KR101813971B1 - Photonics device for mode-locked laser based on black phosphorus and ring laser cavity including the same, method of manufacturing the photonics device - Google Patents

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Abstract

흑린을 이용하는 모드 잠금 레이저용 광학 소자는, 광섬유의 길이 방향의 중앙에 형성되어 레이저를 통과시키는 코어(core)부; 상기 코어부를 감싸고, 상기 길이 방향을 따라 코어부가 노출되도록 일부가 제거된 클래딩(cladding)부; 및 상기 클래딩부가 제거된 코어부 상에 위치하고, 상기 레이저와 상호작용하여 상기 코어부 내에서의 상기 레이저의 포화 흡수를 유도하는 흑린(Black Phosphorus)층을 포함한다. 이에 따라, 품질 좋은 초고속 레이저 펄스를 생성할 수 있다.An optical element for a mode-locking laser using a black phosphor includes: a core portion formed at the center in the longitudinal direction of the optical fiber to allow the laser to pass therethrough; A cladding portion surrounding the core portion and partially removing the core portion to expose the core portion along the longitudinal direction; And a black phosphor layer positioned on the removed core section and interacting with the laser to induce saturable absorption of the laser in the core section. Thus, it is possible to generate a high-quality laser pulse of high quality.

Description

흑린을 이용하는 모드 잠금 레이저용 광학 소자 및 이를 포함하는 레이저 공진기, 상기 광학 소자의 제조 방법{PHOTONICS DEVICE FOR MODE-LOCKED LASER BASED ON BLACK PHOSPHORUS AND RING LASER CAVITY INCLUDING THE SAME, METHOD OF MANUFACTURING THE PHOTONICS DEVICE}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to an optical element for a mode-locked laser using a black phosphor, a laser resonator including the optical element, and a method of manufacturing the optical element.

본 발명은 흑린을 이용하는 모드 잠금 레이저용 광학 소자 및 이를 포함하는 레이저 공진기, 상기 광학 소자의 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 모드 잠금 레이저를 구현할 수 있는 포화 흡수체로서 소실장 작용을 이용해 흑린이 입을 수 있는 광학적 손상을 최소화한 광학 소자 및 이를 포함하는 레이저 공진기, 상기 광학 소자의 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an optical element for a mode-locked laser using a black phosphor, a laser resonator including the optical element, and a method of manufacturing the optical element. More particularly, the present invention relates to a mode- To a laser resonator including the optical element, and to a method of manufacturing the optical element.

2004년에 이루어진 그래핀(graphene)의 발견 이래 다양한 2D 나노 물질들과 그들의 응용 방법이 발견되고 연구되어 왔다. 그래핀은 물리적 소자로서의 강인함과 전자 소자로서 높은 전하이동도 등의 다양한 장점을 비롯하여 높은 투과율 및 넓은 투과 스펙트럼을 포함한 여러 가지 광학적 특성을 가지므로, 이를 이용한 광학적 소자 물질로서의 응용 연구가 이루어지고 있다. Since the discovery of graphene in 2004, a variety of 2D nanomaterials and their application methods have been discovered and studied. Graphene has various optical properties including a high transmittance and a wide transmittance spectrum as well as various advantages such as toughness as a physical device and high charge mobility as an electronic device, and application research as an optical device material using the graphene has been made.

그러나, 작은 밴드갭과 낮은 온 오프비(ON/OFF RATIO)와 같은 단점은 그래핀의 반도체로서의 활용법을 제한하여 초기에 주목 받았던 차세대 반도체로서의 위상이 상당히 격하된 상태이다.However, disadvantages such as a small bandgap and a low on / off ratio (ON / OFF RATIO) limit the use of graphene as a semiconductor, and the phase of the next-generation semiconductors, which was initially noted, has been considerably degraded.

그 외의 칼코게나이드(CHALCOGENIDE) 등의 다른 2D 나노 물질들이 연구되며 이들의 차세대 반도체 물질로서의 가능성이 탐구되었으나 밴드갭을 제외하면 이들의 그 어떤 전기적 특성도 그래핀을 뛰어넘거나 필적하는 성과를 보여주지 못했다.Other 2D nanomaterials such as CHALCOGENIDE have been investigated and their potential as a next-generation semiconductor material has been explored, but apart from the bandgap, their electrical properties have either surpassed or matched graphene I could not give it.

한편, 흑린(black phosphorus)은 인(phosphorus)의 동소체 중 하나로서 그래핀과 마찬가지로 원자 수준의 두께까지 가질 수 있는 특징이 있는 층상구조 형태를 띠는 물질이다. 흑린은 반도체 소자 특성을 저해시키는 요인으로 꼽히는 그래핀의 금속 성질과 칼코게나이드의 낮은 전하이동도를 모두 극복할 수 있다고 보고된 차세대 반도체 재료이다. Black phosphorus, on the other hand, is one of the phosphorus isotopes, which is a layered structure that can be as atomic as a graphene. Black is a next-generation semiconductor material that has been reported to overcome both the metal properties of graphene and the low charge mobility of chalcogenide, which are considered as factors that hinder semiconductor device characteristics.

하지만, 흑린은 대기 중에서의 반응속도가 너무 높아 안정적이지 못하므로 반도체 소자 제작과 구동에 어려움이 많은 상황이었으며, 발견 이래 관련 연구가 미진한 상태였다.However, since the reaction rate of black phosphorus in the atmosphere is too high to be stable, it is difficult to manufacture and operate semiconductor devices.

KRKR 10-102880310-1028803 B1B1

J. Sotor; G. Sobon1; W. Macherzynski; P. Paletko and K. M. Abramski1, "Black phosphorus saturable absorber for ultrashort pulse generation", Applied Physics Letters, 107, 051108 (2015)J. Sotor; G. Sobon1; W. Macherzynski; P. Paletko and K. M. Abramski, "Black phosphorus saturable absorber for ultrashort pulse generation ", Applied Physics Letters, 107, 051108 (2015)

이에, 본 발명의 기술적 과제는 이러한 점에서 착안된 것으로 본 발명의 목적은 흑린을 이용하여 초고속 모드 잠금 레이저를 생성하는 광학 소자를 제공하는 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, the present invention has been made in view of the above problems, and it is an object of the present invention to provide an optical element for generating an ultrahigh speed mode locking laser using a black phosphor.

본 발명의 다른 목적은 상기 흑린을 이용하는 광학 소자를 포화 흡수체로 이용하는 레이저 공진기를 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a laser resonator using an optical element using the black phosphor as a saturated absorber.

본 발명의 또 다른 목적은 상기 흑린을 이용하는 광학 소자를 간단하고 신속하게 제조하는 방법을 제공하는 것이다.It is still another object of the present invention to provide a method for simply and rapidly manufacturing an optical element using the black phosphor.

상기한 본 발명의 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 따른 흑린을 이용하는 모드 잠금 레이저용 광학 소자는, 광섬유의 길이 방향의 중앙에 형성되어 레이저를 통과시키는 코어(core)부; 상기 코어부를 감싸고, 상기 길이 방향을 따라 코어부가 노출되도록 일부가 제거된 클래딩(cladding)부; 및 상기 클래딩부가 제거된 코어부 상에 위치하고, 상기 레이저와 상호작용하여 상기 코어부 내에서의 상기 레이저의 포화 흡수를 유도하는 흑린(Black Phosphorus)층을 포함한다.According to an aspect of the present invention, there is provided an optical element for a mode locking laser using a black phosphor, the optical element including: a core portion formed at the center of the length of the optical fiber to allow a laser to pass therethrough; A cladding portion surrounding the core portion and partially removing the core portion to expose the core portion along the longitudinal direction; And a black phosphor layer positioned on the removed core section and interacting with the laser to induce saturable absorption of the laser in the core section.

본 발명의 실시예에서, 상기 광학 소자는, 상기 흑린층 상에 형성되어 상기 흑린층의 산화를 막는 보호층을 더 포함할 수 있다.In an embodiment of the present invention, the optical element may further include a protective layer formed on the black phosphor layer to prevent oxidation of the black phosphor layer.

본 발명의 실시예에서, 상기 보호층은 고분자 화합물로 형성될 수 있다.In an embodiment of the present invention, the protective layer may be formed of a polymer compound.

본 발명의 실시예에서, 상기 흑린층은 단일층으로 형성될 수 있다.In an embodiment of the present invention, the black layer may be formed as a single layer.

본 발명의 실시예에서, 상기 흑린층은 다층으로 형성될 수 있다.In an embodiment of the present invention, the black layer may be formed in multiple layers.

