KR101146560B1 - Method for manufacturing pulsed laser using graphene prepared by mechanical exfoliation - Google Patents

Abstract

PURPOSE: A method for manufacturing a pulse laser and the pulse laser are provided to manufacture the pulse laser by applying graphene on a laser element through mechanical stripping. CONSTITUTION: Graphite is stripped by using a tape to control a thickness. The end of optical fiber supported by an optical fiber ferrule is compressed in the graphite. Graphene is applied on the end of the optical fiber. The interface between graphenes in the graphite is separated by strong interaction between the surface of the optical fiber and the graphite. The graphene is coated on the surface of the optical fiber. A process of stripping off the graphite by using a tape is repetitively performed to control the thickness of the graphite.

Description

기계적 박리로 제조된 그래핀을 이용하여 펄스 레이저를 제조하는 방법 및 그 펄스 레이저{Method For Manufacturing Pulsed Laser using Graphene Prepared by Mechanical Exfoliation}Method for manufacturing pulsed laser using graphene manufactured by mechanical peeling and its pulsed laser {Method For Manufacturing Pulsed Laser using Graphene Prepared by Mechanical Exfoliation}

본 발명은 그래핀을 이용한 펄스 레이저에 관한 것이다.The present invention relates to a pulse laser using graphene.

펄스 레이저는 연속파 레이저에 대비하여 펄스 모양의 출력을 얻을 수 있는 레이저를 일컫는다.The pulse laser refers to a laser capable of obtaining a pulsed output as compared to a continuous wave laser.

초고속 펄스 레이저의 개발은, 현재 대용량 광신호 처리, 초고속 센싱 등 많은 분야에 크게 기여해 왔다. 펄스 레이저에서 짧은 펄스폭을 가지는 펄스열을 생성하기 위한 모드 잠김 기술은 크게 능동형 모드 잠김과 수동형 모드 잠김 방법으로 나누어진다. 능동형 모드 잠김 방법에는 레이저 매질의 비선형으로 인하여 자발적으로 생기는 자기 모드 잠김, 레이저 내에 변조기를 두어 모드 간격과 같은 주파수로 변조하는 강제 모드 잠김이 있고, 수동형 모드 잠김 방법에서는 포화성 흡수체(Saturable Absorber, SA)를 사용하는 것이 일반적이다.The development of ultrafast pulsed lasers has contributed greatly to many fields, such as large capacity optical signal processing and ultrafast sensing. Mode locking techniques for generating pulse trains with short pulse widths in pulse lasers are largely divided into active mode locking and passive mode locking. Active mode locking methods include self-mode locking due to the nonlinearity of the laser medium, forced mode locking to modulate at the same frequency as the mode interval by placing a modulator in the laser, and a saturable absorber (SA) in the passive mode locking method. Is usually used.

상기 수동형 모드 잠김 방법 중의 대표적인 방법 중의 하나가 바로 CPML 방법인데 광증폭기(Optical amplifier)와 포화성 흡수체(Saturable Absorber, SA) 등으로 구성되어 반대방향으로 진행하는 두 개의 펄스가 포화성 흡수체(SA)에서 가간섭성(Coherent)의 상호작용을 일으킴으로써 극초단 펄스를 생성하는 방법이다.One of the representative methods of the passive mode locking method is the CPML method, which consists of an optical amplifier and a saturable absorber (SA), and the two pulses traveling in opposite directions are saturable absorbers (SA). This is a method of generating ultra-short pulses by causing coherent interactions at.

상기 수동형 모드 장김 방법 중, 보편화된 방법은 반도체 박막 (semiconductor saturable absorber mirror; SESAM)을 이용한 방법이었으나, 복잡하고 경제성이 떨어지는 반도체 공정을 사용해야 하는 점과, 그 이외에도 열적으로 취약하고 광섬유와의 호환성에 있어서도 많은 문제점을 갖다.Among the passive mode longening methods, the generalized method was a method using a semiconductor thin film absorber mirror (SESAM), but a complicated and inexpensive semiconductor process should be used. Even with many problems.

따라서, 펄스 레이저의 개발에 새로운 나노 물질을 도입하여, 펄스 형성의 효과와 집적도를 높이려는 시도가 탄소나노튜브를 통해 이루어져 왔다. Therefore, the introduction of new nanomaterials in the development of pulse lasers, attempts to increase the effect and the degree of integration of the pulse has been made through carbon nanotubes.

구체적으로, 탄소나노물질이 갖고 있는 광학적 비선형 포화흡수 특성을 이용하여, 레이저 공진기 내에서 모드 잠금을 유도하고 이에 따라 수동적으로 고품질의 펄스를 형성하는 연구는 최근 급격히 많이 이루어져 왔다. Specifically, studies on inducing mode locking in a laser resonator and passively forming high-quality pulses using optical nonlinear saturation absorption characteristics of carbon nanomaterials have been made rapidly.

