[논문 리뷰] Wideband tunable, graphene-mode locked, ultrafast laser

Z. Sun, D. Popa외 6명|arXiv (Cornell University)|2010. 03. 24.

Advanced Fiber Laser Technologies참고 문헌 1인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 기계적 에폭시된 그래핀-폴리비닐알코올(GPVA) 포화 흡수체를 사용하여 광대역, 테이블러블, 초고속 섬유 레이저를 모드 잠금하는 것을 보여준다. 레이저는 1525–1559 nm 범위에서 ~1 ps 펄스를 생성하며, 환경 변화에 민감하지 않은 안정된 모드 잠금을 달성한다. 그래핀의 선형 디рак 전자 분포를 활용하여 광대역 포화 흡수를 실현하고, 파장 제어를 위해 테이블러블 필터를 사용한다.

ABSTRACT

We report a tunable ultrafast fiber laser mode-locked with a graphene saturable absorber. The linear dispersions of the Dirac electrons in graphene enable wideband tunability. We get ~1ps pulses, tunable between 1525 and 1559nm, demonstrating graphene as a broadband saturable absorber.

연구 동기 및 목표

• 생물의학 영상, 분광학, 통신 분야에 응용 가능한 소형, 안정적이고 광범위하게 테이블러블 가능한 초고속 섬유 레이저 개발.
• 기존 반도체 포화 흡수 거울(SESAM)의 좁은 테이블러블 범위와 제조 복잡성 문제 해결.
• 그래핀 모드 잠금 레이저에서 섬유 이중성 비대칭 기반 테이블러블 방법의 환경 불안정성 문제 해결.
• 그래핀의 선형 디рак 분포가 넓은 스펙트럼 범위에서 광대역 포화 흡수를 가능하게 함을 입증.
• 간단하고 확장 가능한 포화 흡수체 설계를 통해 낮은 노이즈, 안정적인 모드 잠금 및 최소한의 진폭 변동 달성.

제안 방법

• 초음파 처리 및 천천간 용매 증발을 통해 기계적 에폭시된 그래핀-폴리비닐알코올(GPVA) 복합체를 제작하여 자유 표면 50 µm 두께의 필름을 얻었다.
• 광학 이소레이터, 20/80 커플러, 테이블러블 대역통과 필터, 편광 제어기, WDM 커플러를 포함한 선형 Er 도핑 섬유 레이저 캐비티에 GPVA 포화 흡수체를 통합하였다.
• 976 nm의 역방향 펌프를 통해 1.2 m 길이의 어드미티움 도핑 섬유를 이용하여 레이저 작동을 유도하였으며, 광학 이소레이터를 통해 단방향 작동을 강제하였다.
• 마이크로미터 제어 테이블러블 필터를 통해 파장 테이블러블을 실현하였으며, 12.8 nm 대역폭을 제공하여 1530–1555 nm 범위에서 연속적인 테이블러블을 달성하였고, 1525–1559 nm까지 확장 가능했다.
• 펄스 지속시간과 스펙트럼은 제2차 하모닉 생성(SHG) 오토코릴레이터와 광스펙트럼 분석기로 측정하였으며, RF 스펙트럼 분석을 통해 안정성을 평가하였다.
• 출력 전력 의존성 흡수 측정을 통해 5.35 mW 평균 출력(266 MW/cm²)에서 약 4.5%의 조절 깊이를 보였으며, 이는 파장에 독립적이었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 그래핀 기반 포화 흡수체는 온도 민감한 이중성 비대칭에 의존하지 않고도 안정적이고 광범위한 테이블러블 성능을 갖춘 초고속 섬유 레이저에서 가능할까?
• RQ2 그래핀 내 디рак 전자의 선형 분포가 1500–1600 nm 범위에서 광대역 포화 흡수를 얼마나 잘 지원하는가?
• RQ3 기계적 에폭시된 GPVA 포화 흡수체의 성능은 펄스 지속시간, 테이블러블 범위, 환경 안정성 측면에서 CNT나 SESAM 기반 시스템과 비교해 어떻게 되는가?
• RQ4 테이블러블 필터와 조합된 그래핀 모드 잠금 섬유 레이저의 달성 가능한 테이블러블 범위와 펄스 지속시간은 무엇인가?
• RQ5 환경 변화가 있더라도 시스템은 낮은 진폭 노이즈와 높은 안정성을 장기간 유지를 할 수 있는가?

주요 결과

• 1553 nm에서 ~1 ps 펄스 지속시간을 달성하였으며, 시간-대역폭 곱이 약 0.4로, 변환 제한 sech² 펄스 값인 0.315에 비해 약간의 채터링을 보였다.
• 1525–1559 nm 범위에서 테이블러블 작동이 입증되었으며, 이는 포화 흡수체의 스펙트럼 응답이 아닌 테이블러블 필터의 범위에 의해 제한되었다.
• 평균 출력은 약 1 mW이며, 펄스 에너지는 125 pJ였고, 반복 주기는 약 8 MHz로, 이는 약 125.5 ns의 라운드트립 시간에 해당했다.
• RF 스펙트럼에서 피크 대 기저의 완전 차단 비율이 약 80 dB로 나타나, 모드 잠금 상태에서 낮은 진폭 노이즈와 높은 안정성을 나타냈다.
• 포화 흡수체는 5.35 mW 평균 입력 전력(266 MW/cm²)에서 약 4.5%의 조절 깊이를 보였으며, 파장에 독립적이었고, 이는 광대역 작동을 확인하는 데 기여했다.
• 시스템은 환경에 대한 민감도가 없었으며, 편광 제어가 아닌 기계적 필터를 통해 테이블러블을 실현하여 온도 및 기계적 드리프트에 민감하지 않았다.