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여정 목
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1 저작자표시 - 비영리 - 변경금지 2.0 대한민국 이용자는아래의조건을따르는경우에한하여자유롭게 이저작물을복제, 배포, 전송, 전시, 공연및방송할수있습니다. 다음과같은조건을따라야합니다 : 저작자표시. 귀하는원저작자를표시하여야합니다. 비영리. 귀하는이저작물을영리목적으로이용할수없습니다. 변경금지. 귀하는이저작물을개작, 변형또는가공할수없습니다. 귀하는, 이저작물의재이용이나배포의경우, 이저작물에적용된이용허락조건을명확하게나타내어야합니다. 저작권자로부터별도의허가를받으면이러한조건들은적용되지않습니다. 저작권법에따른이용자의권리는위의내용에의하여영향을받지않습니다. 이것은이용허락규약 (Legal Code) 을이해하기쉽게요약한것입니다. Disclaimer

2 이학석사학위청구논문 포화흡수체로그래핀을이용한어븀첨가광섬유레이저의큐스위칭 Q-switched erbium doped fiber lasers with a graphene-based saturable absorber 2012 년 2 월 인하대학교대학원 물리학과 ( 광학전공 ) 정해원

3 이학석사학위청구논문 포화흡수체로그래핀을이용한어븀첨가광섬유레이저의큐스위칭 Q-switched erbium doped fiber lasers with a graphene-based saturable absorber 2012 년 2 월 지도교수김경헌 이논문을석사학위논문으로제출함 인하대학교대학원 물리학과 ( 광학전공 ) 정해원

5 목 차 - ii -

6 그림목차 - iii -

7 표목차 표 2-1. Er 3+ 이온이도핑된 nlight 社의 LIEKKI Er80_8/125 의 datasheet - iv -

8 요약 최근꿈의신소재로급부상하고있는그래핀은그자체의우수한물리, 화학적특성때문에센서및전자소자, 복합체등의다양한분야에서활발한응용연구가진행되고있다. 본논문에서는그래핀을포화흡수체로이용해서큐스위칭된수동형어븀첨가광섬유레이저를만들었고그래핀의두께와레이저발진파장을바꾸어가면서큐스위치를동작시켰을때, 출력되는큐스위칭펄스의특성을연구하였다. 또한, 그래핀대신에산화그래핀을포화흡수체로삽입했을때의큐스위칭펄스의특성을통해서기존의 UV나환원제를사용하는방법이아닌고출력장파장레이저를이용한산화그래핀의환원방식이가능함을볼수있었다. 그래핀의두께를바꾸었을때나타나는큐스위칭펄스의특성은같은펌프파워에서그래핀이얇을때 ( 적은층수 ) 더높은출력, 피크파워, 반복률및짧은펄스폭을가진큐스위칭펄스를얻을수있었으며, 펄스당에너지도그래핀이 12층및 16층일때각각 8.8 및 8.5 nj로얇은층일때가더크게측정되었다. 어븀첨가광섬유 (EDF) 의형광영역안에서파장을조절하였을경우에는짧은파장대보다 1560 nm 파장대의장파장영역에서평균파워와피크파워가높았다 nm 파장대에서의큐스위칭된펄스폭은낮은펌프파워에서는상대적으로많이좁았으나, 펌프파워가높아질수록 - v -

9 1530 nm 파장대의펄스폭이많이줄어들면서더짧아지기도하였으나그차이는크지않았다. 펄스당에너지의경우 6.9 ~ 35.5 nj로장파장영역에서더크게측정되었다. 또한, 파장가변필터를이용한방법으로파장가변형펄스레이저도동작하였다. 산화그래핀을이용한큐스위치된레이저도구현이되었다. 산화그래핀이사용된경우처음에는큐스위칭이일어나지않고연속발진 (CW) 레이저가출력되지만, 펌프파워를올리고시간이지나면공진기내부의강한빛이광섬유코어에집중되어산화그래핀 (GO) 을자연환원시켜포화흡수체로동작되었다. 이때큐스위칭된레이저펄스의특성은순수그래핀을이용해서얻은큐스위칭된펄스와그특성이비슷함을볼수있었다. 이방법은포화흡수체용그래핀을손쉽게확보할수있는방법이되리라기대된다. - vi -

10 Abstract Recently graphene has been recognized as a new emerging material of excellent physical and chemical characteristics, and has been investigated for potentially useful applications to a variety of areas, such as sensors, electronic devices, and composite materials. In this paper, passively Q-switched erbium-doped fiber lasers were studied by using the graphene as a saturable absorber, and their Q-switched laser output performances were measured as the thickness of the graphene layer was varied and as the laser emission wavelength was tuned. In addition, graphene oxide layers were also used as a saturable absorber for the Q-switched fiber lasers, and a self-reduction process was observed due to strong internal optical powers inside the fiber laser cavity, which turned out to be a more useful method than the existing ultraviolet (UV) or chemical reduction methods. Q-switched fiber laser outputs showed that high average power, strong peak pulse power, high repetition rate and short pulse width were possible with a thinner graphene layer at the same pump power when two thicknesses of graphene layers were - vii -