특히, 탄소 나노 물질 중에서도 탄소나노튜브에 기반한 레이저 펄스 형성기의 연구가 많이 진행되어 왔다. 1차원의 탄소 나노 구조체가 갖는 포화 흡수 (saturable absorption)라는 주목할 만한 광학적 비선형성으로 인해, 별도의 광학 소자를 제작하지 않고, 레이저 공진기(cavity)내에 물질을 삽입하는 것 만으로 높은 품질의 레이저 펄스를 형성할 수 있었다. In particular, many researches have been made on the laser pulse generator based on carbon nanotubes among carbon nanomaterials. Due to the remarkable optical nonlinearity called saturable absorption of one-dimensional carbon nanostructures, high quality laser pulses can be generated simply by inserting materials into the laser cavity without fabricating a separate optical device. Could form.

그러나 이러한 탄소나노튜브 또한 몇 가지 문제점을 갖고 있는데, (i) 탄소나노튜브의 높은 비표면적으로 인해 서로 응집이 잘 되며 이로 인해 비선형성의 저하를 초래하며, (ii) 각각의 나노 물질에 대한 배열이 어렵고, (iii) 각각 나노 구조에 대한 비틀림 (chirality)과 직경의 제어가 힘들어 반도체 특성을 갖는 탄소 나노 튜브의 밴드갭 (bandgap)에 대한 조절이 어려운 점 등이 포함 된다. However, these carbon nanotubes also have some problems, such as: (i) the high specific surface area of the carbon nanotubes causes them to coagulate with each other, leading to a decrease in nonlinearity, and (ii) the arrangement for each nanomaterial. And (iii) difficult to control the chirality and diameter of each nanostructure, and difficult to control the bandgap of the carbon nanotubes having semiconductor characteristics.

이러한 밴드갭 조절의 어려움으로 인해 탄소나노튜브의 동작 대역폭이 제한 되게 되며, 이를 해결하기 위해 다른 종류의 탄소나노튜브를 혼합하여 동작 대역폭을 증가시키려는 연구가 진행되고 있으나, 효율면에서는 큰 진전을 보여주고 있지는 못한 실정이다. Due to the difficulty in controlling the bandgap, the operating bandwidth of the carbon nanotubes is limited, and researches to increase the operating bandwidth by mixing different types of carbon nanotubes have been conducted. It is not giving.

이의 극복을 위해 최근 다른 형태의 탄소나노물질인 그래핀에 관한 연구가 이루어져 왔다. 그래핀은 탄소 원자가 2차원에서 규칙적으로 배열된 형태로서, 기존의 어떤 소재보다 빠른 비선형 포화 흡수 현상을 갖게 되는데, 그래핀은 캐리어의 높은 이동도를 가지며, 에너지 밴드사이의 밴드갭이 ‘0’인 포인트 밴드갭 구조를 갖게 되어 흡수되는 파장에 제한이 없어, 광대역 광신호의 생성 및 처리에 있어서 큰 잇점을 갖게 된다. In order to overcome this, a study on graphene, which is another type of carbon nanomaterial, has been made recently. Graphene is a form in which carbon atoms are regularly arranged in two dimensions and has a faster nonlinear saturation absorption phenomenon than any other material. Graphene has a high mobility of carriers, and the band gap between energy bands is '0'. It has an in-point bandgap structure, and there is no limitation in the wavelength absorbed, which brings great advantages in the generation and processing of wideband optical signals.

특히 그래핀은 탄소나노튜브와 비교하여 i) 포인트 밴드갭 구조로 인해 동작하는 파장대가 장파장쪽으로 넓게 확장될 수 있고, ii) 보다 짧은 재생시간 (recovery time)으로 인해 더 짧은 펄스를 형성할 수 있으며, iii) 다른 탄소나노구조에 비해 제조와 transfer가 용이한 점 등의 몇가지 필적할만한 장점으로 집중적인 연구의 대상으로 떠올랐다.In particular, compared to carbon nanotubes, i) the wavelength band operating due to the point bandgap structure can be extended to a longer wavelength, and ii) shorter pulses can be formed due to shorter recovery time. and iii) it has emerged as the subject of intensive research with several comparable advantages, such as being easier to manufacture and transfer than other carbon nanostructures.

이와 같은 그래핀은 탄소나노튜브에 비해 제조가 용이하고 특성 제어가 용이한 장점이 있는 반면, 특정 기판 위에 전사 또는 제조가 한정되는 단점이 있다.Such graphene has advantages in that it is easy to manufacture and easy to control properties compared with carbon nanotubes, but has a disadvantage in that transfer or manufacturing is limited on a specific substrate.

따라서, 본 발명의 목적은 그래핀을 비선형 포토닉스 소자에 응용하기 위해 기존의 그래핀 제조 방법보다는 더욱 간단하면서 나노 물질의 고품질을 유지할 수 있는 제조 방법을 제공하는데에 있다.Accordingly, it is an object of the present invention to provide a manufacturing method that is simpler than the conventional graphene manufacturing method to maintain the high quality of the nanomaterial for applying graphene to nonlinear photonic devices.

