KR20190128876A - Optical device including graphene film placed on polymer waveguide and laser pulse apparatus including the same - Google Patents

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KR20190128876A
KR20190128876A KR1020180053155A KR20180053155A KR20190128876A KR 20190128876 A KR20190128876 A KR 20190128876A KR 1020180053155 A KR1020180053155 A KR 1020180053155A KR 20180053155 A KR20180053155 A KR 20180053155A KR 20190128876 A KR20190128876 A KR 20190128876A
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송용원
류보원
이성재
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한국과학기술연구원
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    • H01S3/05Construction or shape of optical resonators; Accommodation of active medium therein; Shape of active medium
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    • H01S3/06712Polarising fibre; Polariser

Abstract

The present invention relates to an optical device including a graphene film placed on a polymer waveguide and a laser pulse apparatus including the same. The laser pulse apparatus comprises: a core layer including a core; a cladding layer surrounding at least a part of the core layer; a substrate surrounding the cladding layer; and a graphene film placed on the core layer, wherein the core layer and the cladding layer are formed of a polymer, thereby generating a high quality laser pulse even when the waveguide is flexible.

Description

폴리머 도파로 상에 위치한 그래핀 필름을 포함하는 광학 소자 및 상기 광학 소자를 포함하는 레이저 펄스 장치{OPTICAL DEVICE INCLUDING GRAPHENE FILM PLACED ON POLYMER WAVEGUIDE AND LASER PULSE APPARATUS INCLUDING THE SAME}TECHNICAL DEVICE INCLUDING GRAPHENE FILM PLACED ON POLYMER WAVEGUIDE AND LASER PULSE APPARATUS INCLUDING THE SAME}

본 발명은 폴리머 도파로 상에 위치한 그래핀 필름을 포함하는 광학 소자 및 상기 광학 소자를 포함하는 레이저 펄스 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 플렉서블 가능한 폴리머 도파로(polymer waveguide) 상에 위치하는 그래핀 필름을 사용하여 고품질의 레이저 펄스를 생성하게 하는 광학 소자 및 레이저 펄스 장치에 관한 것이다.The present invention relates to an optical device including a graphene film located on a polymer waveguide and a laser pulse device including the optical device, and more particularly, to a graphene film located on a flexible polymer waveguide. It relates to an optical element and a laser pulse device for use in generating high quality laser pulses.

최근 광학 인터커넥트(optical interconnects) 기술을 적용하여 집적 회로의 크기를 소형화 하고자 하는 연구가 활발히 진행되고 있다. 광학 인터커넥트(optical interconnects) 기술은 초대량 전송을 가능하게 하는 기술로서, 데이터 병렬 연결이 가능하고, 전자기 간섭이 거의 없으며, 전력 소비 및 신호 손실이 낮다는 장점을 가지는 장점이 있다. 따라서, 광학 인터커넥트 기술이 적용된 광자 집적 회로(photonic integrated circuits, PIC)는 집적 밀도가 높고, 대규모 광 집적화를 실현할 수 있다.Recently, researches for miniaturizing integrated circuits by applying optical interconnects have been actively conducted. Optical interconnects technology is a technology that enables high-capacity transmission, and has advantages of parallel data connection, little electromagnetic interference, and low power consumption and signal loss. Therefore, photonic integrated circuits (PICs) to which optical interconnect technology is applied have high integration density and can realize large scale optical integration.

실리콘(Si)은 PIC와 관련해서 가장 대표적인 재료이다. 실리콘(Si)의 굴절률이 높기 때문에 실리콘(Si) 기반 광학 소자는 매우 높은 수준의 광 집적도(degree of integration)을 얻을 수 있다. Silicon (Si) is the most representative material with respect to PIC. Due to the high refractive index of silicon (Si), silicon (Si) based optical devices can obtain a very high degree of degree of integration.

그러나, 실리콘(Si) 기반 광학 소자는 E-beam 이나 심자외선 리소그래피(deep-ultraviolet lithography) 등 리소그래피(lithography) 기술에 소요되는 비용이 상대적으로 높고, 재료의 특성상 플렉서블 기능이 요구되는 장치에 적용되는데 한계가 있다.However, silicon (Si) -based optical devices are relatively expensive for lithography techniques such as E-beam or deep-ultraviolet lithography, and are applied to devices requiring flexible functions due to the nature of the material. There is a limit.

등록특허공보 제10-1028803호Patent Registration No. 10-1028803

본 발명의 일 측면에 따르면, 폴리머 도파로(polymer waveguide) 상에 위치한 그래핀 필름을 포함하는 광학 소자를 제공한다.According to one aspect of the invention, there is provided an optical device comprising a graphene film located on a polymer waveguide.

이외에도, 상기 광학 소자를 포함하는 레이저 펄스 장치를 제공한다.In addition, it provides a laser pulse device including the optical element.

본 발명의 일 측면에 따른, 입력되는 연속파 레이저로부터 레이저 펄스를 생성하는 광학 소자는 코어를 포함하는 코어층; 상기 코어층을 적어도 일부를 둘러싸는 클래딩층; 상기 클래딩층을 둘러싸는 기판; 및 상기 코어층 상에 위치하는 그래핀 필름을 포함한다. 여기서, 상기 코어층과 클래딩층은 폴리머로 형성될 수 있다.According to an aspect of the present invention, an optical device for generating a laser pulse from an input continuous wave laser includes a core layer including a core; A cladding layer surrounding at least a portion of the core layer; A substrate surrounding the cladding layer; And a graphene film positioned on the core layer. Here, the core layer and the cladding layer may be formed of a polymer.

일 실시예에서, 상기 클래딩층은 플렉서블 폴리머로 형성될 수 있다.In one embodiment, the cladding layer may be formed of a flexible polymer.

일 실시예에서, 상기 클래딩층과 코어층은 동일한 플렉서블 폴리머로 형성될 수 있다.In one embodiment, the cladding layer and the core layer may be formed of the same flexible polymer.