11 compared. The measured pulse energies of the Q-switched fiber lasers with graphene thicknesses of 12 and 16 layers were 8.8 and 8.5 nj, respectively, which indicated that the thin graphene layer war preferred to a high Q-switched laser pulse energy output. The Q-switched fiber laser output was also measured by tuning the laser emission wavelength within the fluorscence region of the erbium-doped fiber (EDF) with a tunable filter placed in the cavity. From the measurements higher average power and peak pulse power were observed at the long wavelength side of 1560 nm out of the total wavelength range from 1530 nm to 1560 nm. The pulse width was shorter at the long wavelength side than the short wavelength side for low pump power, but as the pump power increased to above 90 mw, the pulse width of the short wavelengths reduced sharply and relatively shorter than the long wavelength side within a small difference. The pulse energy was measured to be larger in a range from 6.9 nj to 35.5 nj at the long wavelength side. In addition, a wavelength tunable pulsed laser operation was demonstrated with a tunable filter in the fiber laser cavity. A thin layer of the graphene oxide (GO) was also test for - viii -

12 Q-switched fiber laser operation. When the GO layer was used in a fiber laser cavity, at the beginning the Q-switched laser operation did not start immediately, but a continuous wave (CW) laser operation did. After short time operation of the CW laser mode under a strong pump condition, the Q-switched pulsed laser mode was initiated. This result indicates that a self-reduction process was undertaken for the GO under illumination of the strong CW laser beam. The Q-switched laser characteristics of the fiber laser with this self-reduced GO layer was very similar to that with a pure graphene layer saturable absorber made from a CVD process. This self-reduction process of the GO layer is an easy way to achieve a graphene-based saturable absorber. - ix -

13 서론 광섬유레이저는레이저를구성하는부품들이광섬유로연결되기때문에별도의정렬이필요하지않으며, 이득매질또한광섬유내부에길게펼쳐져있기때문에높은에너지가분산되어고출력레이저를만들기에유리한장점을가지고있다. [1] 이때사용되는이득매질은보통희토류 이온 (Er 3+, Yb 3+ 등 ) 이첨가된실리카광섬유를사용하는데, 일반적으로 1550 nm 파장영역에서의광섬유레이저로는어븀 (Er 3+, Erbium) 이온이첨가된실리카유리광섬유가널리사용되고있다. 이어븀이온이첨가된실리카유리의경우에는흡수파장대가 980 nm와 1480 nm 파장대역에있어, 이파장대의고출력반도체레이저가주로펌프광원으로사용된다. [2] 여러가지레이저펄스를만드는방법들가운데큐스위칭이나모드잠금은매우오래된기술이며, 이에대한많은연구결과가보고되고있다. 특히기존의모드잠금방식은짧은펄스폭의높은피크펄스파워를얻는방법으로잘알려져있는반면에, 큐스위칭방식은상대적으로펄스의시간폭이길고펄스당높은에너지를얻는데사용되어지고있다. 레이저의큐스위칭방식의경우에는전기광학적변조기나음향광학적변조기등과같은능동형소자를이용해주파수나펄스폭등이변조가가능한능동형큐스위칭과포화흡수체를사용한수동형큐스위칭으로나뉘어진다. [3] 본논문에서는포화흡수체를사용하는수동형큐 - 1 -

14 스위칭방식에대한연구를추진한다. 레이저의수동형큐스위칭및모드잠금구동에있어서최근에들어와포화흡수체로서그래핀 (Graphene) 이사용된결과들이보고되고있다. [4][5][6][7][8] 그래핀은우수한물리적및화학적특성을가지고있어센서및고속저전력소모형전자소자, 복합체소재등으로각광을받고있는물질이기도하다. 그래핀은탄소원자들이 2차원벌집구조의단층으로이루어진구조로밴드갭이 0이기때문에거의모든파장을흡수한다. 또한전자의특수한에너지밴드구조와잉여전자의유한성때문에훌륭한포화흡수체로사용될수있다. 그러나높은품질의그래핀을단층으로대면적에형성하기어렵다는문제점이제기되어왔다. [9] 본논문에서는포화흡수체로그래핀을사용하고이득매질로어븀이첨가된광섬유를사용해서큐스위칭광섬유레이저를제작하였으며, 이때그래핀층의수와레이저의발진파장조절에따른큐스위칭펄스의특성을측정및분석하였다. 또한, 레이저공진기내부에그래핀대신산화그래핀 (Graphene Oxide) 을삽입하고, 공진기내부의강한빛으로이를환원시켜환원된그래핀 (Reduced Graphene Oxide) 을만들었다. 이환원된상태의산화그래핀은포화흡수체로서잘동작하는것을관측한결과를다음장에서설명을하고자한다. 아울러강한레이저광을산화그래핀에비추어져환원시키는방법은향후별도의화학적환원제나자외선 (UV) 조사를사용하지않고서도환원된산화그래핀을얻을수있는방법으로도기대가된다