보다 구체적으로, 본 발명의 목적은 기계적 박리에 의한 그래핀을 레이저요소 위에 도포하여 펄스 레이저를 제조하는 방법을 제공하는데에 있다. More specifically, an object of the present invention is to provide a method for manufacturing a pulse laser by applying a graphene by mechanical peeling on the laser element.

전술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 기계적 박리 방법으로 그래핀을 제조한 후, 광섬유 페룰 (ferrule) 끝에 도포함으로써, 펄스 레이저를 제조한다. In order to achieve the above object, the present invention manufactures a graphene by mechanical peeling method, and then by applying the end of the optical fiber ferrule (ferrule), to produce a pulse laser.

보다 구체적으로, 전술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 그래핀(Graphene)을 이용하여 펄스 레이저를 제조하는 방법을 제공한다. 상기 방법은 테이프를 이용하여 그래파이트를 박리하여, 그래파이드 두께를 조절하는 단계와; 상기 그래파이트에 페룰로 지지되는 광섬유의 끝단을 압착하여, 그래핀을 광섬유 끝단 표면에 형성하는 단계를 포함할 수 있다. More specifically, in order to achieve the above object, the present invention provides a method of manufacturing a pulse laser using graphene (Graphene). The method includes peeling graphite using a tape to adjust the thickness of graphite; The method may include forming graphene on an optical fiber end surface by compressing an end of the optical fiber supported by ferrule on the graphite.

상기 그래파이트 두께 조절 단계에서는 상기 테이프를 이용하여 그래파이트를 박리하는 과정을 반복하여, 상기 그래파이트를 목표 두께로 조절할 수 있다.In the graphite thickness adjusting step, the graphite may be peeled off using the tape to adjust the graphite to a target thickness.

상기 압착 단계에서는, 광섬유 끝단에 상기 두께가 조절된 그래파이트를 압착하게 되는데, 이때 그래파이트와 광섬유 표면 사이의 강한 상호작용으로 인해, 그래파이트 내의 그래핀과 그래핀 간의 인터페이스가 분리되게 되어, 광섬유 표면에 도포된다.In the crimping step, the thickness-adjusted graphite is squeezed to the ends of the optical fiber, and due to the strong interaction between the graphite and the optical fiber surface, the interface between the graphene and the graphene in the graphite is separated and applied to the optical fiber surface. do.

상기 방법은 상기 그래핀이 도포된 광섬유를 레이저 공진기 내에 삽입하는 단계를 더 포함할 수 있다.The method may further include inserting the graphene coated optical fiber into a laser resonator.

한편, 전술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 그래핀을 이용한 펄스 레이저 장치를 제공한다. 상기 펄스 레이저 장치는 공진기 내의 편광을 조절해 주는 편광조절기(polarization controller)와; 상기 편광 조절기에 연결되고, 공진기 내의 색분산(chromatic dispersion)을 조절하기 위한 단일 모드 광섬유(single mode fiber; SMF)와; 여기서 상기 광섬유의 끝단에는 그래핀이 도포되어 포화흡수로 인해 이웃하는 모드들의 위상(phase)의 잠김을 유도하고, 상기 광섬유 내의 레이저의 이득값을 조절하는 증폭기와; 상기 증폭된 레이저의 출력 펄스를 유도하는 커플러와; 상기 커플러에 연결되어 한쪽 방향으로 빛을 진행시키는 아이솔레이터(isolator)를 포함할 수 있다.On the other hand, in order to achieve the above object, the present invention provides a pulse laser device using a graphene. The pulse laser device comprises a polarization controller for controlling polarization in the resonator; A single mode fiber (SMF) coupled to the polarization controller for adjusting chromatic dispersion in the resonator; Wherein the end of the optical fiber is coated with graphene to induce the locking of the phase (phase) of neighboring modes due to saturation absorption, and to adjust the gain value of the laser in the optical fiber; A coupler for inducing an output pulse of the amplified laser; It may include an isolator connected to the coupler for advancing light in one direction.

상기 그래핀은 상기 레이저의 진행방향과 수직되게 상기 광섬유의 끝단에 도포되어 있다. 상기 그래핀은 상기 광섬유의 페룰 사이에 압착되어 도포되어 있다.The graphene is applied to the end of the optical fiber perpendicular to the traveling direction of the laser. The graphene is pressed and applied between the ferrules of the optical fiber.