상기한 본 발명의 다른 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 따른 각 구성들이 광섬유로 연결되어 모드 잠금 레이저 펄스를 발생시키는 레이저 공진기는, 레이저 발생기와 연결되는 파장 분할 다중화기(Wavelength Division Multiplexer; WDM); 상기 파장 분할 다중화기로부터 전송되는 레이저를 증폭시키는 증폭기; 상기 증폭기와 연결되고, 상기 레이저의 역류를 방지하는 아이솔레이터(isolator); 상기 레이저의 일부를 출력하기 위해 상기 레이저를 분기하는 커플러(coupler); 상기 커플러로부터 분기된 레이저를 제어하는 광학 소자; 및 상기 광학 소자와 연결되고, 상기 레이저의 편광을 조절하는 편광 조절기(Polarization Controller; PC)를 포함하고, 상기 광학 소자는, 상기 광섬유의 길이 방향의 중앙에 형성되어 레이저를 통과시키는 코어(core)부; 상기 코어부를 감싸고, 상기 길이 방향을 따라 일부가 제거된 클래딩(cladding)부; 및 상기 클래딩부가 제거된 하부의 코어부와 가까운 상기 클래딩부의 표면에 위치하고, 상기 레이저와 상호작용하여 상기 코어부 내에서의 상기 레이저의 포화 흡수를 유도하는 흑린(Black Phosphorus)층을 포함한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a laser resonator for generating a mode locking laser pulse, the wavelength resonator including a wavelength division multiplexer (WDM) connected to a laser generator, ; An amplifier for amplifying a laser beam transmitted from the wavelength division multiplexer; An isolator connected to the amplifier, the isolator preventing reverse flow of the laser; A coupler for branching the laser to output a part of the laser; An optical element for controlling a laser beam branched from the coupler; And a polarization controller (PC) connected to the optical element and controlling the polarization of the laser, wherein the optical element includes a core formed at the center of the optical fiber in the longitudinal direction to pass the laser, part; A cladding portion surrounding the core portion, the cladding portion partially removed along the longitudinal direction; And a black phosphor layer positioned on the surface of the cladding portion close to the lower core portion from which the cladding portion is removed and interacting with the laser to induce saturated absorption of the laser in the core portion.

본 발명의 실시예에서, 상기 레이저 공진기는, 중간 파장이 1530 nm 내지 1560 nm 대역의 레이저 펄스를 생성할 수 있다.In an embodiment of the present invention, the laser resonator can generate laser pulses having an intermediate wavelength in the 1530 nm to 1560 nm band.

본 발명의 실시예에서, 상기 레이저 공진기는, 펄스 폭이 수 피코초(ps)에서 수백 펨토초(fs) 사이인 레이저 펄스를 생성할 수 있다.In an embodiment of the present invention, the laser resonator may generate a laser pulse whose pulse width is between a few picoseconds (ps) and a few hundred femtoseconds (fs).

본 발명의 실시예에서, 상기 광학 소자는, 상기 흑린층 상에 형성되어 상기 흑린층의 산화를 막는 보호층을 더 포함할 수 있다.In an embodiment of the present invention, the optical element may further include a protective layer formed on the black phosphor layer to prevent oxidation of the black phosphor layer.

본 발명의 실시예에서, 상기 보호층은 고분자 화합물로 형성될 수 있다.In an embodiment of the present invention, the protective layer may be formed of a polymer compound.

본 발명의 실시예에서, 상기 흑린층은 단일층으로 형성될 수 있다.In an embodiment of the present invention, the black layer may be formed as a single layer.

본 발명의 실시예에서, 상기 흑린층은 다층으로 형성될 수 있다.In an embodiment of the present invention, the black layer may be formed in multiple layers.

상기한 본 발명의 또 다른 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 따른 광학 소자의 제조 방법은, 흑린(Black Phosphorus)층을 박리하는 단계; 광섬유에서 코어(core)부를 감싸는 클래딩(cladding)부의 일부를 제거하여 상기 광섬유의 길이 방향을 따라 상기 코어부를 노출시키는 단계; 및 상기 노출된 코어부 상에 상기 흑린층을 전사하는 단계를 포함한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing an optical element, including: peeling a black phosphor layer; Removing a portion of a cladding portion surrounding the core portion of the optical fiber to expose the core portion along a longitudinal direction of the optical fiber; And transferring the blackened layer onto the exposed core.

본 발명의 실시예에서, 상기 광학 소자의 제조 방법은, 상기 흑린층 상에 고분자 화합물로 형성된 보호층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.In an embodiment of the present invention, the manufacturing method of the optical element may further include forming a protective layer formed of a polymer compound on the black layer.

본 발명의 실시예에서, 상기 흑린층을 박리하는 단계는, 스카치 테이프 방법을 이용할 수 있다.In the embodiment of the present invention, the step of peeling the black layer may be a scotch tape method.

본 발명의 실시예에서, 상기 노출된 코어부 상에 상기 흑린층을 전사하는 단계는, 얇게 박리된 흑린층이 전사된 스카치 테이프를 상기 노출된 코어부 상에 찍을 수 있다.In the embodiment of the present invention, the step of transferring the blackened layer onto the exposed core part may take a scotch tape on which the thinly separated black layer is transferred, on the exposed core part.

본 발명의 실시예에서, 상기 노출된 코어부 상에 상기 흑린층을 전사하는 단계는, 상기 스카치 테이프를 여러 번 찍을 수 있다.In the embodiment of the present invention, in the step of transferring the blackened layer onto the exposed core portion, the scotch tape may be photographed several times.

본 발명의 실시예에서, 상기 흑린층을 박리하는 단계는, 폴리머 스탬핑 방법을 이용할 수 있다.In the embodiment of the present invention, the step of peeling the black layer may use a polymer stamping method.

본 발명의 실시예에서, 상기 노출된 코어부 상에 상기 흑린층을 전사하는 단계는, 얇게 박리된 흑린층이 전사된 폴리머 스탬프를 상기 노출된 코어부 상에 찍을 수 있다.In an embodiment of the present invention, the step of transferring the blackened layer onto the exposed core part may take a polymer stamp on which the thinly separated blackened layer is transferred onto the exposed core part.

본 발명의 실시예에서, 상기 노출된 코어부 상에 상기 흑린층을 전사하는 단계는, 상기 폴리머 스탬프를 여러 번 찍을 수 있다.In an embodiment of the present invention, the step of transferring the blackened layer onto the exposed core portion may take the polymer stamp several times.

이와 같은 흑린을 이용하는 모드 잠금 레이저용 광학 소자에 따르면, 초고속 모드 잠금 레이저를 구현하여, 각종 통신 장치 등에 적용될 경우 데이터 처리 속도 및 품질을 향상시킬 수 있다. 본 발명에 따른 흑린을 이용하는 모드 잠금 레이저용 광학 소자는 측면 연마 광섬유와 그 위에 전사된 흑린과 광신호의 소실장의 상호반응을 가능하게 한다. 이러한 소실장 반응 방식은 광신호의 직접적 진행 방향에서 격리된 장소에서 흑린이 존재하게 되므로, 광신호의 과다한 손실이나 산란이 없이 고분자 화합물로 이루어진 보호층을 흑린 위에 올릴 수 있다. According to the optical element for a mode-locking laser using the black phosphor, an ultra-high speed mode locking laser is implemented, and data processing speed and quality can be improved when applied to various communication devices. The optical element for a mode-locking laser using the black phosphor according to the present invention enables the interaction between the side-polishing optical fiber and the loss field of the black signal and the optical signal transferred thereon. In this small-mount reaction mode, the black layer is present in a place isolated from the direct direction of the optical signal, so that the protective layer made of the polymer compound can be put on the black line without excessive loss or scattering of the optical signal.