15 큐스위칭광섬유레이저 2-1. 광섬유레이저 큐스위칭을구연하기위한방법은매우많은종류가있으나이들중광섬유레이저는 1961년 Snitzer가처음으로구현하였다. 이후희토류원소 (Rare earth Ion) 를첨가하여만든광섬유와광섬유증폭기의개발을통하여광섬유레이저의연구가진행되었다. 따라서광섬유레이저는 CO 2 레이저와 Nd:YAG 레이저와같은산업용의고출력레이저로서많은연구가진행되고있다.[1] 희토류이온 (Rare earth Ion) 은원자내외곽전자들의전자궤도들중 4f 궤도에존재하는전자의수가 1~13개사이인원자들로써, 대부분의경우이온화될때 +3가로존재한다. 이런이온들의전자들이 4f 궤도에서 4f 궤도로천이될때에는가시광선 (550 nm) 및적외선파장 (1550 nm) 영역에서형광이발생한다. 본논문에서는어븀 (Erbium) 이첨가된광섬유를이용해광섬유레이저를제작하였으며, 어븀 3가이온 (Er 3+ ) 의전자가실리카유리내에서 4 I 13/2 4 I 15/2 준위로의천이될때발광하는빛의중심파장은 1545 nm이며약 50 nm의파장폭을갖는다

16 그림 2-1. Er +3 이온의에너지준위와전자천이구도 - 4 -

17 그림 2-1과같이실리카내에서의어븀이온 (Er 3+ ) 이첨가된어븀첨가광섬유 (erbium-doped fiber; EDF) 에대해서는전자를기저상태 ( 바닥상태 ) 4 I 15/2 에서보통 4 I 11/2 준위로는파장이 980 nm 인레이저다이오드로광펌핑을통해서전자를여기시키며, 4 I 13/2 준위로는 1480 nm 의파장을갖는레이저다이오드로여기시킨다. 물론보다높은준위로도여기가가능하지만, 이경우에는여기준위흡수 (excited state absorption; ESA) 로인하여 1550 nm 대역의파장에서의광증폭효율이낮아지는경향이있다. 또한, 1480 nm 파장대의광원으로광펌핑을할경우에는 1550 nm 파장대에서의광신호증폭시증폭된광신호의파장대와가깝기때문에증폭된신호의잡음이 980 nm 대역보다크다. 표 2-1. Er +3 이온이도핑된실리카광섬유의주요사양예시 (nlight 社의 LIEKKI Er80_8/125의 datasheet) Optical Mode field diameter at 1550 nm μm 9.5±0.8 Peak core absorption at 1530 nm db/m 80±8 core numerical aperture (nominal) Cut-off wavelength nm Geometrical and mechanical Core concentricity error μm < 0.7 Cladding diameter μm 125±2 Cladding geometry - Round Coating diameter μm 245±15 Coating material - High index acrylate Proof test Kpsi > 1-5 -

18 어븀 (Erbium) 이도핑된광섬유는여러파장에서펌핑될수있으나 980 nm와 1480 nm에서가장효율적으로흡수가이루어지며, 표 2-1는본논문의연구에서사용된 EDF의특징을보여주고있다. 이 EDF에첨가된 Er 3+ 이온의농도는대략 cm -3 이고, 군속도분산 (Group-Velocity Dispersion) 은약 -20 fs 2 /mm 이다. EDF를사용해서만든광섬유증폭기의경우주요특성을나타내는요소로작은신호이득 (Small Signal Gain), 포화출력 (Saturation), 잡음지수 (Noise Figure) 등이있다. 이때, 광증폭기의이득 (G) 은다음과같이입력신호의파워 (P input ) 와출력신호의파워 (P output ) 간의비로나타낼수있다. exp (1) 여기에서 P input 과 P output 은연속파동 (Continuous Wave) 의파워를나 타내며 P ASE 는증폭된원자들의자발방출 (Amplified Spontaneous Emission) 에의한파워를나타낸다. g(z) 는어븀이첨가된광섬유내부 에서광신호의진행거리 z 에따른이득계수의분포이며, L 은 EDFA 의전 체길이를말한다. 일반적으로증폭기내부의 Er 3+ 이온의수는한정되 어있기때문에무한정증폭이일어나지않으며, EDF 의재흡수에의해서 무조건길이가길다고해서증폭이잘일어나는것은아니다. 따라서증 폭기의포화출력은입력된주파수 ν 의광신호에의해서광섬유의모드 - 6 -

19 필드면적 (mode field area) (A), 유도방출단면적 (σ a ), 준안정준위로부터의자율방출수명 (τ sp ) 에따라변하며, 광신호의출력값이더이상커지지않고이득도감소하는경우의출력값을포화출력 (Saturation) 이라고한다.[2] (2) 광섬유레이저는구조나원리적으로고체레이저와동일하다. 그림 2-1 에서와같이 3준위레벨의고체레이저와동일한유도방출동작원리를볼수있다. 양쪽미러와공기대신에광섬유커플러 (fiber coupler) 와광섬유가들어가며, 고체의이득매질대신에어븀 (Er) 이나이터븀 (Yb) 이첨가된광섬유가삽입된다. 그림 2-2에나타낸구도는본논문에서사용된광섬유레이저의개략도이다. 980 nm 펌프레이저다이오드 (LD) 에서출력된광은파장분할이가능한 WDM(Wavelength Division Multiplex) 커플러를통과해 EDF내의 Er 3+ 이온의전자들을여기시키고이전자들의천이에의한유도방출을통해서방출된빛은시계방향으로회전하면서증폭이이루어져레이저발진이얻어진다. 이렇게발진된레이저빛은 95 % 거울에서광이출력되듯이 95:5 커플러의 5 포트를통해서공진기외부로방출되게된다