존의 반도체 기반의 소자나 탄소 나노 튜브를 사용한 레이저 펄스 형성 소재나 소자의 경우에 비해, 빠른 재생시간을 갖는 그래핀을 사용할 경우, 보다 좁은 폭을 갖는 광펄스 형성이 가능하며, 그래핀의 ‘포인트 밴드갭??구조로 인해 동작 스펙트럼의 범위가 극적으로 증가하며, 그래핀의 물리적인 제조 방법으로 인해 나노물질 자체의 결정성이 화학적 제조방법에 의한 그래핀과 비교했을 때 월등히 좋아지며, 경제성과 공정효율 면에서도 비교할 수 없을 정도의 경쟁력을 갖게 된다.Compared to the case of laser-based materials or devices using zone-based semiconductor devices or carbon nanotubes, graphene having a faster regeneration time can form optical pulses with a narrower width. Due to the point bandgap structure, the range of the operating spectrum increases dramatically, and the physical manufacturing method of graphene significantly improves the crystallinity of the nanomaterial itself compared to graphene by chemical manufacturing method, and economics. In terms of process efficiency and incomparable competitiveness.

도 1은 기계적 박리에 의해 제조된 그래핀을 광섬유 페룰 끝에 도포하는 방법을 나타낸다.
도 2는 도 1에 도시된 기계적 박리에 의해 제조된 그래핀의 나노구조를 나타낸다.
도 3은 기계적 박리에 의해 제조된 그래핀의 라만 측정 결과를 나타낸다.
도 4는 기계적 박리에 의해 제조된 그래핀의 색분산 측정 결과 및 측정 장치의 구조를 나타낸다.
도 5는 펄스 레이저의 구조를 나타낸다.
도 6은 도 1에 도시된 방법에 따라 도포된 그래핀을 요소(component)로 사용한 펄스 레이저의 출력을 나타낸다.1 shows a method of applying graphene prepared by mechanical peeling to an optical fiber ferrule end.
FIG. 2 shows a nanostructure of graphene prepared by mechanical peeling shown in FIG. 1.
Figure 3 shows the Raman measurement results of the graphene prepared by mechanical peeling.
Figure 4 shows the chromatic dispersion measurement results of graphene produced by mechanical peeling and the structure of the measuring device.
5 shows the structure of a pulsed laser.
FIG. 6 shows the output of a pulsed laser using graphene coated as a component according to the method shown in FIG. 1.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 발명의 사상을 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 발명의 사상이 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 됨을 유의해야 한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings, and the same or similar components will be given the same reference numerals regardless of the reference numerals, and redundant description thereof will be omitted. In the following description, well-known functions or constructions are not described in detail since they would obscure the invention in unnecessary detail. In addition, it should be noted that the accompanying drawings are only for easily understanding the spirit of the present invention and should not be construed as limiting the spirit of the present invention by the accompanying drawings.

이하, 도면을 참조하여 설명하기 앞서, 본 발명의 개념에 대해서 잠시 설명하기로 한다.Hereinafter, the concept of the present invention will be briefly described before explaining with reference to the drawings.

본 발명에서는 광섬유 레이저의 펄스를 형성에 있어서, 반도체 기반의 소자와 탄소나노튜브의 단점을 보완하고 광대역 동작을 실현하기 위해 그래핀을 사용함에 있어서, 탄소나노결정상에 많은 결함을 갖게 되는 화학적인 방법으로 그래핀을 제조하는 것이 아니라, 간단한 제조 방법과 높은 결정성을 장점으로 하는 기계적 박리에 의해 그래핀을 제조한다. 즉 본 발명은 기계적 박리 방법, 즉, 스카치 테입을 이용하여 그래핀을 박리한 후, 상기 그래핀 위에 광섬유 페룰을 압착하여 페룰 끝면에 그래핀을 도포하고, 이를 레이저 공진기내에 삽입함으로써 펄스 레이저를 제조하는 방법을 제공한다. 그래핀은 레이저 공진기 내에 진행하는 여러 모드들의 모드 잠김 (mode-locking)을 통해 빠른 속도의 펄스를 수동적으로 형성할 수 있는데, 여기서 그래핀은 포인트 밴드갭 특성을 통한 넓은 동작 스펙트럼과 초고속의 응답시간을 갖게 된다. In the present invention, in forming a pulse of a fiber laser, a chemical method that has many defects on the carbon nanocrystals in using graphene to compensate for the shortcomings of semiconductor-based devices and carbon nanotubes and realize broadband operation. Instead of preparing graphene, graphene is manufactured by mechanical exfoliation which has advantages of a simple manufacturing method and high crystallinity. That is, the present invention, after peeling the graphene by using a mechanical peeling method, that is, scotch tape, compressing the optical fiber ferrule on the graphene to apply the graphene to the end of the ferrule, and inserting it into the laser resonator to manufacture a pulse laser Provide a way to. Graphene can passively form high-speed pulses through mode-locking of several modes within the laser resonator, where graphene has a wide operating spectrum and ultra-fast response time through point bandgap characteristics Will have