일 실시예에서, 상기 코어는 복수 개일 수 있다.In one embodiment, the core may be a plurality.

일 실시예에서, 1550nm 파장에서 상기 클래딩층의 굴절률은 1.45이고, 상기 코어층의 굴절률은 1.455일 수 있다.In an embodiment, the refractive index of the cladding layer may be 1.45 and the refractive index of the core layer may be 1.455 at a wavelength of 1550 nm.

일 실시예에서, 상기 코어는 단면이 사다리꼴 형태로서, 윗면의 폭은 0.1 내지 15um, 높이는 0.1 내지 15um일 수 있다.In one embodiment, the core has a trapezoidal cross-section, the upper surface may be 0.1 to 15um, the height of 0.1 to 15um.

본 발명의 다른 일 측면에 따른 레이저 펄스 장치는 상술한 광학 소자; 레이저 공진 루프에서 전송되는 레이저를 증폭시키는 증폭기; 상기 레이저의 방향성을 제시하는 고립기(isolator); 상기 레이저의 편광을 조절하는 편광 조절기; 색분산을 조절하는 단일 모드 광섬유; 및 상기 광학 소자로부터 출력되는 레이저 펄스를 분기하는 커플러를 포함할 수 있다.Laser pulse device according to another aspect of the invention the above-described optical element; An amplifier for amplifying the laser transmitted in the laser resonant loop; An isolator presenting the direction of the laser; A polarization controller for controlling polarization of the laser; Single mode optical fiber for controlling chromatic dispersion; And a coupler for branching a laser pulse output from the optical element.

일 실시예에서, 상기 레이저 펄스 장치에 의해 생성되는 레이저 펄스는 중심 파장(central wavelength), 스펙트럼 폭(spectral width), 반복률(repetition rate) 그리고 펄스 주기(pulse duration)가 각각 1553.32 nm, 10.21 nm, 4.18 MHz 그리고 390 fs일 수 있다.In one embodiment, the laser pulse generated by the laser pulse device has a central wavelength, spectral width, repetition rate and pulse duration of 1553.32 nm, 10.21 nm, It can be 4.18 MHz and 390 fs.

본 발명의 일 측면에 따른 광학 소자는 플렉서블 가능한 폴리머 상에 위치한 그래핀 필름을 사용하여 고품질의 레이저 펄스를 생성한다. 따라서, 경직된 실리콘(Si) 기판 기반 광학 소자를 사용하는 한계를 벗어나 플렉서블한 특성을 가지면서도 고품질의 레이저 펄스를 생성할 수 있어, 광학 소자의 범위를 보다 넓힐 수 있다.An optical device according to one aspect of the present invention uses a graphene film located on a flexible polymer to generate high quality laser pulses. Therefore, it is possible to generate high-quality laser pulses having flexible characteristics and beyond the limitation of using a rigid silicon (Si) substrate-based optical device, thereby widening the range of the optical device.

또한, 수동 소자(passive device)로만 사용되었던 광도파로에 그래핀 필름을 전사함으로써 능동 소자(active device)로 제작할 수 있어 소형화 및 효율성을 높일 수 있다.In addition, by transferring the graphene film to the optical waveguide that was used only as a passive device, it can be manufactured as an active device, thereby miniaturizing and increasing efficiency.

본 발명 또는 종래 기술의 실시예의 기술적 해결책을 보다 명확하게 설명하기 위해, 실시예에 대한 설명에서 필요한 도면이 아래에서 간단히 소개된다. 아래의 도면들은 본 명세서의 실시예를 설명하기 목적일 뿐 한정의 목적이 아니라는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 설명의 명료성을 위해 아래의 도면들에서 과장, 생략 등 다양한 변형이 적용된 일부 요소들이 도시될 수 있다.
도 1은, 본 발명의 일 실시예에 따른, 레이저 펄스를 생성하는 레이저 펄스 장치의 개념도이다.
도 2는, 본 발명의 일 실시예에 따른, 광학 소자의 개념도이다.
도 3은 포인트 밴드갭 구조를 가진 그래핀의 광흡수 특성을 나타내는 개념도이다.
도 4는, 본 발명의 일 실시예에 따른, 광학 소자의 단면도이다.
도 5a 내지 도 5c는, 본 발명의 일 실시예에 따른, 광학 소자에 포함된 그래핀의 특성을 보여주는 그래프들 및 이미지들이다.
도 6은, 본 발명의 일 실시예에 따른, 가시광 레이저를 사용하여 폴리머 도파관과 단일 모드 광섬유의 정렬한결과를 도시한 도면이다.
도 7a 내지 도 7e는, 본 발명의 일 실시예에 따른, 레이저 펄스 장치를 사용하여 생성한 레이저 펄스의 특성을 도시한 도면이다.
BRIEF DESCRIPTION OF DRAWINGS To describe the technical solutions in the embodiments of the present invention or in the prior art more clearly, the drawings required in the description of the embodiments are briefly introduced below. It is to be understood that the drawings below are for the purpose of describing the embodiments herein and are not intended to be limiting. In addition, some elements to which various modifications, such as exaggeration and omission, may be shown in the following drawings for clarity of explanation.
1 is a conceptual diagram of a laser pulse device for generating a laser pulse according to an embodiment of the present invention.
2 is a conceptual diagram of an optical device according to an embodiment of the present invention.
3 is a conceptual diagram illustrating light absorption characteristics of graphene having a point band gap structure.
4 is a cross-sectional view of an optical device according to an embodiment of the present invention.
5A to 5C are graphs and images showing characteristics of graphene included in an optical device according to an embodiment of the present invention.
6 is a view showing the alignment of a polymer waveguide and a single mode optical fiber using a visible light laser according to an embodiment of the present invention.
7A to 7E are diagrams illustrating characteristics of a laser pulse generated using a laser pulse apparatus according to an embodiment of the present invention.