상기 고분자 화합물 보호층은 공기에서 산화되기 쉬운 흑린을 산소와 같은 산화요소에서 격리하므로, 상온과 같은 일반 환경에서도 흑린 광학 소자가 안정적으로 작동할 수 있게 한다. 또한, 소실장 반응 방식의 일반적인 장점인 소실장 작용은 상대적으로 낮은 출력의 광신호로 필요한 반응을 얻어낼 수 있으므로, 고출력의 레이저로 인한 흑린의 손상 역시 방지할 수 있다.Since the protective layer of the polymer compound isolates the black phosphor which is easily oxidized in air from the oxidizing element such as oxygen, the black phosphor optical element can be stably operated even in a normal environment such as room temperature. In addition, since the small-mount operation, which is a general advantage of the small-mount reaction method, can obtain the necessary reaction with a relatively low-power optical signal, damage of the black phosphorus due to the high output laser can be prevented.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 흑린을 이용하는 모드 잠금 레이저용 광학 소자의 단면도이다.
도 2는 밴드갭 구조를 가진 흑린의 포화 흡수 특성을 나타낸 개념도이다.
도 3은 흑린의 흡수 스펙트럼을 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 흑린을 이용하는 모드 잠금 레이저용 광학 소자의 광출력 대비 비선형 투과율 변화를 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 흑린을 이용하는 모드 잠금 레이저용 광학 소자를 포함하는 레이저 공진기의 구성도이다.
도 6은 도 5의 레이저 공진기에서 출력되는 레이저의 펄스 스펙트럼을 나타낸 그래프이다.
도 7은 도 5의 레이저 공진기에서 출력되는 레이저의 펄스 열을 나타낸 그래프이다.
도 8은 도 5의 레이저 공진기에서 출력되는 레이저의 펄스 폭을 나타낸 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 흑린을 이용하는 모드 잠금 레이저용 광학 소자의 제조 방법의 흐름도이다.
1 is a cross-sectional view of an optical element for a mode-locked laser using a black phosphor according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a conceptual diagram showing saturation absorption characteristics of a black phosphor having a band gap structure.
3 is a graph showing an absorption spectrum of black phosphorus.
4 is a graph showing a change in nonlinear transmittance versus light output of an optical element for a mode locking laser using the black phosphor of the present invention.
5 is a configuration diagram of a laser resonator including an optical element for a mode locking laser using a black phosphor according to an embodiment of the present invention.
6 is a graph showing a pulse spectrum of a laser output from the laser resonator of FIG.
FIG. 7 is a graph showing a pulse train of a laser output from the laser resonator of FIG. 5;
8 is a graph showing the pulse width of the laser output from the laser resonator of FIG.
9 is a flowchart of a method of manufacturing an optical element for a mode locking laser using a black phosphor according to an embodiment of the present invention.

후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.The following detailed description of the invention refers to the accompanying drawings, which illustrate, by way of illustration, specific embodiments in which the invention may be practiced. These embodiments are described in sufficient detail to enable those skilled in the art to practice the invention. It should be understood that the various embodiments of the present invention are different, but need not be mutually exclusive. For example, certain features, structures, and characteristics described herein may be implemented in other embodiments without departing from the spirit and scope of the invention in connection with an embodiment. It is also to be understood that the position or arrangement of the individual components within each disclosed embodiment may be varied without departing from the spirit and scope of the invention. The following detailed description is, therefore, not to be taken in a limiting sense, and the scope of the present invention is to be limited only by the appended claims, along with the full scope of equivalents to which such claims are entitled, if properly explained. In the drawings, like reference numerals refer to the same or similar functions throughout the several views.

이하, 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 보다 상세하게 설명하기로 한다. Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in more detail with reference to the drawings.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 흑린을 이용하는 모드 잠금 레이저용 광학 소자의 단면도이다.1 is a cross-sectional view of an optical element for a mode-locked laser using a black phosphor according to an embodiment of the present invention.

본 발명에 따른 흑린을 이용하는 모드 잠금 레이저용 광학 소자(10, 이하 광학 소자)는 코어(core)부(11)와 클래딩(cladding)부(13)를 포함하는 광섬유와 흑린(Black Phosphorus)층(15)을 포함한다.An optical element 10 (hereinafter referred to as an optical element) for a mode locking laser using a black phosphor according to the present invention includes an optical fiber including a core portion 11 and a cladding portion 13 and a black phosphor layer 15).

흑린은 상당히 높은 전하이동도(Hole mobility, 약 300 ~ 1,000 cm2/V·s) 뿐만 아니라, 두께에 따라 변화하는 밴드갭을 가지고 그래핀의 최대 단점이었던 온 오프비(ON/OFF RATIO, 104 ~ 105)에서조차 뛰어난 특성을 보여 최근 새로운 차세대 반도체 물질로서 많은 주목을 받는 중이다. On the other hand, black phosphorus has a very high charge mobility (about 300 to 1,000 cm 2 / V · s) as well as on / off ratio (ON / OFF RATIO, 4 ~ 10 5 ), showing remarkable properties. Recently, it is attracting much attention as a new next-generation semiconductor material.

다시 말해, 흑린은 그래핀에 준할 정도로 뛰어난 광학적 물질일 뿐 아니라 반도체로서의 특성도 더불어 소유하고 있으므로 그래핀을 능가하는 응용 가능성을 보이고 있다. 다만, 초기에 집중적으로 관심을 모은 밴드갭을 포함한 반도체로서의 연구가 우선시되면서 광학적 특성에 대한 연구의 진행이 상대적으로 느린 상태이며, 이로 인해 실질적 광학 소자로서의 흑린 응용 연구는 상대적으로 많이 미숙한 상태이다. 또한, 그래핀에 비해 산화와 같은 열화에 취약한 면이 있어 광학적 손상에 노출되기 쉬운 점이 이러한 방면의 연구에 있어 큰 장애로 작용하고 있다.In other words, since black is not only an excellent optical material to conform to graphene, but also possesses the characteristics of semiconductors, it shows applicability beyond graphene. However, since research as a semiconductor including a bandgap, which is intensively interested in the early stage, has been given priority, the study of optical characteristics has been relatively slow, and the application of black phosphorus as a practical optical element is relatively inexperienced . In addition, it is vulnerable to deterioration such as oxidation compared with graphene, and is vulnerable to optical damage, which is a major obstacle to research in this field.

본 발명은 소실장을 이용한 간접적 작용 방식으로, 상기 문제를 해결하고 흑린의 비선형적 광흡수성과 광섬유 레이저 공진기의 광신호 증폭을 결합하여 초고속 모드 잠금 레이저를 구현한다.The present invention solves the above problem and implements an ultrahigh speed mode locking laser by combining the nonlinear light absorption of the black phosphor and the optical signal amplification of the optical fiber laser resonator.

상기 코어부(11)는 광섬유의 길이 방향(레이저의 전송 방향인 x축 방향)의 중앙에 형성되어 레이저를 통과시킨다. 상기 코어부(11)는 상기 클래딩부(13)에 비해 굴절률이 높은 물질로 형성된다.The core 11 is formed at the center of the optical fiber in the longitudinal direction (x-axis direction, which is the laser transmission direction), and allows the laser to pass therethrough. The core portion 11 is formed of a material having a higher refractive index than the cladding portion 13.

상기 클래딩부(13)는 상기 코어부(11)를 감싸고 있으며, 측면 연마되어 일부가 제거된다. 이에 따라, 상기 클래딩부(13)에 홈(14)이 형성되며, 상기 광섬유의 길이 방향(x축 방향)을 따라 상기 코어부(11)가 일부 노출된다.The cladding portion 13 surrounds the core portion 11 and is laterally polished to remove a part thereof. Accordingly, a groove 14 is formed in the cladding portion 13, and the core portion 11 is partially exposed along the longitudinal direction (x-axis direction) of the optical fiber.

상기 흑린층(15)은 상기 클래딩부(13)가 제거된 코어부(11) 상에 위치하고, 상기 레이저와의 상화작용으로 상기 코어부(11) 내에서 상기 레이저의 포화 흡수를 유도한다. 상기 흑린층(15)은 단층 또는 다층으로 형성될 수 있다. The blackened layer 15 is located on the core portion 11 from which the cladding portion 13 is removed and induces saturation absorption of the laser in the core portion 11 by virtue of the virtualization with the laser. The black phosphor layer 15 may be formed as a single layer or a multilayer.

레이저는 x축 방향을 따라 뻗은 상기 코어부(11)를 통해 전송된다. 상기 코어부(11)가 상기 흑린층(15)에 의해 끊기지 않으므로, 레이저는 상기 흑린층(15)에 의해 차단되지 않고 계속 전송된다. 상기 코어부(11)를 따라 전송되는 레이저는 상기 코어부(11)와 상기 클래딩부(13)의 굴절률 차이에 의해 안내된다. The laser is transmitted through the core portion 11 extending along the x-axis direction. Since the core portion 11 is not cut off by the black layer 15, the laser is continuously transmitted without being blocked by the black layer 15. The laser beam transmitted along the core portion 11 is guided by the refractive index difference between the core portion 11 and the cladding portion 13.

안내된 레이저 일부는 흑린층(15)과 반응하여 레이저 펄스를 형성한다. 즉, 상기 클래딩부(13)의 평균 굴절률이 낮아지면서 모드 필드가 넓게 퍼진다. 예를 들면, 굴절률 1.5 정도의 실리카로 채워진 상기 클래딩부(13)가 제거된 홈(14)에 의해 굴절률 1 정도의 공기로 채워지면서 그 부분의 평균 굴절률이 낮아진다. 그 결과, 모드 필드가 넓어진다. A portion of the guided laser reacts with the blackening layer 15 to form a laser pulse. That is, as the average refractive index of the cladding portion 13 decreases, the mode field spreads widely. For example, the cladding portion 13 filled with silica having a refractive index of about 1.5 is filled with air having a refractive index of 1 by the removed groove 14, and the average refractive index of the portion is lowered. As a result, the mode field is widened.