20 그림 2-2. 본논문에서사용된광섬유레이저의개요도 그림 2-3. 큐스위칭의개략적인작동원리 - 8 -

21 2-2. 큐스위칭레이저 - 9 -

22 β β β υ (3) 이식에서맨우측의괄호항은진공중에서의빛의속도와매질의굴절률을의미한다. 그러므로시간에따른광출력의증가계수는 β(c 0 /n) 이된다. 레이저의공진기 (cavity) 의길이를 l 이라고하고이득매질의길이를 L 이라고하면, 평균증가계수는 β(c 0 /n) (L/l) 이된다. 여기서공진기내부의전체광자수를 Ψ 라하면 Ψ 의시간에따른변화율을다음과같이쓸수있다. (4)

23 이식에서 -Ψ/t c 는공진기내부와외부에서손실과기타결합에의한단위시간당공진기내부의광자수의감소를나타내며, t c 는공진기내부에서의광자의수명 (photon lifetime) 으로 βl/[c 0 (1-(R1R2) 1/2 )] 로나타낼수있다. 무차원의시간 τ = t/t c 를이용하면식 (4) 는다음과같이되며, (5) β β β (6) Ψ (7)

24 (8) ln (9) 이된다. N iv 는초기의밀도반전된원자이고초기에공진기안에존재 하는광자수 Ψ i 를무시하면식 (9) 는 ln (10) 로임의의시각에서광자수와밀도반전된원자수의관계를나타낸다. 레 이저의순간출력은 P = Ψhν/t c 에서구할수있으므로식 (10) 을활용 하면, ln (11) 가된다. 여기서 P/ N v = 0 이라면최대출력은 N v = N tv 일때얻

25 을수있다. 식 (11) 에 N v = N tv 를대입하면, 최대출력을구할수있다. Q값이높아져서레이저가출력될때에는밀도반전된원자들의수가문턱조건을큰폭으로넘어서는 N in N tv 인경우로이때의최대출력파워는 (12) 가된다. 각순간에레이저출력 P 는 Ψ 와연관이있으므로식 (12) 와비교하면공진기안에축적되는최대광자수는 N iv /2 가된다고할수있다. 즉 N iv N tv 라면펄스가최대값에도달할때까지의시간이 t c 에비해서아주짧기때문에펄스의최대점, 즉 N iv = N tv 되는점에서유도방출에의해발생한광자의대부분이아직공진기안에서머물고있다고생각할수있다. N iv N tv 라고가정했기때문에그때까지발생한전광자수 (N iv -N tv )/2 는 N iv /2 와거의비슷하게된다

26 능동형큐스위칭

27 그림 2-4. 광섬유타입의능동형큐스위칭레이저의구도

28 수동형큐스위칭

29 - 17 -

30 그림 2-5. 광섬유타입의수동형큐스위칭레이저의구도

31 그래핀 의특성 그림 3-1. 개략적인그래핀의구조

32 그림 3-1 에서와같이그래핀은 4개의최외곽전자중 3개만공유결합에이용되고, 평면에수직한 Pz 궤도에전자가한개만남게되는데이전자들의선형결합으로전자의파동함수가정의된다. 페르미레벨아래위로전자의에너지밴드가선형적인분산관계로연결되어있기때문에전자는핵에의한퍼텐셜장벽의영향을받지않는마치유효질량이 0인뉴트리노와같은움직임을보인다. 또한, 0의밴드갭을가짐으로인해서모든파장의빛에대해서흡수를한다. 이는본논문에서포화흡수체로그래핀을사용하게된가장큰이유이다. 그래핀이가지고있는전자들이빛을흡수해여기되기때문에광투과율이낮아지며, 여기된전자의수와바닥상태의전자의수가같아지면투과율이다시높아지게된다. 그리고다시방출을통해서전자의에너지레벨이낮아지게되면또다시빛을흡수하게되는데이러한성질을이용해서본논문에서는그래핀을 Q스위칭레이저를만들기위한포화흡수체로사용하였다. 사용된그래핀의층수는그래핀한층당 πα( 약 2.3 %) 의손실이생기 기때문에쉽게계산할수있다. [12] 그래핀에서광투과율 T 는다음과 같은관계식을따른다. (13) 여기에서 G (=e 2 /4ħ) 는전도도이며 α (=e 2 ħ/c) 는미세구조상수, c 는광