본 발명에서 사용한 용어는 단지 확정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것이지, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 본 발명 및 첨부 된 특허청구의 범위에서 사용되는 단수 표현은 아래위 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현도 포함하는 것을 의도한다. 또한 본 발명에서 사용한 "및/또는"이라는 용어에 대해서는 하나 또는 복수의 관련되는 열거한 항목들의 임의 또는 모든 가능한 조합들을 포함하는 것으로 이해 하여야 한다.The terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments only and is not intended to be limiting of the invention. The singular forms used in the present invention and the appended claims are intended to include the plural forms as well, unless the context clearly indicates otherwise. It is also to be understood that the term "and / or" as used herein includes any or all possible combinations of one or a plurality of related enumerated items.

어느 부분이 다른 부분의 "위에" 있다고 언급하는 경우, 이는 바로 다른 부분의 위에 있을 수 있거나 그 사이에 다른 부분이 수반될 수 있다. 대조적으로 어느 부분이 다른 부분의 "바로 위에" 있다고 언급하는 경우, 그 사이에 다른 부분이 수반되지 않는다.When a portion is referred to as being "above" another portion, it may be just above the other portion or may be accompanied by another portion in between. In contrast, when a part is mentioned as "directly above" another part, no other part is involved between them.

제1, 제2 및 제3 등의 용어들은 다양한 부분, 성분, 영역, 층 및/또는 섹션들을 설명하기 위해 사용되나 이들에 한정되지 않는다. 이들 용어들은 어느 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션을 다른 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션과 구별하기 위해서만 사용된다. 따라서, 이하에서 서술하는 제1 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션은 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 제2 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션으로 언급될 수 있다.Terms such as first, second, and third are used to describe various parts, components, regions, layers, and / or sections, but are not limited to these. These terms are only used to distinguish one part, component, region, layer or section from another part, component, region, layer or section. Accordingly, the first portion, component, region, layer or section described below may be referred to as the second portion, component, region, layer or section without departing from the scope of the invention.

여기서 사용되는 전문 용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.The terminology used herein is for reference only to specific embodiments and is not intended to limit the invention. As used herein, the singular forms “a,” “an,” and “the” include plural forms as well, unless the phrases clearly indicate the opposite. As used herein, the meaning of "comprising" embodies a particular characteristic, region, integer, step, operation, element and / or component, and the presence of other characteristics, region, integer, step, operation, element and / or component It does not exclude the addition.

다르게 정의하지는 않았지만, 여기에 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 보통 사용되는 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.Unless defined otherwise, all terms including technical and scientific terms used herein have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art. Commonly defined terms used are additionally interpreted to have a meaning consistent with the related technical literature and the presently disclosed contents, and are not interpreted in an ideal or very formal sense unless defined.

이하에서, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 대하여 상세히 살펴본다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은, 본 발명의 일 실시예에 따른, 레이저 펄스를 생성하는 레이저 펄스 장치(1)의 개념도이다. 1 is a conceptual diagram of a laser pulse device 1 for generating laser pulses according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 레이저 펄스 장치(1)는 광원(11), 증폭기(12), 고립기(isolator)(13), 편광 조절기(PC, polarization controller)(14), 광학 소자(15) 및 커플러(16)를 포함한다. 각 구성요소들(11, 12, 13, 14, 15, 16)은 광학적으로 연결되어 레이저 공진 루프를 형성한다. 일 실시예에서, 레이저 펄스 장치(1)는 단일 모드 광섬유(SMF, single mode fiber)(17)를 더 포함한다. Referring to FIG. 1, the laser pulse device 1 includes a light source 11, an amplifier 12, an isolator 13, a polarization controller 14, an optical element 15, and Coupler 16. Each component 11, 12, 13, 14, 15, 16 is optically connected to form a laser resonant loop. In one embodiment, the laser pulse device 1 further comprises a single mode fiber (SMF) 17.

광원(11)은 연속파 레이저를 출력하는 장치로서, 레이저 발진기로 지칭될 수 있다. 광원(11)에 사용되는 고체 레이저로는 루비(Ruby), Nd:YAG (neodymium-doped yttrium aluminium garnet, Nd:Y3Al5O12, 엔디야그), Nd:Glass (Neodymium glass) 또는 Ti:Sapphire 등을 사용할 수 있다. 일 실시예에서 광원(11)은 펌프 레이저 다이오드일 수 있다.The light source 11 is a device for outputting a continuous wave laser and may be referred to as a laser oscillator. Ruby, Nd: YAG (neodymium-doped yttrium aluminum garnet, Nd: Y3Al5O12, Endiyag), Nd: Glass (Neodymium glass) or Ti: Sapphire can be used as the solid state laser used for the light source 11. have. In one embodiment, the light source 11 may be a pump laser diode.

증폭기(12)는 레이저 공진 루프에서 전송되는 레이저를 증폭시킨다. 레이저 펄스 장치(1)는 증폭기(12)를 통과하면서 순간적으로 큰 레이저 펄스 출력을 얻을 수 있다. 일 실시예에서, 증폭기(12)는 EDFA(Er-doped fiber amplifier)일 수 있다.The amplifier 12 amplifies the laser transmitted in the laser resonant loop. The laser pulse device 1 can instantaneously obtain a large laser pulse output while passing through the amplifier 12. In one embodiment, the amplifier 12 may be an Er-doped fiber amplifier (EDFA).

증폭기(12)에 의해 증폭된 레이저는 고립기(13)를 통해 편광 조절기 (14)로 전송된다. 편광 조절기14는 레이저의 편광을 조절한다. 한편, 고립기(13)는 전송받은 레이저가 역류되지 않도록 하므로, 레이저는 한방향으로만 흐른다.The laser amplified by the amplifier 12 is transmitted to the polarization controller 14 through the isolator 13. The polarization controller 14 controls the polarization of the laser. On the other hand, since the isolator 13 prevents the transmitted laser from flowing backward, the laser flows in only one direction.