여기서, 상기 홈(14)에 의해 연마된 부분에서 넓게 퍼지는 모드 필드와 상기 흑린층(15)이 상호 반응하여 레이저 펄스를 형성한다. 넓게 퍼진 모드 필드의 꼬리 부분을 소실장이라고 한다. Here, the mode field widely spread in the portion polished by the groove 14 and the black phosphor layer 15 react with each other to form a laser pulse. The tail portion of the widened mode field is called the small mount.

레이저 일부만 상기 흑린층(15)과 반응하는 소실장 작용에 의해 상기 흑린층(15)은 열적으로 손상되지 않는다. 상기 코어부(11)에서 약 15 dBm의 광학적 세기에도 연소되는 원료 물질이 그 이상의 광학적 세기에서도 잘 연소되지 않고 안정적으로 작동한다. 즉, 열에 약한 흑린층(15)이 잘 손상되지 않으므로, 흑린층(15)을 반영구적으로 사용할 수 있다. The black phosphor layer 15 is not thermally damaged by the small-mount operation in which only a part of the laser reacts with the black phosphor layer 15. [ The raw material burnt in the core portion 11 even at an optical intensity of about 15 dBm is stably operated without burning even at a higher optical intensity. That is, since the weaker black layer 15 is not easily damaged, the black layer 15 can be used semi-permanently.

그 결과, 소실장 작용 방식을 통하여 열적으로 취약한 흑린층(15)을 고출력 레이저 작용에서도 안정화시킬 수 있다. 상기 흑린층(15)에 의해 형성되어 안내된 레이저 펄스는 상기 코어부(11)를 타고 x축 방향을 따라 전송된다.As a result, it is possible to stabilize the thermally weak black layer 15 even in the high-power laser operation through the small-mount operation method. The laser pulse formed by the blackened layer 15 and guided is transmitted along the x-axis direction on the core portion 11. [

도 2는 밴드갭 구조를 가진 흑린의 포화 흡수 특성을 나타낸 개념도이다.FIG. 2 is a conceptual diagram showing saturation absorption characteristics of a black phosphor having a band gap structure.

도 2를 참조하면, 흑린은 포화 흡수(saturable absorption) 물질로서, 약한 세기의 빛은 흡수하고, 포화되면 강한 세기의 빛을 통과시킨다. 또한, 높은 비선형성을 가지므로 펄스 크기를 최소화할 수 있어, 높은 품질의 펄스를 생성할 수 있다.Referring to FIG. 2, black is a saturable absorption material that absorbs light of weak intensity, and passes light of strong intensity when saturated. In addition, since it has a high nonlinearity, the pulse size can be minimized, and a high quality pulse can be generated.

도 2(a)에 도시된 바와 같이, 흑린은 일정 밴드갭(bandgap)을 가지며, 상기 밴드갭 이상의 에너지만을 흡수한다. 상기 밴드갭에 의해 흑린은 반도체 성질을 가지며, 상기 흑린층(15)의 층수, 즉 두께에 따라 밴드갭이 0.3 내지 2.0 eV 범위 내에서 변경될 수 있다.As shown in FIG. 2 (a), the black phosphor has a certain bandgap and absorbs only energy above the bandgap. The bandgap has a semiconducting property, and the bandgap can be changed within a range of 0.3 to 2.0 eV depending on the number of layers, that is, the thickness of the black phosphor layer 15.

도 2(b)에 도시된 바와 같이, 흡수되는 광자들의 양이 적은 경우, 전자는 원자가 전자대에 정공을 생성시키고, 광자의 파장에 해당되는 전도대의 특정 자리로 여기된다. 생성되는 정공과 전자들이 전자대와 전도대의 끝부분부터 점차 충전되어 에너지 밴드의 폭이 넓어지면서 동일한 파장을 가진 광자를 흡수할 수 없게 된다.As shown in FIG. 2 (b), when the amount of photons to be absorbed is small, the electrons generate holes in the valence electron band and are excited to a specific position of the conduction band corresponding to the wavelength of the photon. The generated holes and electrons are gradually charged from the ends of the electron band and the conduction band, so that the width of the energy band becomes wider and the photon having the same wavelength can not be absorbed.

즉, 도 2(c)에 도시된 바와 같이, 광자들의 양이 충분히 많은 경우, 생성된 캐리어들은 에너지 상태를 채우고, 더 이상 전자가 점유 캐리어들의 파울리 배타원리에 의해 저지되므로 에너지 상태가 여기되지 않는 상태로 된다. 이것은 흑린에 의한 에너지 포화 흡수를 설명한다.That is, as shown in FIG. 2 (c), when the amount of photons is large enough, the generated carriers fill the energy state and the energy state is not excited because the electrons are no longer blocked by the Paulownia principle of the occupied carriers State. This explains energy saturation absorption by the black phosphorus.

한편, 기계적인 온/오프 스위칭 및 Q 스위칭을 이용하여 레이저 펄스를 생성할 수도 있다. 그러나 이 경우, 생성되는 레이저 펄스의 재현성이 저하되고, 펄스의 폭이 너무 넓어, 펨토초(10-15초)의 펄스를 형성하는 데 한계가 있다.On the other hand, it is also possible to generate laser pulses using mechanical on / off switching and Q switching. However, in this case, the reproducibility of the generated laser pulse is lowered and the width of the pulse is too wide to form a pulse of femtoseconds (10 -15 seconds).

한편, 탄소나노튜브(carbon nanotube, CNT)를 사용하는 경우, 탄소나노튜브가 높은 비표면적을 가지므로 탄소나노튜브가 상호 응집되어 그 비선형성이 저하된다. 그리고, 탄소나노튜브의 재생 시간은 500 fs 이하로서 너무 길다. 또한, 탄소나노튜브를 배열하기 어렵고, 탄소나노튜브의 비틀림 및 직경 제어가 어렵다. On the other hand, when carbon nanotubes (CNTs) are used, since the carbon nanotubes have a high specific surface area, the carbon nanotubes cohere to each other and the nonlinearity thereof is lowered. And, the regeneration time of the carbon nanotubes is too long as 500 fs or less. Further, it is difficult to arrange the carbon nanotubes, and it is difficult to control the twisting and diameter of the carbon nanotubes.

그 결과, 탄소나노튜브의 밴드갭 제어가 어렵다. 따라서 탄소나노튜브의 동작 대역폭이 제한되므로, 이를 해결하기 위해 이종의 탄소나노튜브를 혼합하여 동작 대역폭을 증가시켜야 한다. 그러나 이 경우 모드 잠금의 효율이 저하된다. 또한, 그래핀의 경우 탄소나노튜브의 비선형성을 해결할 수 있으나, 낮은 온/오프 비가 문제가 될 수 있다.As a result, it is difficult to control the band gap of the carbon nanotubes. Therefore, the operating bandwidth of the carbon nanotubes is limited. Therefore, in order to solve this problem, it is necessary to increase the operating bandwidth by mixing the different types of carbon nanotubes. However, in this case, the efficiency of mode locking is lowered. Also, graphene can solve the non-linearity of carbon nanotubes, but a low on / off ratio can be a problem.

반면, 흑린은 인(phosphorus)의 동소체 중 하나로서 그래핀과 마찬가지로 원자 수준의 두께까지 가질 수 있는 특징이 있는 층상구조 형태를 띠는 물질이다. 흑린은 반도체 소자 특성을 저해시키는 요인으로 꼽히는 그래핀의 금속 성질과 칼코게나이드의 낮은 전하이동도를 모두 극복할 수 있다. On the other hand, black phosphorus is one of the phosphorus isotopes, which is a layered structure that can be as atomic as a graphene. Blackness can overcome both the metal properties of graphene, which is a factor that hinders semiconductor device characteristics, and the low charge mobility of chalcogenide.

흑린은 상당히 전하이동도와 온 오프비가 둘 다 뛰어나며, 도 3을 참조하면, 그래핀과 비견할 만한 높은 투과율에 더해 벌크(bulk) 상태일 경우에는 넓은 투과 스펙트럼(1550 nm대역대를 포함)도 가지고 있다.Black phosphor has both a very high charge mobility and an excellent on-off ratio. Referring to FIG. 3, in addition to the high transmittance comparable to graphene, it has a broad transmission spectrum (including 1550 nm band) have.