33 속으로투과율은파장에대해서무관한상수값을갖게된다. 또한, 그림 3-2 는그래핀의라만시프트 (Raman shift) 를측정한것으로그래핀층수에따른라만피크를통해서그래핀이몇겹이있는지와그래핀의결함여부를확인할수있다. 그래핀에광자를입사했을경우광자가산란되면서입사된광자와같은에너지를가지고나오는것을레일리산란 (Rayleigh scattering) 이라하고, 그래핀내부원자들의격자진동 (phonon) 에의한에너지손실이나이득이있을때포논에의한에너지의양만큼광자가에너지를흡수해서방출되는경우를안티-스토크산란 (Anti-Stokes scattering) 이라하며, 반대로소실되어나오는경우를스토크산란 (Stokes scattering) 이라고한다. 일반적으로라만분광법은이스토크산란을이용한다. 그림 3-2 에서 D-모드의경우그래핀층의질을나타내는것으로물리적으로테이프를이용해서만든그래핀의경우결함이전혀없기때문에이피크가발견되지않는다. 본실험에서사용된그래핀의경우 CVD(Chemical Vapor Deposition) 방식으로제작하였기때문에이피크가존재한다. 라만분광법에서가장중요한피크는 2D-모드의피크로단층의경우이피크가로렌츠선형으로매우높게뜨는데 2층이상의그래핀의경우두개이상의피크가겹쳐진모양을갖으며피크의높이도감소한다. G- 모드의피크는일반적인흑연에서모두검출되는피크로그림 3-2 에서와같이모든층의그래핀에서이피크가검출된다

34 그림 3-2. CVD 방식으로제조한그래핀의층수별 Raman shift (1 층의그래핀의경우 G 모드보다 2D 모드가크고강하게검출되며깨끗한로렌찌안선형을보이지만, 2 층이되면 G 모드와 2D 모드의피크가비슷하게검출된다. 이이상층가하게되면그래핀층의원자들의진동에의해 2D 모드에 shift가일어나 2D 모드피크가상대적으로 G 모드보다작아지게되며두개이상의스펙트럼이겹친모양이된다.)

35 실험내용및결과 본논문에서는앞에서도다루었듯이광섬유를기반으로링형태의레이저공진기를제작하여수동형큐스위칭레이저를구현하였고, 이때포화흡수체로그래핀 (Graphene) 과산화그래핀 (Graphene Oxide) 을사용하였다. 대표적인실험구도는그림 2-4 와비슷하며, EDF의광펌핑용광원으로는파장이 980 nm 대역인 COSET 社의 Laser Diode를이용하 였다. 또한, 사용된 Er 3+ 이온이첨가된광섬유는앞에서도언급했듯이 nlight 社의 LIEKKI TM ER80/8-125 이며길이는약 1 미터이다. 실험에서사용된펌프 LD는그림 4-1 에서와같이동작온도가 21 일때동작전류 550 ma에서최대출력파워가약 350 mw이며, 문턱전류는약 41 mw 인고출력 LD이다. 그래핀샘플의변화에따른큐스위칭펄스의특성을보기위해서본논문에서는그래핀샘플의두께를변화시켰으며, 튜너블 (tunable) 필터를이용해레이저의발진파장을조절하였다. 또한, 산화그래핀을환원시켜그특성을측정한결과를보고하고자한다

36 그림 Pump LD 의 I-P 커브

37 그림 Ring 레이저의 I-P 커브 ( 그래핀이없을때문턱전류 106 ma로측정되었으며, Slope efficiency는 0.015로측정되었다. 12 층과 16층의그래핀이첨가되었을경우에는각각문턱전류가 110 ma, 112 ma로 shift하는경향을볼수있었으며 Slope efficiency도 0.001로감소했다.)

38 4-1. Graphene 두께에따른 Q 스위칭펄스의특성 그래핀이라고부르는것은대부분단일층을뜻하지만포화흡수체로사용함에있어서는굳이단일층이아니어도문제되지않는다. 이장에서는그림 4-2 와같은구조의링공진기내부에두께가다른두개의그래핀층을올림으로써출력되는큐스위칭펄스의특성을측정및분석하였다. 그림 4-2 의구성도에서각광소자들은광섬유커넥터들을이용해서연결하였으며, 중간에위치한그래핀은광점프코드의페룰끝단에올려마찬가지로광섬유커넥터를이용해연결하였다. 사용한두가지의샘플중하나는투과율이 63 % 인 16 층의그래핀이고, 다른하나는투과율이 73 % 인 12 층의그래핀이다. 그림 4-3 은이그래핀샘플의현미경사진이다. 중심파장이 980 nm 인펌프 LD에서출력된광은 WDM(Wavelength-Division-Multiplexing) 을지나 EDF 내의원자들을여기시킨다. 여기된원자들이바닥상태로떨어지면서방출되는 1550 nm 파장대역의광은 EDF의양쪽으로모두출력이되기때문에한쪽방향으로만공진시키기위해 EDF의한쪽에광아이솔레이터를장착하였다. 따라서시계방향으로 EDF에서방출되는광이공진을하게되고증폭되어 95 : 5 커플러의 5% 포트로출력되게된다. 그래핀의경우광섬유페룰위에올렸을때어느부분이실제로코어위에위치하는지알수없기때문에투과율을측정하는것이라만측정