도 2는, 본 발명의 일 실시예에 따른, 광학 소자(15)의 개념도이다. 2 is a conceptual diagram of an optical element 15 according to an embodiment of the present invention.

광학 소자(15) 내에는 포화 흡수(saturable absorption) 물질이 포함되어 있다. 약한 세기의 빛은 포화 흡수 물질에 흡수되고, 강한 세기의 빛은 포화 흡수 물질을 통과한다. 특히, 포화 흡수 물질이 나노 물질인 경우, 레이저 공진기 내의 원하는 곳에 포화 흡수 물질을 삽입할 수 있으므로, 시스템의 집적화가 유리하고 공정을 단순화할 수 있다. 또한, 높은 비선형성의 나노물질은 그 펄스 크기를 최소화할 수 있으므로, 높은 품질의 펄스를 생성할 수 있다.The optical element 15 contains a saturable absorption material. Weak intensity light is absorbed by the saturated absorbent material, and strong intensity light passes through the saturated absorbent material. In particular, when the saturable absorbent material is a nanomaterial, it is possible to insert the saturated absorbent material into a desired place in the laser resonator, so that the integration of the system is advantageous and the process can be simplified. In addition, high nonlinear nanomaterials can minimize their pulse size, resulting in high quality pulses.

그래핀은 전술한 조건을 모두 만족하는 포화 흡수 물질로서 기능할 수 있다. 그래핀의 포화 흡수 특성이 구현되는 경우, 피코초의 레이저 펄스가 생성될 수 있다. 그래핀에서는 탄소 원자가 2차원적으로 규칙 배열된다. 그래핀은 에너지 밴드 사이의 밴드갭이 0인 포인트 밴드갭 구조를 가지므로, 파장의 제한없이 모든 광을 흡수할 수 있다. 따라서 광대역 광신호를 원활하게 생성하거나 처리할 수 있다. 이하에서는 전술한 내용을 도 3을 통하여 좀더 상세하게 설명한다.Graphene can function as a saturated absorbent material that satisfies all of the above conditions. When the saturated absorption characteristic of graphene is implemented, a picosecond laser pulse may be generated. In graphene, carbon atoms are ordered in two dimensions. Since graphene has a point bandgap structure in which the bandgap between energy bands is zero, it can absorb all light without limiting the wavelength. Therefore, the wideband optical signal can be smoothly generated or processed. Hereinafter, the above description will be described in more detail with reference to FIG. 3.

도 3은 포인트 밴드갭 구조를 가진 그래핀의 광흡수 특성을 나타내는 개념도이다. 도 3의 모형(M1)과 모형(M2)는 그래핀의 광흡수 선형성을 나타내며, 모형(M3)은 포인트 밴드갭 구조를 가진 그래핀의 포화흡수 비선형성을 나타낸다. 도 3의 모형(M2)와 모형(M3)의 짙은 초록색 영역은 광자의 충전 상태를 나타낸다.3 is a conceptual diagram illustrating light absorption characteristics of graphene having a point band gap structure. Models M1 and M2 of FIG. 3 represent light absorption linearity of graphene, and model M3 represents saturation absorption nonlinearity of graphene having a point band gap structure. The dark green areas of model M2 and model M3 in FIG. 3 indicate the state of charge of the photons.

그래핀에 흡수되는 광자들의 양이 적은 경우, 전자는 원자가 전자대에 정공을 생성시키고, 광자의 파장에 해당되는 전도대의 특정 자리로 여기된다. 생성된 디락 페르미온들(Dirac-fermion)은 그래핀 표면의 플라스몬 또는 포논(phnon)과 에너지를 교환한다. 그 결과, 디락 페르미온들은 페르미-디락(Fermi-Dirac) 분포를 만족시킨다. 따라서 생성되는 정공과 전자들이 전자대와 전도대의 끝부분부터 점차 충전되어 에너지 밴드의 폭이 넓어지면서 동일한 파장을 가진 광자를 흡수할 수 없게 된다.When the amount of photons absorbed by the graphene is small, electrons generate holes in the valence electron band and are excited to specific sites in the conduction band corresponding to the wavelength of the photon. The produced Dirac-fermions exchange energy with plasmons or phnons on the graphene surface. As a result, Dirac Fermions satisfy the Fermi-Dirac distribution. Therefore, the holes and electrons generated are gradually charged from the ends of the electron and conduction bands, so that the energy band becomes wider and cannot absorb photons having the same wavelength.

즉, 도 3의 모형(M1) 내지 모형(M3)과 같이, 광자들의 양이 충분히 많은 경우, 생성된 캐리어들은 에너지 상태를 채우고, 더이상 전자가 점유 캐리어들의 파울리 배타원리에 의해 저지되므로(Pauli blocking) 에너지 상태가 여기되지 않는 상태로 된다. 이것은 그래핀에 의한 포화 흡수를 설명된다.That is, as in the models M1 to M3 of FIG. 3, when the amount of photons is large enough, the generated carriers fill the energy state and the electrons are no longer blocked by the Pauli exclusive principle of occupied carriers (Pauli blocking). ) The energy state becomes a state that is not excited. This explains the saturated absorption by graphene.

도 4는, 본 발명의 일 실시예에 따른, 광학 소자(15)의 단면도이다. 일 실시예에서, 광학 소자(15)는 코어를 포함하는 코어층(151), 코어층의 일부 및/또는 전부를 둘러싸는 클래딩층(153), 상기 클래딩층을 둘러싸는 기판 및 그래핀 필름(155)을 포함한다. 4 is a cross-sectional view of an optical element 15, according to an embodiment of the invention. In one embodiment, the optical element 15 comprises a core layer 151 comprising a core, a cladding layer 153 surrounding some and / or all of the core layer, a substrate surrounding the cladding layer and a graphene film ( 155).