한편, 흑린은 그래핀에 비해 환경에 취약한 편이고 레이저를 조사할 경우 흡수한 빛의 에너지가 산화를 가속해 빠른 열화가 일어나 실용적 한계가 있다. 포화 흡수체로 이용할 경우 일반적인 방식은 직접적 작용 방식으로 광섬유의 코어(core)들 사이에 흑린 조각을 삽입하는 방식인데, 이 경우 높은 에너지에 노출되어 손상을 입을 수 있고, 광섬유 사이로 침투한 산소나 습기로 인한 열화의 우려가 존재한다. On the other hand, black grains are more vulnerable to the environment than graphenes, and when irradiated with a laser, the energy of absorbed light accelerates oxidation, resulting in rapid deterioration, which is practically limited. When used as a saturated absorber, a common method is to insert a piece of black dust between the cores of the optical fiber in a direct-acting manner, which can be exposed to high energy and be damaged, There is a fear of deterioration due to the above.

이러한 문제점을 해결하기 위해 본 발명에서는 소실장을 이용한 간접적 작용 방식으로 적용하였다. 구체적으로, 측면 연마를 통해 상기 클래딩부(13)를 D-자 형태(D-shaped)로 한쪽 면을 일부 제거하여, 광신호가 지나가는 코어부(11)와 클래딩부(13)의 경계에 존재하는 소실장을 노출시킨다. In order to solve such a problem, the present invention is applied to an indirect operation method using a small-sized package. Specifically, one side of the cladding portion 13 is D-shaped by side grinding so that the core portion 11 and the cladding portion 13 existing at the boundary between the core portion 11 and the cladding portion 13, Expose the small mount.

이러한 측면 연마한 광섬유 위에 흑린 조각들을 붙이면 이 조각들의 소실장 흡수 작용을 통해 코어부(11) 내부의 광신호의 감쇄를 유도할 수 있다. 여기에 흑린의 비선형적 광흡수성과 광섬유 레이저 공진기의 광신호 증폭이 결합되어 초고속 모드 잠금 레이저가 완성된다.If black pieces are stuck on the side-polished optical fiber, the attenuation of the optical signal inside the core portion 11 can be induced by the small-sized absorbing action of these pieces. The nonlinear optical absorption of the black light and the optical signal amplification of the optical fiber laser resonator are combined to complete the ultrahigh speed mode locking laser.

측면 연마 광섬유에 흑린 조각들을 붙여 완성한 소자의 경우 광학적 비선형성의 증명을 위해 광출력 대비 상대적 투과율를 측정하였다. 그 결과, 도 4에서와 같이 약 12.5 MW/cm2에서 포화되는 순간 전력 밀도(saturation peak power density) 분포를 기록하였고, 약 3.31 %의 변조도(modulation depth)를 보여 비선형성 포화 흡수 소자임이 증명되었다.The relative transmittance to the light output was measured to demonstrate the optical nonlinearity in the case of the completed device by attaching the pieces of black phosphor to the side polished optical fiber. As a result, the saturation peak power density distribution saturated at about 12.5 MW / cm 2 was recorded as shown in FIG. 4, and the modulation depth of about 3.31% was proved to be a nonlinear saturable absorber .

한편, 흑린은 대기 중에서의 반응속도가 너무 높아 안정적이지 못하므로, 상기 광학 소자(10)는 상기 흑린층(15)을 외부 요소로부터 격리하기 위해 상기 흑린층(15) 상에 형성된 보호층(미도시)을 더 포함할 수 있다. 상기 보호층은 산화되기 쉬운 흑린을 산화의 요인인 공기나 수분으로부터 격리하여 보호한다.On the other hand, since the reaction rate in the air is too high to be stable, the optical element 10 has a protective layer (not shown) formed on the black layer 15 to isolate the black layer 15 from external elements Time). The protective layer isolates and protects the easily oxidizable black phosphorus from air or moisture which is a factor of oxidation.

상기 보호층은 고분자 화합물로 형성될 수 있다. 상기 고분자 화합물은 단일물질이 경화되어 형성되거나 단일물질들이 혼합되어 경화된 화합물로 생성될 수 있다. 상기 보호층은 예를 들어, PDMS(polydimethylsiloxane)로 생성될 수 있다.The protective layer may be formed of a polymer compound. The polymer compound may be formed by curing a single material or by curing a mixture of single materials. The protective layer may be formed of, for example, polydimethylsiloxane (PDMS).

이에 따라, 본 발명에 따른 광학 소자는 광신호의 진행로가 합성 필름에 의한 두께와 격리되어 있어 그로 인한 산란을 피할 수 있다. 또한, 소실장을 이용해 광신호의 일부와의 작용으로 광학 소자가 기동하므로 물질의 손상 가능성이 감소하고, 공기 상에 산화되기 쉬운 흑린에 보호층을 적용하여 공기와 격리가 가능하다.Accordingly, in the optical element according to the present invention, the propagation path of the optical signal is isolated from the thickness of the synthetic film, thereby avoiding scattering caused thereby. In addition, since the optical element is activated by the action of a part of the optical signal using a small-sized package, the possibility of damage to the material is reduced, and a protective layer is applied to the black phosphor which is easily oxidized on the air to isolate it from the air.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 흑린을 이용하는 모드 잠금 레이저용 광학 소자를 포함하는 레이저 공진기의 구성도이다.5 is a configuration diagram of a laser resonator including an optical element for a mode locking laser using a black phosphor according to an embodiment of the present invention.

본 실시예에 따른 레이저 공진기(1)는 도 1의 흑린을 이용하는 모드 잠금 레이저용 광학 소자(10)를 레이저 공진기(1)의 포화 흡수소자로 적용한다. 도 5에 도시한 레이저 공진기(1)의 구조는 예시에 불과한 것이며, 필요에 따라 구성요소의 생략, 추가 등의 변경이 가능하다.The laser resonator 1 according to the present embodiment applies the optical element 10 for a mode locking laser using the black phosphor shown in Fig. 1 as a saturated absorption element of the laser resonator 1. The structure of the laser resonator 1 shown in Fig. 5 is merely an example, and it is possible to omit, add, and so on components as needed.

도 5를 참조하면, 상기 레이저 공진기(1)는 레이저 발생기(2)로부터 생성되는 레이저의 에너지를 증폭기(40) 내에서 목적하는 파장의 레이저로 변환한 후, 흑린을 이용하는 모드 잠금 레이저용 광학 소자와의 상호작용을 통해 레이저 펄스를 발생시킨다. 상기 레이저 공진기(1)의 각 구성은 광섬유(3)로 연결되어 있으며, 일 실시예에 따라 파장 분할 다중화기(30, Wavelength Division Multiplexer; WDM), 증폭기(40), 아이솔레이터(50, isolator), 커플러(60, coupler), 흑린을 이용하는 모드 잠금 레이저용 광학 소자(10), 편광 조절기(polarization controller; PC)를 포함한다.5, the laser resonator 1 converts the energy of the laser generated from the laser generator 2 into a laser of a desired wavelength in the amplifier 40, To generate a laser pulse. Each of the components of the laser resonator 1 is connected to an optical fiber 3 and may include a wavelength division multiplexer (WDM) 30, an amplifier 40, an isolator 50, A coupler 60, an optical element 10 for a mode locking laser using a black phosphor, and a polarization controller (PC).

상기 광섬유(3)는 레이저를 통과시키는 코어(core)부(11)와 상기 코어부(11)를 감싸는 클래딩(cladding)부(13)를 포함한다. 예를 들어, 상기 광섬유(3)는 단일모드 광섬유(single mode fiber, SMF)일 수 있으며, 구성들을 연결하고 남은 광섬유는 필요한 공간에 따라 감겨 있을 수 있다.The optical fiber 3 includes a core portion 11 through which a laser is passed and a cladding portion 13 surrounding the core portion 11. For example, the optical fiber 3 may be a single mode fiber (SMF), and the remaining optical fibers connected with the structures may be wound according to a necessary space.

상기 파장 분할 다중화기(30)는 상기 레이저 발생기(2)와 연결되며, 상기 레이저 발생기(2)에서 출력된 레이저와 상기 공진기(1)를 순환하는 레이저를 하나의 광신호로 결합한다. 상기 레이저 발생기(2)는 펌프 레이저 다이오드(pump laser diode)일 수 있고, 980 nm 또는 1410 nm의 레이저를 제공할 수 있다.The wavelength division multiplexer 30 is connected to the laser generator 2 and combines the laser output from the laser generator 2 and the laser circulating through the resonator 1 into one optical signal. The laser generator 2 may be a pump laser diode and may provide a laser of 980 nm or 1410 nm.

