단 광섬유 레이저를 제작하였다. 단층 그래핀과의 향상된 상호작용으로 인하여 1608 의 중심파장에서 377의 펄스폭을 갖는 안정적인 수동 모드 잠금 솔리톤 레이저를 구현할 수 있었다. 또한, 제작된 그래핀-광섬유 소자를 2)그래핀 광 검출기로 응용하기 위하여 측면 연마 광섬유 위에 비대칭적인 전극을 증착한 후 그래핀을 전사하고 액체 이온을 오버클래딩 매질로 사용하여 1550 의 파장대역에서 약 90 의 광 응답성을 갖는 측면 연마 광섬유 기반의 그래핀 광 검출기를 최초로 구현하였다.