일반적으로, 그래핀은 일반적으로 화학적 기상 증착 방법이나 용액내의 화학반응에 의해 합성/제조되는데, 이한 방법에 기계적 박리 방법, 즉, 스카치 테입을 사용한 박리 방법은 월등히 단순화된 공정일 뿐 아니라, 고품질의 그래핀 제조가 가능하나, 크기와 형상 제어 등의 어려움으로 인해 실용적 응용이 제한되어 왔다. 이와 같이 본 발명에 따라 기계적 박리 방법으로 제조된 그래핀은 기존 화학적으로 제조된 그래핀에 비해 결정성 등의 특성과 공정 효율이 뛰어나 효과적인 레이저 펄스 형성기 제작이 가능하다. In general, graphene is generally synthesized / manufactured by chemical vapor deposition or chemical reaction in solution. In this method, mechanical peeling, that is, peeling using Scotch tape, is not only a simplified process but also a high quality process. Graphene manufacturing is possible, but practical applications have been limited due to difficulties in size and shape control. As such, the graphene manufactured by the mechanical peeling method according to the present invention has excellent characteristics such as crystallinity and process efficiency compared to conventionally manufactured graphene, and thus, an effective laser pulse former can be manufactured.

도 1은 기계적 박리에 의해 제조된 그래핀을 광섬유 페룰 끝에 도포하는 방법을 나타낸다.1 shows a method of applying graphene prepared by mechanical peeling to an optical fiber ferrule end.

도 1을 참조하여 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에서는 광섬유 레이저의 펄스를 형성에 있어서 반도체 기반 소자와 탄소나노튜브의 단점을 보완하고 광대역 동작을 실현하기 위해 그래핀을 사용함에 있어서, 탄소나노결정상에 많은 결함을 갖게되는 화학적인 방법으로 그래핀을 제조하는 것이 아니라, 간단한 제조 방법과 높은 결정성을 장점으로 하는 기계적 박리에 의해 그래핀을 제조한다.As can be seen with reference to Figure 1, in the present invention, in the formation of the pulse of the fiber laser, in order to compensate for the shortcomings of the semiconductor-based device and carbon nanotubes and to realize the broadband operation, carbon nanocrystalline phase The graphene is manufactured by mechanical peeling, which has advantages of a simple manufacturing method and high crystallinity, rather than the production of graphene by a chemical method having many defects.

구체적으로 도 1(a)에 도시된 바와 같이, 먼저 출발 물질인 그래파이트(graphite)로서 10 mm X 10 mm의 highly ordered pyrolytic graphite (HOPG)의 결을 스카치 테입을 이용하여 벗겨냄으로써 두께를 조절한다. 그러나 이러한 물리적 박리법은 크기 문제나 그래핀 층수 제어의 어려움 등이 포함된 많은 단점으로 인해 전자 소자에서의 응용에 한계가 있었으며, 마찬가지로 포토닉스 소자의 응용은 불가능하리라 여겨져, 시도되지 않았다. 그러나, 본 발명에서는 이러한 기계적 박리법을 이용하여 포토닉스 소자에 적용하는 방법을 제시하였다.Specifically, as shown in FIG. 1 (a), first, the thickness of the 10 mm × 10 mm highly ordered pyrolytic graphite (HOPG) as a starting material is controlled by peeling off the scotch tape. However, this physical exfoliation method has a limitation in application in electronic devices due to many disadvantages including size problems and difficulty in controlling the number of graphene layers, and likewise, application of photonic devices is considered impossible and has not been attempted. However, in the present invention, a method of applying to a photonics device using such a mechanical peeling method is proposed.

즉, 도 1(b)에 도시된 바와 같이, 상기 스카치 테이프로 박리된 그래핀에 광섬유 페룰을 압력을 가해 스탬핑과 같은 방법으로, 다층의 그래핀 층을 광섬유 페룰 끝면 위에 도포한다. 즉, 그래핀에 광섬유 페룰을 압착시키는데, 이때 그래파이트와 비정질 유리인 광섬유 사이의 강한 상호작용으로 인해 그래파이트/실리카의 인터페이스를 이루게 되면서 그래파이트 내의 그래핀/그래핀 인터페이스가 분리되게 되어, 도 1(c)와 같이 페룰 끝에 도포된다. 그래핀이 페룰 위에 도포된 것은 도 1(d)를 통해 도식적으로 확인할 수 있다. 이와 같이 그래핀이 페룰위에 도포되면, 그래핀은 레이저의 진행방향과는 수직이 되게 된다.That is, as shown in Figure 1 (b), by applying a pressure to the optical fiber ferrule to the graphene peeled off with the scotch tape, a multilayer graphene layer is applied on the end surface of the optical fiber ferrule. That is, the optical fiber ferrule is squeezed onto the graphene. At this time, the graphite / silica interface is separated while the graphite / silica interface is formed due to the strong interaction between the graphite and the amorphous glass optical fiber, FIG. 1 (c). Is applied to the end of the ferrule. The application of graphene on the ferrule can be confirmed schematically through FIG. 1 (d). When the graphene is applied on the ferrule as described above, the graphene becomes perpendicular to the direction in which the laser travels.