다시 도 2를 참조하면, 클래딩층(153)은 코어층(151)과 클래딩층(153)의 굴절률 차이로 인해 레이저가 코어를 따라 코어가 뻗은 방향으로 전송되도록 형성된다. 이러한 도파로 기능을 위해, 클래딩층의 굴절률은 코어의 굴절률보다 상대적으로 낮도록 형성된다. 또한, 광학 소자(15)가 보다 플렉서블한 특성을 갖도록, 코어층(151)과 클래딩층(153)은 플렉서블 가능한 폴리머로 형성된다. 일 실시예에서, 코어층(151)과 클래딩층(153)은 모두 ZPU12-RI로 형성된다. 결국, 코어에 사용된 폴리머 굴절률은 클래딩에 사용된 폴리머의 굴절률 보다 높다. 광원(11)의 레이저 파장이 1550nm인 일 실시예에서, 코어에 사용된 폴리머 굴절률은 1.455이고, 클래딩에 사용된 폴리머 굴절률은 1.45이다. 이와 같이 코어층(151)과 클래딩층(153)이 플렉서블한 폴리머로 형성이 되어, 기존의 실리콘 기반 도파로 보다 플렉서블한 광학 소자로 다양하게 이용할 수 있다.Referring back to FIG. 2, the cladding layer 153 is formed such that the laser is transmitted along the core in the direction in which the core extends due to the difference in refractive index between the core layer 151 and the cladding layer 153. For this waveguide function, the refractive index of the cladding layer is formed to be relatively lower than the refractive index of the core. In addition, the core layer 151 and the cladding layer 153 are formed of a flexible polymer so that the optical element 15 has more flexible characteristics. In one embodiment, both core layer 151 and cladding layer 153 are formed of ZPU12-RI. As a result, the polymer refractive index used for the core is higher than that of the polymer used for the cladding. In one embodiment where the laser wavelength of the light source 11 is 1550 nm, the polymer refractive index used for the core is 1.455 and the polymer refractive index used for the cladding is 1.45. As described above, the core layer 151 and the cladding layer 153 are formed of a flexible polymer, and thus, the core layer 151 and the cladding layer 153 may be used as various flexible optical devices.

추가적으로, 클래딩층이 복수일 수 있다. 예를 들어, 하나의 클래딩층으로 고품질의 펄스를 생성하기 어려운 경우, 고품질의 펄스를 생성하기 위해 요구되는 굴절률 및 굴절률 차이를 갖도록 추가의 클래딩층이 상기 클래딩층(153) 상에 더 코팅될 수 있다.Additionally, there may be a plurality of cladding layers. For example, if it is difficult to produce a high quality pulse with one cladding layer, an additional cladding layer may be further coated on the cladding layer 153 to have the refractive index and refractive index differences required to produce a high quality pulse. have.

광학 소자(15)는 코어를 따라 전송되는 레이저와 그래핀 필름의 상호작용에 의해 레이저 펄스를 생성한다. 그래핀의 손상을 방지하기 위해, 상대적으로 낮은 에너지를 갖는 레이저의 소실장을 이용하여 그래핀의 비선형성을 이용한다. 코어를 따라 진행하는 레이저의 소실장과 그래핀 필름이 상호작용할 수 있도록 클래딩층(153)이 형성된다. 일 실시예에서, 클래딩층(153)은 광학 소자(15)의 상단에 해당하는 부분을 제외한 코어의 일부를 감싸도록 형성된다. The optical element 15 generates a laser pulse by the interaction of the graphene film with the laser transmitted along the core. In order to prevent the damage of graphene, the nonlinearity of graphene is used by using the loss of laser having a relatively low energy. The cladding layer 153 is formed such that the graphene film interacts with the disappearance of the laser traveling along the core. In one embodiment, the cladding layer 153 is formed to surround a portion of the core except for the portion corresponding to the top of the optical element 15.

일 실시예에서, 광학 소자(15)의 코어층(151)은 두께가 36um, 클래딩층(153)에 둘러쌓인 코어는 윗면의 폭은 0.1 내지15um, 높이는 0.1 내지 15um인 사다리꼴 형태로 형성될 수 있다. 일 예에서, 코어의 윗면의 폭은 9um, 높이는 7um일 수도 있다.In one embodiment, the core layer 151 of the optical element 15 has a thickness of 36um, the core surrounded by the cladding layer 153 may be formed in a trapezoidal shape with a top surface of 0.1 to 15um, 0.1 to 15um in height. have. In one example, the top surface of the core may be 9um wide and 7um high.

광학 소자(15)는 코어의 개수가 하나인 단일 코어 또는 코어의 개수가 복수 개인 멀티 코어를 가질 수 있다. The optical element 15 may have a single core having one core or a multi core having a plurality of cores.

그러나, 이러한 코어의 개수, 단면 형태는 예시적인 것으로서 이에 제한되지 않으며, 코어는 클래딩 역할을하는 폴리머가 에칭되는 패턴에 따라 다양하게 형성될 수 있다.However, the number and cross-sectional shape of the cores are exemplary and not limited thereto, and the cores may be variously formed according to the pattern in which the polymer serving as the cladding is etched.

그리고 그래핀 필름(155)은 코어층(151) 상에 위치하도록 형성된다. 도파로 코어 내로 진행하는 레이저의 소실장(evanescent field)을 도파로 외부로 확장시키기 위해서는 코어 주변의 평균 굴절률(effective refractive index)이 낮아져야 하고, 이를 위해 광도파로 제작시 에칭된 클래딩 위에 코어가 채워지며, 코어 주변은 굴절률이 1인 공기층이 되도록 제작한다. 그 결과, 목적한 소실장이 밖으로 확장되고, 확장된 장(field)의 영역 내에 위치한 소자와 상호작용이 강화된다.The graphene film 155 is formed on the core layer 151. In order to extend the evanescent field of the laser propagating into the waveguide core out of the waveguide, the effective refractive index around the core must be lowered. For this purpose, the core is filled on the etched cladding during the optical waveguide fabrication. The periphery of the core is made to be an air layer having a refractive index of 1. As a result, the desired vanishing field extends outward and the interaction with the device located in the area of the extended field is enhanced.