39 보다더욱중요하다. 각샘플의투과율이각각 73 %, 63 % 로측정되었으며, 앞에서도언급했듯이그래핀층에서한층당 πα(2.3 %) 의투과율감소를보이기때문에이를이용해각 12, 16 층임을계산하였다. 각샘플들의 100배로확대한현미경사진은그림 4-3 에있으며 a가 12 층, b 가 16 층으로계산되었다. 그림 4-2 의레이저출력단에서출력되는큐스위칭펄스의모양은그림 4-4 와같으며, 각각 120 ma ( 펌프레이저출력 54.2 mw) 140 ma (67.9 mw) 160 ma (82.6 mw) 로펌프 LD를동작시켰을때의펄스이다. 그래핀의두께를바꾸는실험이기때문에공진기내부에밴드패스 (band pass) 필터 (3 db bandwidth 0.4 nm) 를삽입하였다. 이때의펄스의스펙트럼은그림 4-5 와같다. 펌프파워에따른큐스위칭펄스의변화특성은그림 4-6, 4-7 에나타내었다. 그림 4-4에서는펌프 LD의파워를증가함에따라큐스위칭된광섬유레이저의피크펄스파워가증가하고반복률도증가하는결과를보여주고있다. 그림 4-5에서는큐스위칭된펄스의스펙트럼을보여주고있으며, 측정된 3dB 선폭은약 0.05 nm 가되었다. 피크파장이둘로갈라지는이유는편광빔분파기 (PBS ; Polarization Beam Splitter) 로출력편광성분을둘로나누어각각의파장을측정해본결과편광포트에서피크파장이검출되었으며, 이들피크간의파워차이가 21 db에서 7 db까지편광조절기의조절에따라서변화하는것을볼수있었다. 따라서이광섬유레이저에서나오는출력은두가지의수직및수평편광성분을가지고

40 있어서이두가지의편광모드가단일모드광섬유와 EDF를지나면서편광에따른굴절률차이로인해공진기의길이가달라져서출력되는피크파장약 0.2 nm의차이를보이는것으로사료된다. 그래서그림 4-5에서는편광분리없이측정된스펙트럼이어서피크가갈라져보인다. 그림 4-6에서는펌프입력전류를 120 ma에서 160 ma까지증가시켰을때평균파워와펄스의피크파워를보여준다. 그림 4-6( 가 ) 를보면 12층의경우가 16층보다평균파워가더높으며, 그림4-6( 나 ) 에서와같이피크파워도더높은것을알수있다. slope efficiency는 W/A로두샘플이같았지만, 문턱전류가각각 110 ma(12층 ), 112 ma(16층 ) 으로 16층이더높았다. 그림 4-7에서는주파수와펄스폭을전류에따라서측정을하였는데, 역시 12층의그래핀샘플을사용한경우가동일한전류에서주파스는최대약 3 khz 컸으며, 펄스폭은약 1 μs 까지작게측정되었다

41 그림 4-2. Graphene 두께에따른큐스위칭펄스의특성측정을위한구성도

42 그림 4-3. 그래핀샘플의현미경사진 (a : 12 층, b : 16 층 )

43 그림 4-4. Pumping 파워에따른큐스위칭펄스변화 [ 위로부터펌프 LD 파워가 120 ma( 출력파워 54.2 mw), 140 ma(67.9 mw), 160 ma (82.6 mw) 일때 ]

44 그림 4-5. OSA(Optical Spectrum Analyzer) 로측정한큐스위칭 펄스의스펙트럼 ( 피크파장 nm)

45 그림 4-6. ( 가 ) 펌프입력전류에따른큐스위칭레이저의평균출력변화, ( 나 ) 펌프입력전류에따른큐스위칭펄스의피크파워변화

46 그림 4-7. ( 가 ) 펌프파워에따른큐스위칭펄스의펄스폭변화, ( 나 ) 펌프파워에따른큐스위칭펄스의주파수변화

47 Δ (14) (15)

48 - 36 -

49 4-2. 레이저발진파장튜닝에따른 Q 스위칭펄스의특성 그림 4-2 의공진기내부에투과대역파장이고정된필터대신에파장조절이가능한파장가변형필터 (Tunable filter) 를삽입하면출력되는레이저파장을바꿀수있다. 물론 EDF의형광범위안에서조절을해야가능하지만, EDF는 1545 nm를기준으로 50 nm 의파장폭을갖기때문에충분히사용가능하다. 또한다른광소자들도이구간에서는특성이거의변하지않기때문에튜너블필터만있으면쉽게그림 4-8 과같은큐스위칭혹은 CW 튜너블레이저 (tunable laser) 를만들수있다. 이실험에서는앞장에서사용한두가지두께의그래핀중에서조금더특성이좋은 12 층짜리그래핀샘플을이용했다. 튜너블필터는 3 db band width 0.1 nm 인 JDSU 社의제품을이용했으며, 실험에서파장을조절한총범위는 1530 nm부터 1560 nm이다. 필터의인터페이스가단일모드광섬유이기때문에커플링에따른오차는없었다. 그림 4-9와그림 4-10의데이터는각각펄스의피크파워, 평균출력파워, 반복률, 펄스폭을입력되는펌프파워에따라측정하였으며, 1530 nm부터 1560 nm까지파장을변화시키면서그특성을측정하였다. 그림 4-9( 가 ) 에서평균파워에대한 slope efficiency는 0.008~0.012 W/A로장파장으로갈수록높아지는경향을볼수있었으며, 평균파워는발진파장 1560 nm, 입력전류 180 ma에서최대로 (0.81 mw) 측정되었다. 그림 4-9( 나 ) 에서보이는피크파워도같은경향을보였으며같은