도 2는 도 1에 도시된 기계적 박리에 의해 제조된 그래핀의 나노 구조를 나타낸다.FIG. 2 shows a nanostructure of graphene prepared by mechanical peeling shown in FIG. 1.

도 2를 참조하여 알 수 있는 바와 같이, 도 1에 도시된 기계적 박리에 의해 제조된 그래핀의 층을 atomic force microscopy (AFM)와 Raman 분석을 통해 나노구조와 결정성을 고찰하였다. 도 2(a)는 2차원 AFM 이미지를 나타내며, 도 2(b)는 도 2(a)에 표시된 부분의 높이 분포 분석를 나타낸다. 도 2(b)를 참조하여 알 수 있는 바와 같이 제조된 그래핀의 두께는 sub-nanometer (2~3층)에서 약 3 nanometer(7~8층)에 달하는데, 1~2 nanometer(3~5 층) 두께를 갖는 그래핀의 분포가 가장 많았다. As can be seen with reference to FIG. 2, the nanostructure and crystallinity of graphene prepared by mechanical exfoliation shown in FIG. 1 were investigated through atomic force microscopy (AFM) and Raman analysis. Figure 2 (a) shows a two-dimensional AFM image, Figure 2 (b) shows the height distribution analysis of the portion shown in Figure 2 (a). As can be seen with reference to Figure 2 (b) the thickness of the graphene is about 3 nanometers (7 to 8 layers) in the sub-nanometer (2 to 3 layers), 1 to 2 nanometers (3 to 5 layers) The distribution of graphene having the thickness was the most.

한편, 포토닉스 소자의 응용에 있어서는, 전자 소자에의 응용에서와 같이 정확히 단일층의 그래핀을 요구하지 않으며, 단일층으로부터 약 열층까지는 비선형 포화 흡수 현상을 보이게 되는데, 포화흡수의 강도는 그래핀 층수에 역비례 하므로 단일층 그래핀이 선호 되어지나, 다층 그래핀으로 제조된 그래핀 층의 포토닉스 소자 응용에서는 무작위로 분포된 그래핀 층수의 평균값이 적용되게 된다.On the other hand, the application of photonic devices does not require exactly one layer of graphene as in the application of electronic devices, and shows a nonlinear saturated absorption phenomenon from the single layer to about ten layers. Single-layer graphene is preferred because it is inversely proportional, but the average value of randomly distributed graphene layers is applied in photonic device applications of graphene layers made of multilayered graphene.

도 3은 기계적 박리에 의해 제조된 그래핀의 라만 측정 결과를 나타낸다.Figure 3 shows the Raman measurement results of the graphene prepared by mechanical peeling.

도 3(a)는 로그 플롯에 의한 기계적 박리에 의한 그래핀의 라만 측정 결과를 나타내는데, 이를 참조하여 알 수 있는 바와 같이, 현저히 작은 D 피크가 관찰된다. 도 3(a) 내에 삽입된 그림은 다층 계단구조의 그래핀을 투과전자현미경(TEM)으로 관찰한 결과를 나타낸다.Figure 3 (a) shows the results of the Raman measurement of the graphene by mechanical peeling by a log plot, as can be seen with this, a significantly small D peak is observed. The figure inserted in FIG. 3 (a) shows the results of observing graphene having a multi-layered step structure with a transmission electron microscope (TEM).

한편 도 3(b)는 화학적 방법으로 제조된 그래핀과 기계적 박리로 제조된 그래핀의 라만 비교 분석을 나타내는데, 기계적 박리에 의해 제조된 그래핀이 월등히 낮은 D 피크를 보이고 있다.Meanwhile, FIG. 3 (b) shows a Raman comparative analysis of graphene prepared by chemical peeling and graphene prepared by mechanical peeling. Graphene prepared by mechanical peeling shows an extremely low D peak.

따라서, 도 3(b)에서와 같은 라만 분석을 통해서, 기계적 박리로 제조된 그래핀의 결정성이, 화학적으로 제조된 그래핀에 비해 월등히 좋은 결정성을 갖는 것을 확인했다. 이러한 성질은 라만분석 데이터의 D 피크와 G 피크의 비율에 의해 알 수 있게 되는데, D 피크의 값이 커질수록 결정내의 결함농도가 높아지게 된다. 결론적으로 보다 간단한 기계적 박리에 의해 더 좋은 결정성을 가진 그래핀을 얻게 되어, 공정과 나노구조면에서 볼 때 높은 효율이 실현될 수 있다.Therefore, through Raman analysis as shown in Figure 3 (b), it was confirmed that the crystallinity of the graphene prepared by mechanical peeling has a much better crystallinity than the chemically produced graphene. This property can be known by the ratio of the D peak and the G peak of the Raman analysis data. As the value of the D peak increases, the defect concentration in the crystal increases. As a result, graphene having better crystallinity can be obtained by simpler mechanical peeling, so that high efficiency can be realized in terms of process and nanostructure.