상기 증폭기(40)는 상기 파장 분할 다중화기(30)로부터 전송되는 상기 레이저 발생기(2)에서 출력된 레이저의 에너지를 이용하여 상기 공진기(1) 내의 레이저를 증폭시킨다. 상기 레이저 발생기(2)에 사용되는 레이저는 주로 반도체 레이저가 사용되며, 또한 고체 레이저도 사용이 가능한데 여기에는 루비(Ruby), Nd:YAG (neodymium-doped yttrium aluminium garnet, Nd:Y3Al5O12, 엔디야그), Nd:Glass (Neodymium glass) 또는 Ti:Sapphire 등을 사용할 수 있다.The amplifier 40 amplifies the laser in the resonator 1 using the energy of the laser output from the laser generator 2 transmitted from the wavelength division multiplexer 30. The laser used in the laser generator 2 is mainly a semiconductor laser and a solid laser can be used. Examples of the laser include Ruby, Nd: YAG (neodymium-doped yttrium aluminum garnet, Nd: Y3Al5O12, , Nd: Glass (Neodymium glass), or Ti: Sapphire.

다시 말해, 상기 레이저 발생기(2)에서 전송된 에너지를 이용하여 상기 증폭기(40)에서 증폭된 광 에너지는 상기 공진기(1)를 순환하면서 연속파 레이저(continuous wave; CW)를 형성하게 되며, 이 연속파 레이저가 상기 광학 소자(10)와의 포화 흡수 작용(saturable absorption)으로 레이저 펄스를 생성하게 되고, 이 생성된 레이저 펄스가 상기 증폭기(40)에서 반복적으로 증폭 되면서 높은 출력의 레이저 펄스를 생성할 수 있다. 예를 들면, 상기 증폭기(40)로서 EDFA(Er-doped fiber amplifier)를 사용할 수 있다.In other words, the optical energy amplified by the amplifier 40 using the energy transmitted from the laser generator 2 forms a continuous wave (CW) by circulating the resonator 1, The laser generates a laser pulse by saturable absorption with the optical element 10 and the generated laser pulse is repeatedly amplified by the amplifier 40 to generate a laser pulse of high output . For example, an EDFA (Er-doped fiber amplifier) may be used as the amplifier 40.

상기 아이솔레이터(50)는 상기 증폭기(40)와 연결되고, 상기 레이저의 역류를 방지한다. 즉, 상기 아이솔레이터(50)는 상기 레이저 공진기(1)에서 레이저가 한 방향으로만 흐르도록 제어한다.The isolator 50 is connected to the amplifier 40 and prevents the laser from flowing backward. That is, the isolator 50 controls the laser resonator 1 so that the laser flows only in one direction.

상기 커플러(60)는 상기 레이저의 일부를 출력하기 위해 상기 레이저를 분기한다. 예를 들어, 90:10의 비율로 분기하여 10 %의 레이저는 출력하고, 90 %의 레이저는 상기 광학 소자(10)로 전달할 수 있다.The coupler 60 branches the laser to output a part of the laser. For example, a laser of 10% may be output by branching at a ratio of 90:10, and a laser of 90% may be transmitted to the optical element 10.

상기 레이저 공진기(1)는 상기 광학 소자(10)와 연결되고, 상기 레이저의 편광을 조절하는 편광 조절기(70, polarization controller; PC) 및 기타 구성을 더 포함할 수 있다.The laser resonator 1 may further include a polarization controller (PC) 70 connected to the optical element 10 to adjust the polarization of the laser, and the like.

상기 광학 소자(10)는 도 1의 광학 소자(10)와 실질적으로 동일한 구성에서 진행될 수 있다. 따라서, 도 1의 광학 소자(10)와 동일한 구성요소는 동일한 도면부호를 부여하고, 반복되는 설명은 생략한다.The optical element 10 may proceed in substantially the same configuration as the optical element 10 in Fig. Therefore, the same constituent elements as those of the optical element 10 of Fig. 1 are denoted by the same reference numerals, and repeated description is omitted.

상기 광학 소자(10)는 상기 광섬유(3)의 클래딩부(13)의 측면 연마를 통해 상기 클래딩부(13)를 단면이D-자 형태(D-shaped)로 일부 제거하여, 광신호가 지나가는 코어부(11)와 클래딩부(13)의 경계에 존재하는 소실장을 노출시킨다. The optical element 10 partially removes the cladding portion 13 in a D-shaped cross section through side polishing of the cladding portion 13 of the optical fiber 3, Thereby exposing the small mount existing at the boundary between the portion 11 and the cladding portion 13.

이러한 측면 연마한 광섬유 위에 흑린 조각들을 붙이면, 이 조각들의 소실장 흡수 작용을 통해 코어부(11) 내부의 광신호의 감쇄를 유도할 수 있다. 즉, 상기 클래딩부(13)가 제거되어 노출된 코어부(11) 상에 박리된 단층 또는 다층의 흑린층(15)을 형성하여, 레이저 펄스를 제어한다. 또한, 상기 흑린층(15) 상에 보호층(미도시)을 형성하여 상기 흑린층(15)을 외부 요소로부터 보호하여 산화를 막을 수 있다.If black pieces are stuck on the side-polished optical fiber, the attenuation of the optical signal inside the core portion 11 can be induced through the small-sized absorbing action of these pieces. That is, the cladding portion 13 is removed to form a monolayer or multi-layered black phosphorus layer 15 which is peeled off on the exposed core portion 11 to control the laser pulse. Further, a protective layer (not shown) may be formed on the black phosphor layer 15 to protect the black phosphor layer 15 from external elements to prevent oxidation.

상기 광학 소자(10)에서 흑린의 비선형적 광흡수성과 광섬유 레이저 공진기의 광신호 증폭이 결합되어 초고속 모드 잠금 레이저가 완성된다.The nonlinear light absorption of black in the optical element 10 and the optical signal amplification of the optical fiber laser resonator are combined to complete an ultrahigh speed mode locking laser.

본 실시예에 따른 레이저 공진기(1)를 구현한 결과를 도 6 내지 도 8에 나타내었다. 도 6은 도 5의 레이저 공진기에서 출력되는 레이저의 펄스 스펙트럼을 나타낸 그래프이다. 도 7은 도 5의 레이저 공진기에서 출력되는 레이저의 펄스 열을 나타낸 그래프이다. 도 8은 도 5의 레이저 공진기에서 출력되는 레이저의 펄스 폭을 나타낸 그래프이다.The results of implementing the laser resonator 1 according to this embodiment are shown in FIGS. 6 to 8. FIG. 6 is a graph showing a pulse spectrum of a laser output from the laser resonator of FIG. FIG. 7 is a graph showing a pulse train of a laser output from the laser resonator of FIG. 5; 8 is a graph showing the pulse width of the laser output from the laser resonator of FIG.

도 6 내지 도 8을 참조하면, 상기 광학 소자(10)가 출력하는 레이저 펄스는 약 1555 nm의 중간 파장을 갖고, 약 8.889 MHz의 반복률을 보이고, 약 1.09 ps의 펄스 지속 시간을 보였다.Referring to FIGS. 6 to 8, the laser pulse output from the optical element 10 has an intermediate wavelength of about 1555 nm, shows a repetition rate of about 8.889 MHz, and shows a pulse duration of about 1.09 ps.

이에 따라, 본 발명은 광섬유 레이저 공진기 안에 흑린을 이용한 포화 흡수 소자를 추가하여 모드 잠금 레이저 펄스를 구현할 수 있다. 또한, 소실장 작용으로도 작동 가능한 흑린의 광학적 비선형성을 실제 소자에 적용하고, 흑린 산화를 막기 위한 보호층이 펄스 구현에 지장이 되지 않는다는 점을 확인하였다.Accordingly, the mode locking laser pulse can be implemented by adding a saturated absorption element using a black phosphor in the optical fiber laser resonator. In addition, it has been confirmed that the optical nonlinearity of a black line which can be operated by a small-mount operation is applied to an actual device, and that a protective layer for preventing black oxidation does not interfere with pulse implementation.

본 발명에서 이용하는 흑린은 그래핀과 달리 층의 개수에 민감하지 않아 물리적 박리와 전사 같은 모든 공정이 상온에서 간단히 이루어지고, 소실장 작용과 보호층을 통해 작동 중에 일어날 수 있는 물질의 손상 가능성을 최소화할 수 있다.Unlike graphene, black phosphorus used in the present invention is not sensitive to the number of layers, so that all processes such as physical peeling and transfer can be easily performed at room temperature, minimizing the possibility of damage to materials that may occur during operation through small- can do.

도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 흑린을 이용하는 모드 잠금 레이저용 광학 소자의 제조 방법의 흐름도이다.9 is a flowchart of a method of manufacturing an optical element for a mode locking laser using a black phosphor according to an embodiment of the present invention.

