[논문 리뷰] Atomic layer graphene as saturable absorber for ultrafast pulsed lasers

Qiaoliang Bao, Han Zhang외 6명|ArXiv.org|2009. 10. 30.

Advanced Fiber Laser Technologies참고 문헌 17인용 수 34

한 줄 요약

이 논문은 통신 대역에서 756 fs의 초단파 솔리톤 펄스를 생성하는 모드-락킹 섬유 레이저에서 원자층 그래핀을 포화 흡수체로 사용함을 보여준다. 포화 흡수 현상은 금속 간극이 없는 그래핀에서의 파울리 차단에 기인하며, 조절 가능한 조도 깊이(6.2%에서 66.5%까지)와 초고속 복구 시간을 제공하여 낮은 포화 강도와 광대역 작동에서의 이점을 제공한다.

ABSTRACT

The optical conductance of monolayer graphene is defined solely by the fine structure constant. The absorbance has been predicted to be independent of frequency. In principle, the interband optical absorption in zero-gap graphene could be saturated readily under strong excitation due to Pauli blocking. Here, we demonstrate the use of atomic layer graphene as saturable absorber in a mode-locked fiber laser for the generation of ultrashort soliton pulses (756 fs) at the telecommunication band. The modulation depth can be tuned in a wide range from 66.5% to 6.2% by varying the thickness of graphene. Our results suggest that ultrathin graphene films are potentially useful as optical elements in fiber lasers. Graphene as a laser mode locker can have many merits such as lower saturation intensity, ultrafast recovery time, tunable modulation depth and wideband tuneability.

연구 동기 및 목표

• 단층 그래핀이 초고속 펄스 레이저에서 포화 흡수체로 유용한지 탐색한다.
• 두께를 변화시켜 그래핀 기반 포화 흡수체의 조도 깊이 조절 가능성을 조사한다.
• 원자층 그래핀을 사용하여 통신 대역에서 초고속 펄스를 생성함을 입증한다.
• 기존 포화 흡수체에 비해 섬유 레이저에서 그래핀의 성능 이점을 평가한다.

제안 방법

• 기계적 분리 방법을 통해 퓨즈 실리카 기판에 원자층 그래핀을 제작한다.
• 포화 흡수체 요소로서 그래핀 층을 섬유 레이저 캐비티에 통합한다.
• 강한 광학 흥 excitatation 하에서 금속 간극이 없는 그래핀의 파울리 차단을 이용해 포화 흡수 현상을 유도한다.
• 자기상관 및 광스펙트럼 분석을 통해 펄스 길이와 조도 깊이를 측정한다.
• 단층에서 다층까지의 그래핀 층 수를 제어하여 조도 깊이를 조절한다.
• 실용적 적용성을 검증하기 위해 레이저 시스템을 1550 nm 통신 대역에서 작동시킨다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 단층 그래핀은 초고속 섬유 레이저에서 효과적인 포화 흡수체로 기능할 수 있는가?
• RQ2 그래핀 포화 흡수체의 조도 깊이는 두께에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ3 섬유 레이저에서 그래핀 기반 모드 락킹을 통해 도달할 수 있는 가장 짧은 펄스 길이는 얼마인가?
• RQ4 그래핀의 복구 시간은 기존 포화 흡수체와 비교해 어떻게 되는가?
• RQ5 그래핀의 포화 흡수 특성은 통신 대역 전반에서 얼마나 조절 가능한가?

주요 결과

• 원자층 그래핀을 포화 흡수체로 사용하여 섬유 레이저에서 756 fs 길이의 초단파 솔리톤 펄스를 성공적으로 생성하였다.
• 그래핀 층 수를 변화시킴으로써 포화 흡수체의 조도 깊이를 6.2%에서 66.5%까지 넓은 범위로 조절할 수 있었다.
• 금속 간극이 없는 반도체에서의 빠른 캐리어 역학 덕분에 그래핀는 초고속 복구 시간을 보였다.
• 그래핀의 포화 흡수 현상은 고강도 흥(excitation) 조건에서 강한 비선형 광학 반응을 유도하는 파울리 차단에 의해 결정된다.
• 단층 그래핀의 전도도는 미세 구조 상수에 의해 양자화되어, 층당 약 2.3%의 보편적인 흡수율을 갖는다.
• 시스템은 광대역 작동을 보였으며, 통신 C밴드에 적합하여 그래핀이 광대역 초고속 레이저 응용 분야에서의 잠재력을 확인하였다.