50 조건에서죄대 8.1 mw로측정되었다. 이그래프들에서보는바와같이가장변화폭이큰펌프입력전류 145 ma( 펌프출력파워약 72 mw) 인구간에서큐스위칭펄스의특성을보면, 장파장으로갈수록펄스들의평균파워와피크파워도증가함을볼수있다. 그러나그림 4-10( 가 ) 의그래프를보면펄스의반복률은짧은파장대에서가장높고긴파장대에서는낮아지는경향이있으며, 차이는입력전류 180 ma에서최대로각각 khz, khz로약 7 khz의차이를보였다. 그림 4-10( 나 ) 를보면펄스폭이 Exponential하게감소하는것을볼수있는데펄스폭은펌프입력전류 165 ma 이하에서는긴파장대에서상대적으로짧고짧은파장대에서길지만 ( 입력전류 145 ma에서각각 μs, 7.78 μs 약 12 μs의차이를보임 ), 펌프파워가증가할수록짧은파장대의펄스폭이급격히짧아지면서펌프입력전류가 170 ma 이상 ( 펌프출력파워 90 mw) 에서는오히려긴파장대의펄스폭보다더짧아짐이관측되었다. 그러나그값의차이는최대 1.3 μs로크지않았다. 펌프입력전류가 145 ma 일때의펄스당에너지는식 15를이용해서계산하면파장에따라약 6.9 nj부터 35.5 nj까지장파장으로갈수록증가하는것을볼수있다. 따라서필터를이용하는방식을사용하면수동형큐스위칭튜너블레이저를만들수있다. 물론이방식도모드잠금펄스를만들어더좁은튜너블필터를만들수있으며, 해외에서이와관련된논문이발표된사례도있다

51 그림 4-8. 파장가변형필터를사용한큐스위칭 광섬유레이저의구성도

52 그림 4-9. ( 가 ) 입력된펌프파워에따른큐스위칭레이저의평균파워 ( 나 ) 입력된펌프파워에따른큐스위칭펄스의피크파워

53 그림 ( 가 ) 입력된펌프파워에따른큐스위칭펄스의반복률 ( 나 ) 입력된펌프파워에따른큐스위칭펄스의펄스폭

54 4-3. 산화그래핀을이용한큐스위칭펄스의특성

55 ν (16) μ

56 내부에필터가없기때문에중심에서약 0.08 nm 떨어진곳에서그림 4-14( 나 ) 에서처럼일정한간격을가지고다른종방향의모드가존재하지만, 중심파장은 nm 로측정되었다. 그리고측정된 3dB 선폭은 0.05 nm μ

57 그림 산화그래핀의라만스펙트럼 (D 모드가매우크게측정 ) 그림 산화그래핀을 100 배확대한현미경사진

58 그림 산화그래핀을이용한광섬유레이저의구성도

59 그림 환원된그래핀으로출력되는수동형큐스위칭펄스의 스펙트럼 ( 가 ) Linear scale, ( 나 ) Log scale

그림 4-15. 출력되는큐스위칭레이저펄스 ( 가 ) 펌프입력전류 230 ma ( 펌프출력 131.

60 그림 출력되는큐스위칭레이저펄스 ( 가 ) 펌프입력전류 230 ma ( 펌프출력 mw) 일때, ( 나 ) 펌프입력전류 150 ma ( 펌프출력 75.2 mw) 일때

61 그림 펌프파워에따른큐스위칭펄스의반복률과펄스폭

62 그림 펌프파워에따른큐스위칭펄스의평균파워와 펄스당에너지

63 결론 본논문에서는최근노벨물리학상으로이슈가된그래핀을포화흡수 체로사용해그래핀박막의두께변화와파장가변필터의파장가변에 의한레이저발진파장에따른어븀첨가광섬유의큐스위칭된펄스레 이저의발진특성을연구하였다. 그결과 비교적얇은두께의그래핀을 사용했을때더높은평균출력, 피크파워, 반복률과짧은펄스폭을가진큐스위칭펄스를얻을수있었기때문에 16 층그래핀보다 12 층의비교적얇은두께의그래핀을사용했을때큐스위칭레이저발진에유리함을알수있었다. 또한 Er 3+ 이온의형광파장영역인 1530 nm ~ 1560 nm 파장내에서레이저발진파장에따른큐스위칭펄스의특성을비교했을때 1560 nm 파장대에서는펄스들의평균파워와피크펄스파워가높았다. 그러나펄스폭은펌프입력전류 165 ma( 펌프출력파워 85 mw) 이하에서는 1560 nm 파장대에서상대적으로더짧지만, 펌프파워가증가할수록 1530 nm 파장대의펄스폭이급격히짧아지면서펌프파워가 90 mw( 펌프입력전류 170 ma) 이상에서는오히려긴파장대의펄스폭보다더짧아짐이관측되었다. 또하나의추가적인연구로광섬유커넥터의단면에산화그래핀을흡착시켜이를레이저공진기내부에삽입했을때, 이산화그래핀이광섬유레이저내의내부레이저파워에의해큐스위칭이가능한상태로환원되는결과를볼수있었다. 이는레이저공진기내부의강한빛으로환원되어환원된산화그래핀 (Reduced Graphene Oxide; RGO) 가생성