본 실시예에 따른 흑린을 이용하는 모드 잠금 레이저용 광학 소자의 제조 방법은, 도 1의 광학 소자(10)와 동일한 구성요소는 동일한 도면부호를 부여하고, 반복되는 설명은 생략한다. In the method of manufacturing an optical element for a mode locking laser using a black phosphor according to the present embodiment, the same constituent elements as those of the optical element 10 of Fig. 1 are denoted by the same reference numerals and repeated explanation is omitted.

도 9를 참조하면, 본 실시예에 따른 흑린을 기반으로 하는 모드 잠금 레이저용 광학 소자의 제조 방법은, 먼저 흑린(Black Phosphorus)층을 박리한다(단계 S10). 예를 들어, 벌크 흑린 소자로부터 단층 또는 다층의 흑린층을 박리한다.Referring to FIG. 9, in the method of manufacturing an optical element for a mode locking laser based on a black phosphor according to the present embodiment, a black phosphor layer is first peeled (step S10). For example, a monolayer or multi-layered black phosphorus layer is peeled from a bulk black phosphor element.

일 실시예로, 벌크 흑린 소자로부터 스카치 테이프 방법을 이용하여 흑린층을 박리할 수 있다. 다른 실시예로, 벌크 흑린 소자로부터 폴리머 스탬핑 방법을 이용하여 흑린층을 박리할 수 있다. 폴리머 스탬핑 방법에서 PDMS(polydimethylsiloxane)와 같은 고분자 화합물 스탬프를 이용할 수 있다.In one embodiment, the black layer can be stripped from the bulk black element using a Scotch tape method. In another embodiment, the black phosphor layer can be peeled off from the bulk black phosphor element using a polymer stamping method. In the polymer stamping method, a polymer compound stamp such as PDMS (polydimethylsiloxane) can be used.

한편, 코어(core)부(11)와 상기 코어부(11)를 감싸는 클래딩(cladding)부(13)를 포함하는 광섬유에서, 상기 클래딩부(13)를 측면 연마하여 일부를 제거한다. 이로써, 상기 클래딩부(13)의 일부가 제거되어 측면에서 볼 때 D-자 형태(D-shaped)의 홈(14)이 형성되고, 상기 광섬유의 길이 방향을 따라 상기 코어부(11)가 일부 노출된다(단계 S30).On the other hand, in the optical fiber including the core portion 11 and the cladding portion 13 surrounding the core portion 11, the cladding portion 13 is side-polished to remove a part thereof. Thus, a part of the cladding part 13 is removed so that a D-shaped groove 14 is formed in a side view, and the core part 11 extends along a longitudinal direction of the optical fiber, (Step S30).

이어, 상기 클래딩부(13)가 제거되어 노출된 상기 코어부(11) 상에 상기 박리한 흑린층을 전사한다(단계 S50). 본 발명에서는 박리된 흑린을 상온에서 바로 연마된 광섬유 위에 전사할 수 있다.Then, the cladding portion 13 is removed, and the peeled black layer is transferred onto the exposed core portion 11 (Step S50). In the present invention, the peeled black can be transferred directly onto the polished optical fiber at room temperature.

일 실시예로, 흑린층을 스카치 테이프 방법으로 박리한 경우, 얇게 박리된 흑린층이 전사된 스카치 테이프를 상기 노출된 코어부 상에 한번 또는 여러 번 찍어 흑린층을 전사한다.In one embodiment, when the black layer is peeled off by a Scotch tape method, a scratched tape on which a thinly peeled black layer has been transferred is dipped onto the exposed core part one or more times to transfer the black layer.

다른 실시예로, 흑린층을 폴리머 스탬핑 방법으로 박리한 경우, 얇게 박리된 흑린층이 전사된 폴리머 스탬핑을 상기 노출된 코어부 상에 한번 또는 여러 번 찍어 흑린층을 전사한다. In another embodiment, when the black layer is peeled by the polymer stamping method, the polymer stamping to which the thinly peeled black layer has been transferred is once or several times stamped on the exposed core portion to transfer the black layer.

또한, 상기 흑린층 상에 고분자 화합물로 형성된 보호층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다(단계 S70). 상기 보호층을 형성하여 산화되기 쉬운 흑린을 산화의 요인이 되는 공기나 수분으로부터 격리하고 보호하여, 공기 중에서도 동작 가능한 광학 소자를 제조할 수 있다.Further, the method may further include forming a protective layer formed of a polymer compound on the black layer (step S70). It is possible to form an optical element capable of operating in air by isolating and protecting the black phosphorus, which is easily oxidized, from the air or moisture which is a factor of oxidation by forming the protective layer.

본 발명에 따른 광학 소자는 온 오프비(on/off ratio)가 상대적으로 나쁜 탄소 소재 대신 그 값이 대략 102배 높은 흑린을 사용하므로, 반도체 소자와의 적용이 가능하며, 물리적 박리 및 전사 방식을 이용해 분산과 스프레이(spray)와 같은 특수 장비의 사용 없이 상온에서 간단한 공정으로 제작 가능하다. The optical element according to the present invention uses a black material whose value is approximately 10 2 times higher than that of a carbon material having a relatively low on / off ratio, and thus can be applied to a semiconductor device, Can be manufactured in a simple process at room temperature without using special equipment such as dispersion and spray.

이에 따라, 분산에 필요한 유기용매의 사용과 같이 환경과 인체에 유해한 과정을 생략할 수 있고, 특수한 장비 없이 물리적으로 바로 박리가 가능하고 박리된 물질의 품질이 상대적으로 크게 중요하지 않아 더 단순화된 공정으로 제조 가능하다. 또한, 10 ㎛의 크기인 코어 위에 전사하여야 되는 정밀성이 필요치 않아 단순하고 빠른 공정이 가능하고, 소실장 작용을 통한 포화 흡수 현상으로 광신호로 인한 물질의 손상을 줄일 수 있다.Accordingly, it is possible to dispense with processes that are harmful to the environment and human body, such as the use of an organic solvent required for dispersion, and it is possible to perform physical separation immediately without special equipment, and the quality of the peeled material is relatively insignificant, . In addition, the precision required to be transferred onto the core having a size of 10 탆 is not required, so that a simple and quick process is possible, and the damage of the material due to the optical signal can be reduced by the saturation absorption phenomenon through the small mounting action.

이상에서는 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made in the present invention without departing from the spirit or scope of the present invention as defined by the following claims. You will understand.

조절 가능한 두께에 따라 변화하는 밴드갭(direct bandgap)을 가진 흑린은 광신호의 흡수나 방출에 적합한 소재이며, 광자 분야(Photonics)와 광전자 공학(optoelectronics)에 유용한 차세대 반도체 소재 중 하나로 주목 받고 있다. 본 발명은 흑린의 고질적인 산화 문제를 광신호의 산란이나 추가적 손실이 없는 보호층 적용으로 광자 분야 소재에서 흑린의 응용성을 높일 수 있다. 이렇게 제조된 광학 소자는 레이저 공진기에 적용되어 피코초(ps)에서 수백 펨토초(fs) 단위의 레이저 펄스를 발생시켜 통신, 의료 기기 등 다양한 분야에 사용할 수 있다.With a direct bandgap that varies with adjustable thickness, black is a suitable material for the absorption and emission of optical signals, and is attracting attention as one of the next-generation semiconductor materials useful for photonics and optoelectronics. The present invention can enhance the applicability of black phosphorus in the photon field by applying a protective layer without scattering or additional loss of optical signal due to the solid oxidation problem of black phosphorus. The optical device thus manufactured is applied to a laser resonator to generate laser pulses of several hundred femtoseconds (fs) at a picosecond (ps), which can be used in various fields such as communication and medical devices.