도 4는 기계적 박리에 의해 제조된 그래핀의 색분산 측정 결과 및 측정 장치의 구조를 나타낸다.Figure 4 shows the chromatic dispersion measurement results of graphene produced by mechanical peeling and the structure of the measuring device.

도 4를 참조하여 알 수 있는 바와 같이, 기계적 박리 방법로 제조된 그래핀을 광섬유 링 레이저 구조내에 삽입하여 펄스 레이저를 제작하기 전에, 그래핀 층이 갖는 고유의 색분산 값을 측정하였는데, 그 결과는 무시할만한 색분산 값이 측정되었다.As can be seen with reference to Figure 4, before the graphene prepared by the mechanical peeling method is inserted into the optical fiber ring laser structure to fabricate the pulse laser, the inherent color dispersion value of the graphene layer was measured, the results Negligible color dispersion values were measured.

도 5는 펄스 레이저의 구조를 나타낸다.5 shows the structure of a pulsed laser.

도 5를 참조하여 알 수 있는 바와 같이, 그래핀이 모드 잠금 장치로 사용되고 있는, 광섬유 펄스 레이저는 레이저 이득값을 제공해 주는 erbium-doped fiber amplifier(EDFA), 출력 펄스를 유도하는 커플러, 한쪽방향으로 빛을 진행시키는 isolator, 진 내의 전체적인 색분산값을 맞춰주는 일반 단일 모드 광섬유(single mode fiber; SMF), 그리고 공진기 내의 편광을 조절해 주는 편광조절기(polarization controller; PC)를 포함한다. 상기 펄스 레이저의 출력단에는 광학 스펙트럼 분석기와 오실로스코프가 연결되어 있다. 이를 통해 출력에 대한 실험치는 도 6을 참조하여 알 수 있다.As can be seen with reference to Figure 5, the graphene is used as a mode lock device, the optical fiber pulse laser is an erbium-doped fiber amplifier (EDFA) that provides a laser gain value, a coupler for inducing an output pulse, in one direction It includes an isolator that propagates light, a single-mode fiber (SMF) that adjusts the overall color dispersion in the bin, and a polarization controller (PC) that controls the polarization in the resonator. An optical spectrum analyzer and an oscilloscope are connected to an output terminal of the pulse laser. Through this, the experimental value for the output can be seen with reference to FIG.

도 6은 도 1에 도시된 방법에 따라 도포된 그래핀을 요소(component)로 사용한 펄스 레이저의 출력을 나타낸다.FIG. 6 shows the output of a pulsed laser using graphene coated as a component according to the method shown in FIG. 1.

도 6(a)는 오실로스코프로 측정한 펄스열을 나타내고, 도 6(b)는 광학 스펙트럼 분석기로 측정한 출력 스펙트럼, 도 6(c)는 RF 스펙트럼 분석기로 측정한 RF 스펙트럼을 나타내었는데, 그래핀 동작의 재현성을 위해 세 개의 샘플로 같은 실험이 이루어 졌으며, 동일한 결과가 도출되었다.Figure 6 (a) shows the pulse train measured by the oscilloscope, Figure 6 (b) shows the output spectrum measured by the optical spectrum analyzer, Figure 6 (c) shows the RF spectrum measured by the RF spectrum analyzer, graphene operation The same experiment was performed with three samples for the reproducibility of the same and the same results were obtained.

출력의 특성으로 10.92 MHz의 반복률과 0.8 nm의 스펙트럼 폭, 그리고 40 dB 이상의 extinction ratio를 얻었으며, 펄스폭은 3.2 picosecond의 펄스폭과 1576 nm의 동작 중심 파장을 얻었다. 결과적으로 기계적인 박리를 통해 제조된 다층의 그래핀을 비선형 소재로 이용하여, 초고속의 광섬유 펄스 레이저를 제작하여 우수한 성능을 보였다.The output characteristics were obtained with a repetition rate of 10.92 MHz, a spectral width of 0.8 nm, and an extinction ratio of more than 40 dB. The pulse width was 3.2 picosecond pulse width and 1576 nm operating center wavelength. As a result, by using a multi-layered graphene manufactured by mechanical exfoliation as a nonlinear material, an ultrafast optical fiber pulse laser was produced to show excellent performance.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명하였으나, 본 발명의 범위는 이와 같은 특정 실시예에만 한정되는 것은 아니므로, 본 발명은 본 발명의 사상 및 특허청구범위에 기재된 범주 내에서 다양한 형태로 수정, 변경, 또는 개선될 수 있다.While the present invention has been described with reference to exemplary embodiments, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments, but, on the contrary, May be modified, modified, or improved.

