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문제 정의

• 우수한 전기적 특성과 더불어, 그래핀은 대부분의 광파 영역에서 투명하고, 그래핀 층 수에 선형적으로 비례하는 광 흡수 특성을 보이며, 외부 전기장 및 자기장에 의해 광 그래핀 상호작용 특성이 쉽게 변화하기 때문이다. 본 글에서 필자는 그래핀을 기반으로 하는 광소자에 관하여 최근에 이루어진 연구의 진보를 몇 가지 예와 함께 소개하고 최근 각광받고 있는 그래핀 플라즈몬 광소자를 소개하고자 한다.

제안 방법

• 이는 선폭이 좁은 그래핀 스트립이 가이드 모드의 필드를 약하게 구속하기 때문이다. 그래핀을 통한 초고속 광신호의 전송 능력을 측정하기 위해 2.5 Gbps 광통신 측정 시스템에 제작된 그래핀 플라즈몬 광도파로를 실장하고 그 성능을 측정하였다. 그림 5(b)에 보는 바와 같이 6 mm 길이의 그래핀 플라즈몬 광도파로를 통해 2.
• 그래핀 기반의 광섬유 편광기는 평면 집적형 광소자에 직접 적용하기 어렵다. 이러한 단점을 보완하기 위하여, 필자는 그래핀 기반 편광기를 평면형 고분자 광도파로를 이용하여 제작하고 그 동작 특성을 측정하였다. 그림 7(a)와 같이 정사각형 단면을 갖는 고분자 광도파로를 제작하고 그 위에 그래핀을 형성하면, 그림 6과 유사한 상부 클래드가 없는 평면형 광도파로 그래핀 편광기가 제작된다[26].
• 1.5 μm 파장의 광신호를 1.2 GHz의 변조 속도에서 3 dB의 광세기 변화를 갖는 광 변조기를 개발하였다[28].
• 그래핀이 광대역의 광파와 상호작용하는 특성을 이용하여 1.35 ~ 1.6 μm의 광대역에서 동작되는 그래핀 광 변조기를 제작하였다.

대상 데이터

• 그래핀 기반 광도파로의 광전송 특성을 실험적으로 확인하기 위하여 필자는 그림 4와 같은 그래핀 플라즈몬 광도파로를 제작하였다. 화학기상증착(chemical vapor deposition: CVD)법을 통해 성장된 그래핀을 고분자 하부 클래드에 옮기고, 폭이 수 μm인 그래핀스트립을 형성한 후, 하부 클래드와 동일한 물질로 상부 클래드를 형성하면 그래핀 플라즈몬 광도파로가 완성된다[23].

성능/효과

• 이런 경우그래핀은 TE모드의 표면파를 도파시킬 수 있다[19]. 결과적으로 광섬유의 코어를 통해 도파되는 TE-모드 편광은 코어 위에 형성된 그래핀을 통해 낮은 손실로 도파된다. 반면, TM-모드 편광은 그래핀에 의해 도파되지않으므로 소멸한다.

후속연구

• 3 % 만을 흡수하는 독특한 특성과 낮은 광-전하 수명(lifetime), 그리고 200 nm 정도의 매우 작은 광검출 영역 때문에 발생하는 문제이다. 향후 이 단점을 극복한 고성능 고효율의 그래핀 광 검출기가 개발될 것으로 예상된다.
• 그래핀의 자유 전하를 이용한 플라즈모닉 광도파로, 편광기, 광 변조기 및 광 검출기 등의 우수한 광통신용 광소자들이 개발되었다. 향후 그래핀의 유일무이한 전기적/광학적 특성을 동시에 활용한 신 개념의 광전자소자 개발이 가능할 것이다.

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질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
그래핀	그래핀이란 무엇인가?	그래핀은 탄소원자가 육각형의 벌집 모양으로 이차원 구조체를 이룬 물질이다. 그림 1에 보는 바와 같이 단위 셀에 2개의 탄소 원자를 가진다.
SPP	표면 플라즈몬 폴라리톤(SPP)이란 무엇인가?	균일한 유전체에 삽입된 금속선을 따라서 광 신호가 도 파되는 현상을 표면 플라즈몬 폴라리톤(surface plasmon polariton: SPP)으로 설명할 수 있다[14]. SPP는 금속과 유전체 경계면에서 여기되는 TM-편광의 전자기 표면파이다[15]. SPP은 금속 내 자유 전자의 집단 여기(collective excitation)와 외부 전자기파와의 결합 에 의해 여기 된다.
그래핀	그래핀은 어떠한 결합을 형성하고 있는가?	그림 1에 보는 바와 같이 단위 셀에 2개의 탄소 원자를 가진다. 탄소의 최외각 전자 4개 중 3개는 sp2 혼성 오비탈을 형성하여 강한 공유결합인 시그마 (σ)결합을 이루며 남은 1개의 전자는 주변의 다른 탄소와 π결합을 형성하고 있다. 그래핀의 띠(band) 구조 를 계산해 보면, 원자가 띠 (valence band)의 #-준위와 전도띠 (conductionband)의 #*-준위는 여섯 개의 Dirac 점에 맞닿아 있고, 페르미 에너지 근처에서 Dirac cone이라고 불리는 형태를 갖는다 (그림 1의 오른쪽 참고).

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