10: 흑린을 이용하는 모드 잠금 레이저용 광학 소자
11: 코어(core)부
13: 클래딩(cladding)부
14: 홈
15: 흑린(Black Phosphorus)층
1: 레이저 공진기
2: 레이저 발생기
3: 광섬유
30: 파장 분할 다중화기
40: 증폭기
50: 아이솔레이터
60: 커플러
70: 편광 조절기
10: Optical element for mode-locked laser using black phosphor
11: core part
13: cladding portion
14: Home
15: Black Phosphorus layer
1: laser resonator
2: Laser generator
3: Fiber
30: Wavelength Division Multiplexer
40: amplifier
50: Isolator
60: Coupler
70: polarization controller

Claims (20)

광섬유의 길이 방향의 중앙에 형성되어 레이저를 통과시키는 코어(core)부;
상기 코어부를 감싸고, 상기 길이 방향을 따라 코어부가 노출되도록 일부가 제거된 클래딩(cladding)부;
상기 클래딩부가 제거된 코어부 상에 위치하고, 상기 레이저와 상호작용하여 상기 코어부 내에서의 상기 레이저의 포화 흡수를 유도하는 흑린(Black Phosphorus)층; 및
상기 흑린층 상에 형성되어 상기 흑린층의 산화를 막는 보호층을 포함하는, 흑린을 이용하는 모드 잠금 레이저용 광학 소자.
A core portion formed at the center of the optical fiber in the longitudinal direction to allow the laser to pass therethrough;
A cladding portion surrounding the core portion and partially removing the core portion to expose the core portion along the longitudinal direction;
A black phosphor layer positioned on the core portion from which the cladding portion is removed and interacting with the laser to induce saturable absorption of the laser in the core portion; And
And a protective layer formed on the black phosphor layer to prevent oxidation of the black phosphor layer.
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 보호층은 고분자 화합물로 형성된, 흑린을 이용하는 모드 잠금 레이저용 광학 소자.
The method according to claim 1,
Wherein the protective layer is formed of a polymer compound.
제1항에 있어서,
상기 흑린층은 단일층으로 형성된, 흑린을 이용하는 모드 잠금 레이저용 광학 소자.
The method according to claim 1,
Wherein the black layer is formed as a single layer.
제1항에 있어서,
상기 흑린층은 다층으로 형성된, 흑린을 이용하는 모드 잠금 레이저용 광학 소자.
The method according to claim 1,
Wherein the black phosphor layer is formed in a multilayered structure.
각 구성들이 광섬유로 연결되어 모드 잠금 레이저 펄스를 발생시키는 레이저 공진기에 있어서,
레이저 발생기와 연결되는 파장 분할 다중화기(Wavelength Division Multiplexer; WDM);
상기 파장 분할 다중화기로부터 전송되는 레이저를 증폭시키는 증폭기;
상기 증폭기와 연결되고, 상기 레이저의 역류를 방지하는 아이솔레이터(isolator);
상기 레이저의 일부를 출력하기 위해 상기 레이저를 분기하는 커플러(coupler);
상기 커플러로부터 분기된 레이저를 제어하는 광학 소자; 및
상기 광학 소자와 연결되고, 상기 레이저의 편광을 조절하는 편광 조절기(Polarization Controller; PC)를 포함하고,
상기 광학 소자는, 상기 광섬유의 길이 방향의 중앙에 형성되어 레이저를 통과시키는 코어(core)부; 상기 코어부를 감싸고, 상기 길이 방향을 따라 일부가 제거된 클래딩(cladding)부; 상기 클래딩부가 제거된 하부의 코어부와 가까운 상기 클래딩부의 표면에 위치하고, 상기 레이저와 상호작용하여 상기 코어부 내에서의 상기 레이저의 포화 흡수를 유도하는 흑린(Black Phosphorus)층; 및 상기 흑린층 상에 형성되어 상기 흑린층의 산화를 막는 보호층을 포함하는, 레이저 공진기.
CLAIMS 1. A laser resonator in which each structure is connected with an optical fiber to generate a mode locking laser pulse,
A Wavelength Division Multiplexer (WDM) coupled to a laser generator;
An amplifier for amplifying a laser beam transmitted from the wavelength division multiplexer;
An isolator connected to the amplifier, the isolator preventing reverse flow of the laser;
A coupler for branching the laser to output a part of the laser;
An optical element for controlling a laser beam branched from the coupler; And
And a polarization controller (PC) connected to the optical element and controlling the polarization of the laser,
Wherein the optical element comprises: a core portion formed at the center of the optical fiber in the longitudinal direction to allow the laser to pass therethrough; A cladding portion surrounding the core portion, the cladding portion partially removed along the longitudinal direction; A black phosphor layer positioned on a surface of the cladding portion close to the lower core portion from which the cladding portion is removed and interacting with the laser to induce saturated absorption of the laser in the core portion; And a protective layer formed on the black phosphor layer to prevent oxidation of the black phosphor layer.
제6항에 있어서,
중간 파장이 1530 nm 내지 1560 nm 대역의 레이저 펄스를 생성하는, 레이저 공진기.
The method according to claim 6,
Wherein the intermediate wavelength produces a laser pulse in the 1530 nm to 1560 nm band.
제6항에 있어서,
펄스 폭이 수 피코초(ps)에서 수백 펨토초(fs) 사이인 레이저 펄스를 생성하는, 레이저 공진기.
The method according to claim 6,
A laser resonator, wherein the pulse width is in the range of a few picoseconds (ps) to a few hundred femtoseconds (fs).
삭제delete 제6항에 있어서,
상기 보호층은 고분자 화합물로 형성된, 레이저 공진기.
The method according to claim 6,
Wherein the protective layer is formed of a polymer compound.
제6항에 있어서,
상기 흑린층은 단일층으로 형성된, 레이저 공진기.
The method according to claim 6,
Wherein the black layer is formed as a single layer.
제6항에 있어서,
상기 흑린층은 다층으로 형성된, 레이저 공진기.
The method according to claim 6,
Wherein the black phosphor layer is formed in a multilayered structure.
흑린(Black Phosphorus)층을 박리하는 단계;
광섬유에서 코어(core)부를 감싸는 클래딩(cladding)부의 일부를 제거하여 상기 광섬유의 길이 방향을 따라 상기 코어부를 노출시키는 단계;
상기 노출된 코어부 상에 상기 흑린층을 전사하는 단계; 및
상기 흑린층 상에, 상기 흑린층의 산화를 막기 위한 고분자 화합물로 형성된 보호층을 형성하는 단계를 포함하는, 흑린을 이용하는 모드 잠금 레이저용 광학 소자의 제조 방법.
Peeling the Black Phosphorus layer;
Removing a portion of a cladding portion surrounding the core portion of the optical fiber to expose the core portion along a longitudinal direction of the optical fiber;
Transferring the blackened layer onto the exposed core; And
And forming a protective layer made of a polymer compound for preventing oxidation of the black layer on the black layer.
삭제delete 제13항에 있어서, 상기 흑린층을 박리하는 단계는,
스카치 테이프 방법을 이용하는, 흑린을 이용하는 모드 잠금 레이저용 광학 소자의 제조 방법.
14. The method of claim 13, wherein the step of peeling the black-
A method of manufacturing an optical element for a mode-locked laser using a black phosphor by using a scotch tape method.
제15항에 있어서, 상기 노출된 코어부 상에 상기 흑린층을 전사하는 단계는,
얇게 박리된 흑린층이 전사된 스카치 테이프를 상기 노출된 코어부 상에 찍는, 흑린을 이용하는 모드 잠금 레이저용 광학 소자의 제조 방법.
16. The method of claim 15, wherein transferring the blackened layer onto the exposed core comprises:
A method for manufacturing an optical element for a mode locking laser using a black phosphor, wherein a scotch tape on which a thinly peeled black layer is transferred is photographed on the exposed core portion.
제16항에 있어서, 상기 노출된 코어부 상에 상기 흑린층을 전사하는 단계는,
상기 스카치 테이프를 여러 번 찍는, 흑린을 이용하는 모드 잠금 레이저용 광학 소자의 제조 방법.
17. The method of claim 16, wherein the step of transferring the blackened layer onto the exposed core comprises:
The method of manufacturing an optical element for a mode-locked laser using a black phosphor to take the scotch tape several times.
제13항에 있어서, 상기 흑린층을 박리하는 단계는,
폴리머 스탬핑 방법을 이용하는, 흑린을 이용하는 모드 잠금 레이저용 광학 소자의 제조 방법.
14. The method of claim 13, wherein the step of peeling the black-
A method of manufacturing an optical element for a mode-locking laser using a black stain using a polymer stamping method.
제18항에 있어서, 상기 노출된 코어부 상에 상기 흑린층을 전사하는 단계는,
얇게 박리된 흑린층이 전사된 폴리머 스탬프를 상기 노출된 코어부 상에 찍는, 흑린을 이용하는 모드 잠금 레이저용 광학 소자의 제조 방법.
19. The method of claim 18, wherein the step of transferring the blackened layer onto the exposed core comprises:
A method for manufacturing an optical element for a mode lock laser using a black phosphor, wherein a polymer stamp on which a thinly peeled black layer is transferred is photographed on the exposed core portion.
제19항에 있어서, 상기 노출된 코어부 상에 상기 흑린층을 전사하는 단계는,
상기 폴리머 스탬프를 여러 번 찍는, 흑린을 이용하는 모드 잠금 레이저용 광학 소자의 제조 방법.
The method of claim 19, wherein transferring the blackened layer onto the exposed core comprises:
A method for manufacturing an optical element for a mode-locked laser using a black phosphor, wherein the polymer stamp is photographed several times.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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US20040218257A1 (en) * 2003-04-29 2004-11-04 National Chiao Tung University Evanescent-field optical amplifiers and lasers
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