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KIST 송용원 박사 "구리 전선에 직접 그래핀 합성·공진기 삽입…제조공정 한계 극복"

광통신용 펄스 레이저(pulse laser)의 반복속도를 메가헤르츠(㎒) 수준인 기존 광섬유 기반 펄스 레이저보다 1만배 빠른 50기가헤르츠(㎓) 이상으로 높이는 기술이 개발됐다.

그림. 그래핀·링공진기 융합소자를 이용한 고반복률 레이저 펄스 그림 (출처:연합뉴스)

한국과학기술연구원(KIST)은 3일 광전소재연구단 송용원 박사팀이 펨토초(10의 15제곱분의 1초)로 동작하는 광섬유 펄스 레이저 발진기에 탄소 소재인 그래핀이 포함된 공진기를 추가로 삽입, 펄스를 기존보다 1만배 이상 빠른 57.8㎓로 발생시키는 데 성공했다고 밝혔다.

연구팀은 이를 데이터 통신에 적용하면 데이터 전송·처리 속도를 크게 높일 수 있으며, 자율주행자동차의 라이다(Lidar) 등에도 적용할 수 있을 것으로 기대하고 있다.

펄스 레이저는 빛이 아주 짧은 시간 깜빡이듯 반복되는 출력 형태의 레이저로, 세기가 일정하게 지속하는 연속 레이저보다 에너지를 크게 집속시킬 수 있는 장점이 있다.

여기에 디지털 신호를 실으면 펄스 하나에 1비트(bit)의 데이터를 전달할 수 있어 펄스 반복속도가 빠를수록 더 많은 데이터를 전송할 수 있다. 하지만 기존 일반 광섬유 기반의 펄스 레이저는 반복속도를 MHz 수준 이상으로 높이는 데 한계가 있었다.

그림. 그래핀·링공진기 융합소자를 이용한 고반복률 레이저 펄스 형성의 모식도 (출처:연합뉴스)

연구팀은 레이저 빛의 파장과 세기가 시간에 따라 변화하는 특성이 상관관계(푸리에변환)로 엮인 것에 주목, 레이저 내에 공진기를 삽입해 펄스 레이저의 파장을 주기적으로 필터링하고 이를 통해 레이저 세기 변화의 양상을 바꿨다.

송 박사는 여기에 세기가 약한 빛은 흡수해 사라지게 하고 강한 빛만 통과시켜 세기를 증폭시키는 특성이 있는 그래핀을 공진기에 융합해 레이저 세기 변화를 매우 빠른 속도로 정확하게 조절, 펄스의 반복속도를 높였다.

특히 지름 1㎜의 구리 전선 표면에 직접 그래핀을 형성시키고 그 위에 광섬유를 감아 공진기로 사용함으로써 기존의 그래핀 제조·분리·이동 과정에서 그래핀이 손상되거나 이물질이 유입돼 효율이 떨어지는 문제를 해결했다.

그림. 그래핀·링공진기 융합소자를 이용한 고반복률 레이저 펄스의 형성 원리와 출력 펄스의 실험적 특성. (출처:연합뉴스)

이렇게 만든 펄스 레이저는 반복속도 57.8㎓로 기존 광섬유 기반 펄스 레이저의 한계인 메가헤르츠 수준을 1만배 이상 뛰어넘는 성능을 보였다. 또 소자에 레이저를 추가로 가하면 그래핀의 광열효과에 의해 반복속도를 1.5㎓ 더 높일 수 있는 것으로 나타났다.

송 박사는 "공진기와 그래핀 기반의 초고속 펄스 레이저를 개발한 이 연구가 나노소재 기반의 광정보소자분야 기술 선도와 시장 선점을 가능하게 할 것으로 기대한다"고 말했다.

이 연구 결과는 나노기술 분야 국제학술지 'ACS 나노'(ACS Nano) 최신호에 게재됐다.