Claims (8)

그래핀(Graphene)을 이용하여 펄스 레이저를 제조하는 방법으로서,
테이프를 이용하여 그래파이트를 박리하여, 그래파이트 두께를 조절하는 단계와;
상기 그래파이트에 광섬유 페룰로 지지되는 광섬유의 끝단을 압착하여, 상기 광섬유 끝단에 그래핀을 도포하는 단계를 포함하되,
상기 그래핀을 도포하는 단계는,
상기 그래파이트와 상기 광섬유 표면 사이의 강한 상호작용으로 인해, 상기 그래파이트 내의 그래핀과 그래핀 간의 인터페이스가 분리되게 되어, 상기 광섬유 표면에 도포되는 것을 특징으로 하는 그래핀을 이용한 펄스 레이저를 제조 방법.As a method of manufacturing a pulse laser using graphene,
Peeling graphite using a tape to adjust graphite thickness;
Comprising the step of applying the graphene to the end of the optical fiber by pressing the end of the optical fiber supported by the optical fiber ferrule on the graphite,
The step of applying the graphene,
Due to the strong interaction between the graphite and the surface of the optical fiber, the interface between the graphene and the graphene in the graphite is separated, it is applied to the surface of the optical fiber, the method of manufacturing a pulse laser using a graphene. 제1항에 있어서, 상기 두께 조절 단계에서는
상기 테이프를 이용하여 그래파이트를 박리하는 과정을 반복하여, 상기 그래파이트를 목표 두께로 조절하는 것을 특징으로 그래핀을 이용한 펄스 레이저 제조 방법.The method of claim 1, wherein the thickness control step
The method of manufacturing a pulse laser using graphene by repeating the process of peeling graphite using the tape to adjust the graphite to a target thickness. 삭제delete 제1항에 있어서, 상기 광섬유 표면에 도포된 상기 그래핀은,
1 - 20 층으로 도포되는 것을 특징으로 하는 그래핀을 이용한 펄스 레이저 제조 방법.The method of claim 1, wherein the graphene applied to the surface of the optical fiber,
Pulse laser manufacturing method using a graphene, characterized in that applied to 1 to 20 layers. 제1항에 있어서, 상기 광섬유 표면에 도포된 상기 그래핀은,
10 nanometer - 100 micrometer의 크기로 도포되는 것을 특징으로 하는 그래핀을 이용한 펄스 레이저 제조 방법.The method of claim 1, wherein the graphene applied to the surface of the optical fiber,
Pulse laser manufacturing method using a graphene, characterized in that applied to the size of 10 nanometer-100 micrometer. 공진기 내의 편광을 조절해 주는 편광조절기(polarization controller)와;
상기 편광 조절기에 연결되고, 상기 공진기 내의 색분산(chromatic dispersion)을 조절하기 위한 단일 모드 광섬유(single mode fiber; SMF)와,
여기서 상기 광섬유 페룰의 끝단에는 그래핀이 도포되어 포화흡수로 인해 이웃하는 모드들의 위상(phase)의 잠김을 유도하고;
상기 광섬유 내의 레이저의 이득값을 조절하는 증폭기와;
상기 증폭된 레이저의 출력 펄스를 유도하는 커플러와;
상기 커플러에 연결되어 한쪽 방향으로 빛을 진행시키는 아이솔레이터(isolator)를 포함하되,
상기 광섬유는,
테이프를 이용하여 박리된 그래파이트에 상기 광섬유 페룰로 지지되는 상기 광섬유의 끝단을 압착하여, 상기 그래파이트와 상기 광섬유 표면 사이의 강한 상호작용으로 인해, 상기 그래파이트 내의 그래핀과 그래핀 간의 인터페이스가 분리되게 되어, 상기 광섬유 페룰의 끝단에 상기 그래핀이 도포되는 것을 특징으로 하는 그래핀을 이용한 펄스 레이저 장치.A polarization controller for controlling polarization in the resonator;
A single mode fiber (SMF) coupled to the polarization controller for adjusting chromatic dispersion in the resonator;
Wherein graphene is applied to the ends of the optical fiber ferrules to induce the locking of phases of neighboring modes due to saturation absorption;
An amplifier for adjusting a gain value of the laser in the optical fiber;
A coupler for inducing an output pulse of the amplified laser;
Isolator is connected to the coupler for advancing light in one direction,
The optical fiber,
Pressing the ends of the optical fiber supported by the optical fiber ferrule to the exfoliated graphite using a tape, the interface between the graphene and graphene in the graphite is separated due to the strong interaction between the graphite and the optical fiber surface The pulse laser device using graphene, characterized in that the graphene is applied to the end of the optical fiber ferrule. 제6항에 있어서, 상기 그래핀은 상기 레이저의 진행방향과 수직되게 상기 광섬유의 끝단에 도포되어 있는 것을 특징으로 하는 그래핀을 이용한 펄스 레이저 장치The pulse laser device using graphene of claim 6, wherein the graphene is applied to an end of the optical fiber to be perpendicular to a traveling direction of the laser. 삭제delete

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