일 실시예에서, 광학 소자(15)에 사용되는 그래핀 필름(155)은 구리 막(Cu foil) 상에서 CVD 방식으로 합성된 뒤 전사되어 코어층(151) 상에 위치하도록 형성된다. In one embodiment, the graphene film 155 used in the optical element 15 is formed to be transferred onto the core layer 151 after being synthesized by CVD on a copper foil (Cu foil).

도 5a 내지 도 5b는, 본 발명의 일 실시예에 따른, 광학 소자(15)에 포함된 그래핀의 특성을 보여주는 그래프들 및 이미지들이다. 광학 소자(15)의 비선형성은 그래핀 필름(155)의 품질에 따라 결정된다.5A through 5B are graphs and images showing characteristics of graphene included in the optical device 15 according to an embodiment of the present invention. Nonlinearity of the optical element 15 is determined according to the quality of the graphene film 155.

도 5a를 참조하면, 광학 소자(15)에 포함된 그래핀 필름(155)으로부터 얻은 스펙트럼은 ~1350cm-1에서 D 피크, ~1580cm-1에서 G 피크, ~2700cm-1에서 2D 피크를 나타낸다. 상기 스펙트럼이 2697cm-1에서 아주 날카롭고(sharp) 대칭(symmetric)인 2D 피크를 나타내는 것에 기초할 때, 광학 소자(15)에 포함된 그래핀의 결함이 거의 없는 것을 알 수 있다.Referring to Figure 5a, the spectral optical element obtained from the graphene film 155 included in the (15) shows a peak in the 2D peak G, ~ 2700cm -1 in the D peak, ~ 1580cm -1 at ~ 1350cm -1. Based on the spectrum showing a 2D peak that is very sharp and symmetric at 2697 cm −1 , it can be seen that there are few defects of graphene included in the optical element 15.

ID/IG 피크 강도 비율은 그래핀의 결정성 클러스터의 직경과 직접 관련이 있는 것으로서, 필름의 결정 정도를 나타낸다. 도 5a에 도시된 바와 같이, 광학 소자(15)에 포함된 그래핀의 ID/IG 피크 강도 비율은 0.07로 측정되며, 이 값은 상기 그래핀의 결함이 거의 없는 우수한 품질인 것을 나타낸다.The ID / IG peak intensity ratio is directly related to the diameter of the crystalline clusters of graphene, indicating the crystallinity of the film. As shown in FIG. 5A, the ID / IG peak intensity ratio of the graphene included in the optical element 15 is measured to be 0.07, indicating that the graphene has excellent quality with almost no defects of the graphene.

그래핀 필름(155)의 상세한 구조 및 조성 분석은 도 5b와 같이 XPS를 사용하여 수행된다. 도 5b의 C1s 스펙트럼은 sp2 혼성화된 탄소(C) 결합의 결합 에너지(28.46 eV)에서 최대 세기를 갖는 단일 피크를 나타낸다. sp2 혼성화된 탄소(C) 결합이 차지하는 상대적인 면적 백분율(area percentage)는 73.96%로서, 그래핀층의 대부분을 차지한다. 따라서, 광학 소자(15)에 포함된 그래핀은 충분한 비선형성 기능을 제공할 수 있다.Detailed structure and composition analysis of the graphene film 155 is performed using XPS as shown in FIG. 5B. The C1s spectrum of FIG. 5B shows a single peak with maximum intensity at the binding energy (28.46 eV) of the sp 2 hybridized carbon (C) bond. The relative area percentage of sp2 hybridized carbon (C) bonds is 73.96%, which accounts for most of the graphene layer. Thus, graphene included in the optical element 15 may provide sufficient nonlinearity.

레이저 펄스 장치(1)는 매우 작은 개수(예를 들어, 5개 이하)의 그래핀층 구조를 갖는 그래핀 필름(155)을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 그래핀 필름(155)은 단일층(monolayer) 구조를 가질 수 있다.The laser pulse device 1 may include a graphene film 155 having a very small number (eg, 5 or less) of graphene layer structures. In one embodiment, the graphene film 155 may have a monolayer structure.

도 5c는 도 5a 내지 도 5b의 특성을 갖는 그래핀 필름(155)를 TEM(transmission electron microscopy) 분석을 통해 얻은 사진이다. 도 5c를 통해 레이저 펄스 장치(1)에 포함된 그래핀 필름(155)은 고품질인 것을 시각적으로 확인할 수 있다.5C is a photograph obtained through transmission electron microscopy (TEM) analysis of the graphene film 155 having the characteristics of FIGS. 5A to 5B. 5C, the graphene film 155 included in the laser pulse apparatus 1 may be visually confirmed to be of high quality.

다시 도 1을 참조하면, 광학 소자(15)로부터 출력된 레이저 펄스는 커플러(16)를 통해 분기된다. Referring again to FIG. 1, the laser pulse output from the optical element 15 branches through the coupler 16.

일 실시예에서, 레이저 펄스 장치(1)는 단일 모드 광섬유(single mode fiber)를 더 포함할 수 있다. 레이저 펄스 장치(1)의 각 구성요소(11 내지 16)를 서로 연결한 광섬유를 따라 레이저 펄스가 진행하는 과정에서, 광섬유 재료인 유리의 굴절률이 진행하는 레이저 펄스의 파장에 따라 차이가 생기게 되어 도착시간 차이가 발생하고 레이저 펄스가 벌어지는 현상이 발생하게 된다. 이를 색분산(chromatic dispersion)이라 하는데, 레이저 펄스 장치(1)는 단일 모드 광섬유(SMF)를 통해 색분산을 제어할 수 있어, 보다 고품질의 레이저 펄스를 생성할 수 있다.In one embodiment, the laser pulse device 1 may further comprise a single mode fiber. In the course of the laser pulse propagating along the optical fibers connecting the components 11 to 16 of the laser pulse device 1 to each other, the refractive index of glass, which is the optical fiber material, is caused to be different depending on the wavelength of the laser pulse that proceeds. Time difference occurs and the laser pulse spreads. This is called chromatic dispersion, and the laser pulse device 1 can control chromatic dispersion through a single mode optical fiber (SMF), thereby generating a higher quality laser pulse.

