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  • 기사등록 2020-12-03 12:00:03
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▲ 한국과학기술연구원 광전소재연구단 송용원 박사팀이 펨토초로 동작하는 광섬유 펄스 레이저 발진기에 그래핀이 포함된 추가의 공진기를 삽입하여, 펄스를 기존보다 10,000배 이상 빠르게 발생시킬 수 있게 만들었다. 이를 데이터 통신에 적용하면 데이터의 전송 및 처리 속도가 크게 늘어날 것으로 기대된다.



[기계신문] 급격하게 증가하는 데이터 수요에 대응하는 기술은 현재 실리콘을 기반으로 하는 전자소자에 의존하고 있다. 그러나 전자소자의 한계는 최근 심각한 문제가 되고 있다. 이를 극복하기 위해 더 빠르고, 외부 전자기장의 영향이 없으며, 경제적으로 데이터 처리가 가능한 광정보 소자에 세계적으로 많은 연구력이 투입되고 있다.


레이저는 광정보 신호 처리 기술의 기본이며, 특히 펄스 레이저는 통신, 광컴퓨팅, 이미지 스캔, 그리고 물질 가공 등의 분야에서 활발히 연구되고 있는 좋은 플랫폼이다. 특히 반도체 공정을 사용하지 않는 광섬유 기반의 레이저는 출력 품질과 경제성, 유지 및 보수의 용이성 측면에서 많은 장점을 갖는다.


이러한 레이저 펄스를 형성하는 데는 여러 방법이 있으나, 그 중에 광학적 비선형성을 갖는 나노소재를 사용하여 간단히 펄스를 형성하는 방법이 매력적이다. 그래핀은 낮은 세기의 빛은 흡수하고 높은 세기의 빛은 통과시키는 포화 흡수 특성을 갖는데, 이를 이용한 수동형 모드 잠금 방식으로 극초단 레이저 펄스의 형성이 효과적이다.


이 펄스 레이저에 디지털 신호가 실리게 되면 개개의 펄스가 비트(bit)로 작용하게 되어, 펄스가 반복되는 속도가 빠를수록 많은 데이터 전송이 가능하게 되는 것이다. 일반적인 광섬유 기반의 수동형 모드 잠금 방식으로 형성된 펄스는 긴 레이저의 길이에 의해 반복률이 제한되는 단점이 있다.


그런데 최근 한국과학기술연구원(KIST) 광전소재연구단 송용원 박사팀이 펨토초로 동작하는 광섬유 펄스 레이저 발진기에 그래핀이 포함된 추가의 공진기를 삽입하여, 펄스를 기존보다 10,000배 이상 빠르게 발생시킬 수 있게 만들었다. 이를 데이터 통신에 적용하면 데이터의 전송 및 처리 속도가 크게 늘어날 것으로 기대된다.



▲ 그래핀과 링 공진기가 융합된 소자를 이용한 고반복률 레이저 펄스 형성의 모식도. 일반적인 모드 잠금 레이저의 파장 성분을 제어하여 반복률을 극적으로 향상시킨다.



KIST 연구팀은 레이저 빛의 파장과 세기가 시간에 따라 변화하는 특성이 상관관계(푸리에변환)로 엮인 것에 주목했다. 레이저 내에 공진기를 삽입하면 펄스 레이저의 파장을 주기적으로 필터링하고, 이를 통해 레이저 세기 변화의 양상을 바꿀 수 있다.


여기에 송용원 박사는 세기가 약한 빛은 흡수하여 사라지게 하고 강한 빛만 통과시켜 세기를 증폭시키는 특성이 있는 그래핀을 공진기에 융합하여, 레이저 세기 변화를 매우 빠른 속도로 정확하게 조절되게 하여 펄스의 반복속도를 높게 만들 수 있었다.


또한 일반적으로 그래핀은 촉매금속 표면에서 합성한 후, 이것을 분리하여 원하는 기판의 표면으로 옮기게 되는데, 이 과정에서 그래핀이 손상되거나 이물질이 유입되는 문제가 있었다.


이에 연구팀은 구하기 쉬운 구리 전선 표면에 직접 그래핀을 형성시키고, 광섬유를 감아 공진기로 사용함으로써 제조 공정에서 발생하는 효율 저하의 문제점을 해결했다.



▲ 그래핀과 링 공진기의 융합 소자를 이용한 고반복률 레이저 펄스의 형성 원리 설명과 출력 펄스의 실험적 특성



그 결과, 기존 MHz 수준의 반복 속도를 보이던 펄스 레이저의 한계를 극복하여 57.8GHz의 반복 속도를 얻을 수 있었다. 또한, 레이저를 흡수하면 열이 국소적으로 발생하는 그래핀의 특성을 이용해 추가의 레이저를 소자에 가해주어 그래핀 공진기의 특성을 튜닝할 수 있게 만들었다.


KIST 이성재 연구원은 “데이터 트래픽에 대한 수요가 계속 폭발적으로 증가하고 있는 현시점에서 초고속으로 동작하고 특성을 튜닝할 수 있는 극초단 펄스 레이저는 급변하는 데이터 처리 환경에 적응할 수 있는 새로운 방안을 제시할 수 있을 것”이라고 언급했다.


송용원 박사는 “공진기와 그래핀 기반의 초고속 펄스 레이저 개발로 나노소재 기반의 광정보 소자분야의 기술 선도와 시장 선점을 가능하게 할 것으로 기대한다”고 밝혔다.



▲ 그래핀의 광-온 효과(photo-thermal effect: 빛을 받으면 국소적으로 열을 내는 특성)를 이용한 펄스 반복률 튜닝 설명 모식도와 튜닝 실험 데이터



최근의 첨단 단말기나 원격 서비스 시스템, 보다 높은 품질의 컨텐츠 등은 이러한 초고속 데이터 처리의 기술에 의존하게 된다. 이번 연구를 통해 기존 MHz 단위의 반복률에 의존하는 펄스 레이저의 광신호 전송 속도가 수만배 이상 향상이 가능하여 이와 같은 데이터 수요에 효과적인 대응이 기대된다.


또한, 어려운 사정에 처해있는 나노기술의 실용적인 응용처 발굴 측면에서도 그래핀 기반의 펄스 레이저 개발은 연구의 새로운 활력과 모멘텀을 제공할 것으로 기대되며, 나노소재 기반의 광정보 소자에 대한 세계 기술 선도와 시장 선점에서 중요한 견인차 역할을 할 것으로 예상된다.


한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부 지원 아래 KIST 주요사업과 한국연구재단 기초연구사업으로 수행되었으며, 연구 결과는 나노기술 분야 국제 저널인 ‘ACS Nano’ 최신 호에 게재되었다.


기계신문, 기계산업 뉴스채널

한음표 기자 hup@mtnews.net

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