나노기술 및 정책 정보

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광통신 기술이 발전됨에 따라 광섬유는 현대 정보 사회의 중요한 소재가 되었음. 비(非) 선형 광섬유는 특수 용도의 광섬유로서 새로운 광섬유 통신기술에서 중요한 응용 및 발전 전망을 가지고 있으며 광 파장 변환, 초고속 광섬유 레이저와 초연속 레이저 등 광학 물리학 및 디바이스 연구에서 응용 잠재력을 가짐. 그러나 기존의 석영(石英) 광섬유는 약한 단수(singular) 차수 비선형 효과만 나타내기 때문에 비선형 광학 분야에서의 응용은 제한됨.

광섬유의 비선형을 향상시키는 방법은 주로 두 가지 유형으로 분류됨. 하나는 광섬유 구조에 대한 최적화 디자인을 통해 광섬유의 유효 섬유 코어 영역을 줄여 광섬유의 비선형을 향상시키는 유형이고, 다른 하나는 전통 석영(石英) 광섬유 코어에 도핑(예를 들면 황화물)을 하거나 혹은 직접 비석영 섬유 코어(예를 들면 게르마늄, 실리콘 등)을 성장시켜 광섬유의 비선형 계수를 향상시키는 유형임. 그러나 이런 방법들은 광섬유 비선형 향상 효과가 제한적이고 제조 원가가 높아지기 때문에 높은 비선형 광섬유 제조 방법 개발이 필요함.

2차원 소재인 그래핀, 전이 금속 황화합물과 6방정계 질화붕소 등은 모두 우수한 물리적 특성을 가지고 있음. 특히 광학 특성에 따라 다양한 에너지밴드 구조의 2차원 소재는 자외선에서 마이크로파에 이르기까지 초고속 광대역 광학 반응, 조절 가능한 빛과 물질 간의 상호작용 및 높은 비선형 계수의 특징을 가짐. 따라서 2차원 소재와 광섬유 광학을 결합한 학제간 연구의 이슈가 되고 있음.

기존 연구에서는 주로 2차원 소재와 광섬유를 결합시켜 2차원 소재의 광학 증강 효과를 실현하였음. 그러나 이 방법은 인위적으로 광섬유 구조(예를 들면 사이드 절개와 원추 광섬유)를 바꾸어 소재와 광섬유 속에서 빛을 전송하는 감쇠파(evanescent waves) 커플링 실현이 필요하기 때문에 광섬유의 성능에 영향을 끼쳐 불필요한 손실을 증가시키게 되며, 전이와 코팅 공법도 고성능 복합 광섬유의 양산에 불리한 상황임.

중국과학원 물리연구소 산하 "베이징(北京, 북경) 응집물질물리 국가 연구 센터"의 바이쉐둥(白雪冬, 백설동) 연구원 연구팀은 중국과학원 원사(院士)이며 베이징(北京, 북경) 대학교 교수인 류층판(劉忠范, 유충범) 박사, 베이징(北京, 북경) 대학교 류카이후이(劉開輝, 유개휘) 연구원 연구팀과 공동 연구를 통해, 액상(液相) 보조 2단계 화학기상증착 방법을 개발하여 다공성 광섬유 홀(hole) 내벽에 2차원 전이 금속인 황화합물을 직접 성장시키고, 초고(超高) 비선형을 가지는 2차원 소재의 복합 광섬유를 개발하였음.

연구팀이 개발한 방법은 2차원 소재 전구체가 세로와 가로 비율이 큰 광섬유 속에서 질량 전달(mass transfer)이 불균일한 문제점을 해결할 수 있는 것으로 나타났음.

연구팀은 다양한 종류 및 규격의 광섬유(중공 석영 튜브 광섬유와 광결정 섬유 등)에서 다양한 2차원 소재 및 합금 성장을 실현하였는데 최대 길이가 25cm에 달하는 것으로 나타났음.

연구팀은 복합 광섬유에 기반한 비선형 실질 부분(Real part)과 가상 부분(imaginary part)별로 응용 연구를 수행하였음.

우선, 비선형 실질 부분(Real part)에서 광 주파수 변환 응용 연구를 하였음. 2차원 소재 복합 광섬유는 비교적 강한 2차와 3차 고조파를 생성시킨다는 점을 발견하였는데, 평면 석영 기판 상의 MoS2 샘플에 비해 MoS2 복합 광섬유의 비선형 신호는 ~300배 증강되고, 손상 한도 값은 3배나 향상되고, 전송 손실은 ~0.1dB/cm 미만에 불과한 것으로 나타났음.

다음, 비선형 가상 부분(imaginary part)에서 전체 광섬유 초고속 펄스 레이저 연구를 수행함. MoS2 복합 광섬유를 포화 흡수기로 사용하여 전체 광섬유 잠금 모델 펄스 레이저 구축 및 측정 테스트를 완료하였는데, 초슬림 펄스 폭은 ~500fs, 높은 반복 주파수는 ~41MHz에 도달하는 성능을 보였음.

본 연구 성과는 ‘Nature Nanotechnology’ ("Optical fibres with embedded two-dimensional materials for ultrahigh nonlinearity") 지에 게재됨.