도 6은, 본 발명의 일 실시예에 따른, 가시광 레이저를 사용하여 폴리머 도파관과 단일 모드 광섬유와의 정렬한을 결과를 도시한 도면이다. 도 6의 우측에 도시된 바와 같이, 플렉서블한 폴리머 도파로 상에 그래핀 필름(155)이 존재하더라도 그래핀의 가장자리에서 산란이 존재하지만 정렬이 잘 수행됨을 확인할 수 있다.FIG. 6 shows the results of alignment of a polymer waveguide with a single mode optical fiber using a visible light laser, according to one embodiment of the invention. As shown in the right side of FIG. 6, even though the graphene film 155 is present on the flexible polymer waveguide, scattering exists at the edge of the graphene, but alignment may be well performed.

도 7a 내지 도 7e는, 본 발명의 일 실시예에 따른, 레이저 펄스 장치(1)를 사용하여 생성한 레이저 펄스의 특성을 도시한 도면이다.7A to 7E are diagrams showing characteristics of laser pulses generated using the laser pulse device 1 according to one embodiment of the present invention.

도 7a는 레이저 펄스 장치(1)에서 출력되는 출력 펄스의 광학 스펙트럼(optical spectrum)이다. 이고, 하이퍼볼릭 시컨트 펄스(Hyperbolic secant pulse)의 중심 파장(central wavelength)는 1553.32 nm 이고, 스펙트럼 폭(spectral width)인 반치폭(full width half maximum, FWHN)은 10.21 nm이다.FIG. 7A is an optical spectrum of an output pulse output from the laser pulse device 1. The central wavelength of the hyperbolic secant pulse is 1553.32 nm and the full width half maximum (FWHN) of the spectral width is 10.21 nm.

도 7b는 오실로스코프를 사용하여 측정된 레이저 펄스 스펙트럼을 나타낸 그래프이고, 도 7c는 도 7b의 레이저 펄스의 자기상관 트레이스를 도시한 도면이다. FIG. 7B is a graph showing a laser pulse spectrum measured using an oscilloscope, and FIG. 7C is a diagram showing autocorrelation traces of the laser pulse of FIG. 7B.

도 7b를 참조하면, 펄스의 반복률(repetition rate)은 4.18MHz인 것을 확인할 수 있다. 또한, 도 7c를 참조하면, sech2 적합이 적용된 펄스 폭이 390fs이다. 따라서, 도 1의 레이저 펄스 장치(1)는 상당히 날카로운 형태를 갖는 고품질의 레이저 펄스를 생성할 수 있음을 뒷받침 한다.Referring to Figure 7b, it can be seen that the repetition rate (repetition rate) of the pulse is 4.18MHz. 7C, the pulse width to which sech2 fit is applied is 390fs. Thus, the laser pulse device 1 of FIG. 1 supports that it is possible to produce high quality laser pulses having a fairly sharp shape.

추가적으로, 도 7d를 참조하면, 레이저 펄스의 radio-frequency (RF) spectrum으로 중심 피크에서 최대폭(peak-to-noise)의 차이가 76.03 dB를 나타낸다. 도 7d에 도시된 바와 같이 레이저 펄스의 온-오프 차이가 클수록 보다 깨끗한 데이터를 획득으므로, 도 1의 레이저 펄스 장치(1)는 고품질의 레이저 펄스를 생성할 수 있음을 뒷받침 한다.In addition, referring to FIG. 7D, the difference in peak-to-noise from the center peak is 76.03 dB in the radio-frequency (RF) spectrum of the laser pulse. As shown in FIG. 7D, the larger the on-off difference of the laser pulses, the cleaner data is obtained, thus supporting the laser pulse device 1 of FIG. 1 capable of generating high quality laser pulses.

도 7e는 광원(11)의 펌프 전류(pump current)를 350mA에서 600 mA로 변화를 줬을 때의 레이저 펄스의 특성의 변화를 비교한 것이다. 도 7e를 참조하면, 레이저 펄스 장치(1)에서는 펌프 전류가 증가하는 경우 레이저 펄스의 출력 파워(output power)는 증가하는 반면, 펄스 폭은 상대적으로 변화가 거의 없다. 즉, 레이저 펄스 장치(1)는 일정 속도의 펄스를 생성한다. FIG. 7E compares the change of the characteristics of the laser pulse when the pump current of the light source 11 is changed from 350 mA to 600 mA. Referring to FIG. 7E, in the laser pulse device 1, when the pump current increases, the output power of the laser pulse increases, while the pulse width is relatively unchanged. In other words, the laser pulse device 1 generates pulses of constant speed.

결국, 폴리머로 형성된 도파로 상에 위치하는 그래핀 필름(155)을 포함하는 도 1의 레이저 펄스 장치(1)를 사용하더라도, 그래핀의 비선형성과 소실장 작용에 의해 입력되는 연속파 레이저로부터, 고품질의 초고속 펄스를 생성할 수 있다. As a result, even when using the laser pulse device 1 of FIG. 1 including the graphene film 155 positioned on the waveguide formed of polymer, from the continuous wave laser input by the nonlinearity and the loss of action of the graphene, Ultra fast pulses can be generated.

일 실시예에서, 레이저 펄스 장치(1)는 폴리머로 형성된 도파로 상에 위치하는 그래핀 필름(155)을 포함하면서, 중심 파장(central wavelength), 스펙트럼 폭(spectral width), 반복률(repetition rate) 그리고 펄스 주기(pulse duration)가 각각 1553.32 nm, 10.21 nm, 4.18 MHz 그리고 390 fs인, 고품질의 초고속 펄스(ultrafast pulses)를 생성할 수 있다.In one embodiment, the laser pulse device 1 comprises a graphene film 155 positioned on a waveguide formed of a polymer, while having a central wavelength, a spectral width, a repetition rate and It is possible to generate high quality ultrafast pulses with pulse durations of 1553.32 nm, 10.21 nm, 4.18 MHz and 390 fs, respectively.