64 된것으로볼수있다. 산화그래핀은단층을만들기용이하기때문에다루기쉬운장점이있다. 이를장파장대역의레이저를증폭시켜서산화그래핀에조사할경우쉽게좋은품질의환원된산화그래핀 (RGO) 을얻을수있을것으로예상된다. 조사시간이나강도에따른추가적인실험과환원된그래핀의품질을확인하는몇가지작은실험들이남았으나이를해결한다면, 위험한자외선레이저나화학약품을사용하지않고도산화그래핀을손쉽게넓은면적에균일한층으로형성될수있어향후많은분야에응용이가능할것으로기대된다

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67 연구실적물목록 SCI 급국제학술저널논문 1) Measurement of nonlinear coefficient of a highly nonlinear fiber based on peak four-wave mixing signal generation conditions, Seoung Hun Lee, Hae Won Jung, Seung Hwan Kim, Dong wook Kim, Kyong Hon Kim, Opt. Commun., vol. 284, pp (Sept. 1, 2011). doi: /j.optcom ) 1-GHz All-Optical Flip-Flop Operation of Conventional Cylindrical-Shaped Single-Mode VCSELs Under Low Power Optical Injection, Seoung Hun Lee, Hae won Jung, Kyong Hon Kim, Min Hee Lee, Byeung-Soo Yoo, Jay Roh, and K. Alan Shore, IEEE Photonics Technol. Lett., vol. 22, No. 23, pp (December 1, 2010) 3) All-Optical Flip-Flop Operation Based on Polarization Bistability of Conventional-Type 1.55-mm Wavelength Single-Mode VCSELs, Seoung Hun Lee, Hae Won Jung, Kyong Hon Kim and Min Hee Lee, J. of the Optical Society of Korea, vol. 14, no. 2, pp (June 30, 2010)

68 국내학술저널논문 1) Optical System Design and Experimental Demonstration of Long-range Reflective-type Precision Displacement Sensors, Jae In Lim, Seoung Hun Lee, Seung Hwan Kim, Hae Won Jung, Min Hee Lee, Shung Whan Kim, and Kyong Hon Kim, Korean Journal of Optics and Photonics, Vol. 22, No. 3, pp (June 2011), DOI: /KJOP 국제학술대회논문발표 1) Wavelength-dependent Q-switched laser performance of erbium-doped fiber laser with a graphene saturable absorber, H. W. Jung, S. H. Lee, H. K. Yoon, B.-J. Lee, G. H. Jeong, H. Y. Yu, and K. H. Kim, NanoKorea 2011, Seoul, Korea (August 25, 2011) paper P1101_135. 2) Low Jittered Optical Pulse Generation from a Gain-Switched Single-Mode VCSEL with an External Laser Beam Injection, Hae Won Jung, Seoung Hun Lee, Kyong Hon Kim, Dong Wook Kim, Vijay Manohar Deshmukh, and Min Hee Lee, International Conf. on Optical Internet 2010, Jaju, (July 12-14, 2010) Paper PS

69 3) Graphene Thinkness-Dependent Q-switched Fiber lasers Hae. Won. Jung, Seoing Hun Lee, Byeong Joo Lee, Goo Hwan Jeong, Han Young Yu, and Kyong Hon Kim, CLEO Pacific Rim 2011, Australia, Sydney (August 29, 2011) paper 2700-PO-79b. 국내학술대회논문발표 1) 1.3 µm 파장대 10 Gbps VCSEL 의단일모드광섬유전송연구 (Study of single-mode fiber transmission of 1.3 µm-wavelength 10 Gb/s vertical-cavity surface-emitting lasers), 정해원, 이승훈, 김경헌 COOC 2011, 경주대명리조트 ( ~27, 26) TP-15 [ 우수논문상수상 ] 2) 포화흡수체로산화그래핀을이용한어븀첨가광섬유레이저의큐스위칭 (Q-switched erbium doped fiber laser with graphene oxide as a saturable absorber), 정해원, 이승훈, 김동욱, 김경헌, Photonics Conference, 평창 ( )

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90 감사의글 석사과정을시작한지며칠지난것같은데어느덧졸업과함께입사를하게된시점이다가왔습니다. 학교에있으면서학교생활, 연구, 공부그리고취직까지잘마무리할수있도록지도해주신저의지도교수님김경헌교수님께감사한마음을이렇게글로나마남깁니다. 그리고대학원과정을보다잘수행할수있도록지도해주신이민희교수님, 광학을보다깊게이해하도록지도해주신류한열교수님그리고대학원생활과물리를보다재미있게하도록지도해주신김기식교수님께감사의말을전합니다. 교수님정말감사합니다. 연구실에서생활하면서처음부터끝까지많은것을가르쳐준승훈이형, 즐겁게이끌어준세민이형, 대학원생활을즐겁게만들어준승환이, 연구를많이도와준동욱이, 즐겁게따라준효근이와흥선이그리고연구실은다르지만졸업에도움을준상준이에게감사의말을전합니다. 끝으로연구에전념할수있도록든든한버팀목이되어준부모님과누나, 매형그리고함께해준지희에게감사의말을전합니다 년 12 월 17 일 정해원올림

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