펄스 레이저는 깜빡이듯 빛이 아주 짧은 시간 동안 반복되는 출력 형태의 레이저를 말합니다. 시간에 따라 세기가 일정하게 지속되는 연속 레이저보다 에너지를 크게 집속시킬 수 있는 장점이 있는데 여기에 디지털 신호를 실으면 개개의 펄스가 1비트(bit)의 데이터를 저장할 수 있어 펄스가 반복되는 속도가 빠를수록 더 많은 데이터를 전송할 수 있습니다. 그러나, 기존의 일반적인 광섬유 기반 펄스 레이저는 초당 펄스의 개수를 MHz 수준 이상으로 높이는 데 한계가 있었습니다.
한국과학기술연구원(KIST)은 광전소재연구단 송용원 박사팀이 펨토초로(10-15초) 동작하는 광섬유 펄스 레이저 발진기에 그래핀이 포함된 추가의 공진기를 삽입해 펄스를 기존보다 10,000배 이상 빠르게 발생시킬 수 있게 만들었다고 밝혔습니다. 이를 데이터 통신에 적용하면 데이터의 전송 및 처리 속도가 크게 늘어날 것으로 기대됩니다. 해당 연구는 <ACS Nano>에 게재됐습니다.
강한 빛만 통과시켜 세기 증폭시킨다
KIST 연구진은 레이저 빛의 파장과 세기가 시간에 따라 변화하는 특성이 상관관계(푸리에변환)로 엮인 것에 주목했습니다. 레이저 내에 공진기를 삽입하면 펄스 레이저의 파장을 주기적으로 필터링하고, 이를 통해 레이저 세기 변화의 양상을 바꿀 수 있습니다. 여기에 송용원 박사는 세기가 약한 빛은 흡수해 사라지게 하고 강한 빛만 통과시켜 세기를 증폭시키는 특성이 있는 그래핀을 공진기에 융합해 레이저 세기 변화를 매우 빠른속도로 정확하게 조절되게 하여 펄스의 반복속도를 높게 만들 수 있었습니다.
- 푸리에변환
신호(signal)를 진동수(frequency)의 성분으로 분해하는 수학적 기법입니다. 즉 시간에 대한 함수(신호)를 푸리에 변환하면 진동수에 관한 함수가 됩니다.
또한 일반적으로 그래핀은 촉매금속 표면에서 합성한 후 이것을 분리해 원하는 기판의 표면으로 옮기게 되는데 이 과정에서 그래핀이 손상되거나 이물질이 유입되는 문제가 있었습니다. 이에 KIST 연구진은 구하기 쉬운 구리 전선 표면에 직접 그래핀을 형성시키고 광섬유를 감아 공진기로 사용함으로써 제조 공정에서 발생하는 효율 저하의 문제점을 해결했습니다.
그 결과 기존 MHz 수준의 반복 속도를 보이던 펄스 레이저의 한계를 극복해 57.8GHz의 반복 속도를 얻을 수 있었습니다. 또한, 레이저를 흡수하면 열이 국소적으로 발생하는 그래핀의 특성을 이용해 추가의 레이저를 소자에 가해주어 그래핀 공진기의 특성을 튜닝할 수 있게 만들었습니다.
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 말했습니다. 본 연구를 주도한 송용원 박사는 "공진기와 그래핀 기반의 초고속 펄스 레이저 개발로 나노소재 기반의 광정보 소자분야의 기술 선도와 시장 선점을 가능하게 할 것으로 기대한다"고 밝혔습니다.
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