이상에서 살펴본 본 발명은 도면에 도시된 실시예들을 참고로 하여 설명하였으나 이는 예시적인 것에 불과하며 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 실시예의 변형이 가능하다는 점을 이해할 것이다. 그러나, 이와 같은 변형은 본 발명의 기술적 보호범위 내에 있다고 보아야 한다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해서 정해져야 할 것이다.Although the present invention described above has been described with reference to the embodiments illustrated in the drawings, this is merely exemplary, and it will be understood by those skilled in the art that various modifications and variations may be made therefrom. However, such modifications should be considered to be within the technical protection scope of the present invention. Therefore, the true technical protection scope of the present invention will be defined by the technical spirit of the appended claims.

본 발명은 그래핀이 갖는 높은 광학적 비선형성인 '포화흡수 (saturable absorption)'라는 특성을 이용하여, 일반 연속파(continuous wave; CW) 레이저를 극초단파인 펨토초(femtosecond) 레이저로 변환하는데 사용될 수 있다. 이러한 펨토초 레이저의 구현은, 단순한 그래핀의 소자 응용을 뛰어 넘어, 그래핀이 폴리머 도파로 상에 위치하더라도 레이저와 올바르게 상호작용 하고 있음을 증명한다.The present invention can be used to convert ordinary continuous wave (CW) lasers into ultra-femtosecond femtosecond lasers using the characteristic of 'saturable absorption', which is a high optical nonlinearity of graphene. This femtosecond laser implementation goes beyond simple graphene device applications, demonstrating that graphene interacts correctly with the laser even when placed on a polymer waveguide.

이와 같이 개발된 레이저 펄스 장치는, 광학 소자에 있어서 향후 플렉서블한 특성이 요구되는 다양한 응용 발명에 적용될 수 있어 그 활용이 무궁무진하다고 기대된다.The laser pulse device developed as described above can be applied to various application inventions that require flexible characteristics in the future for optical elements, and its application is expected to be infinite.

Claims (8)

입력되는 연속파 레이저로부터 레이저 펄스를 생성하는 광학 소자로서,
코어를 포함하는 코어층;
상기 코어층을 적어도 일부를 둘러싸는 클래딩층;
상기 클래딩층을 둘러싸는 기판; 및
상기 코어층 상에 위치하는 그래핀 필름을 포함하되,
상기 코어층과 클래딩층은 폴리머로 형성되는 것을 특징으로 하는 레이저 펄스 장치.
An optical element for generating a laser pulse from an input continuous wave laser,
A core layer comprising a core;
A cladding layer surrounding at least a portion of the core layer;
A substrate surrounding the cladding layer; And
Including a graphene film located on the core layer,
The core layer and the cladding layer is a laser pulse device, characterized in that formed of a polymer.
제1항에 있어서,
상기 클래딩층은 플렉서블 폴리머로 형성되는 것을 특징으로 하는 레이저 펄스 장치.
The method of claim 1,
The cladding layer is a laser pulse device, characterized in that formed of a flexible polymer.
제2항에 있어서,
상기 클래딩층과 코어층은 동일한 플렉서블 폴리머로 형성되는 것을 특징으로 하는 레이저 펄스 장치.
The method of claim 2,
The cladding layer and the core layer is a laser pulse device, characterized in that formed of the same flexible polymer.
제1항에 있어서,
상기 코어는 복수 개인 것을 특징으로 하는 레이저 펄스 장치.
The method of claim 1,
And a plurality of said cores.
제1항에 있어서,
1550nm 파장에서 상기 클래딩층의 굴절률은 1.45이고, 상기 코어층의 굴절률은 1.455인 것을 특징으로 하는 레이저 펄스 장치.
The method of claim 1,
The refractive index of the cladding layer is 1.45, the refractive index of the core layer is 1.455 at a wavelength of 1550nm.
제1항에 있어서,
상기 코어는 단면이 사다리꼴 형태로서, 윗면의 폭은 0.1 내지 15um, 높이는 0.1 내지 15um인 것을 특징으로 하는 레이저 펄스 장치.
The method of claim 1,
The core has a trapezoidal cross-section, the upper surface of the laser pulse device, characterized in that the width of 0.1 to 15um, the height of 0.1 to 15um.
제1항 내지 제6항 중 어느 하나의 광학 소자;
레이저 공진 루프에서 전송되는 레이저를 증폭시키는 증폭기;
상기 레이저의 방향성을 제시하는 고립기(isolator);
상기 레이저의 편광을 조절하는 편광 조절기;
색분산을 조절하는 단일 모드 광섬유; 및
상기 광학 소자로부터 출력되는 레이저 펄스를 분기하는 커플러를 포함하는 레이저 펄스 장치.
An optical element according to any one of claims 1 to 6;
An amplifier for amplifying the laser transmitted in the laser resonant loop;
An isolator presenting the direction of the laser;
A polarization controller for controlling polarization of the laser;
Single mode optical fiber for controlling chromatic dispersion; And
And a coupler for branching a laser pulse output from the optical element.
제7항에 있어서,
상기 레이저 펄스 장치에 의해 생성되는 레이저 펄스는 중심 파장(central wavelength), 스펙트럼 폭(spectral width), 반복률(repetition rate) 그리고 펄스 주기(pulse duration)가 각각 1553.32 nm, 10.21 nm, 4.18 MHz 그리고 390 fs인 것을 특징으로 하는 레이저 펄스 장치.
The method of claim 7, wherein
The laser pulses generated by the laser pulse device have a central wavelength, spectral width, repetition rate and pulse duration of 1553.32 nm, 10.21 nm, 4.18 MHz and 390 fs, respectively. Laser pulse device characterized in that the.
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