광자학
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1. 개요
광자학은 빛을 이용하여 통신, 정보 처리 등 전자 공학의 기능을 수행하는 연구 분야로, 1960년대 후반에 등장했다. 광학, 양자 광학, 광전자 공학 등 다양한 분야와 연관되어 있으며, 광섬유 통신, 태양광 발전, 의료 기술, 군사 기술, 정보 처리 등 매우 광범위한 응용 분야를 가진다. 광자학 연구는 광원의 연구, 전송 매체의 연구, 증폭기, 검출기, 변조, 광자 시스템, 광자 집적 회로(PIC), 생물 광자학 등 다양한 세부 분야를 포함한다.
'광자학'이라는 단어는 빛을 의미하는 그리스어 "phos"에서 유래했으며(소유격은 "photos", 복합어에서는 "photo-" 사용), 1960년대 후반에 처음 등장했다. 이 용어는 통신, 정보 처리 등 전통적으로 전자 공학의 영역에 속했던 기능들을 빛을 이용하여 수행하는 연구 분야를 설명하는 데 사용되었다.
광자학은 물리학 및 공학의 여러 분야와 깊은 연관성을 가지며 발전해왔다. 전통적인 광학 분야인 고전 광학의 원리를 기반으로 하면서도, 양자역학의 발전에 따라 등장한 현대 광학 및 다양한 신기술 분야와 밀접하게 상호작용한다. 구체적으로 양자 광학, 광전자 공학, 전기 광학 등 현대 광학의 세부 분야들과 긴밀한 관계를 맺고 있으며, 양자 정보, 플라즈모닉스, 나노광학 등 새롭게 떠오르는 신흥 분야들과의 융합을 통해 그 영역을 확장하고 있다.
광자학 기술은 우리 주변의 일상생활부터 최첨단 과학 연구에 이르기까지 매우 폭넓게 활용되고 있다. 광 감지, 통신, 정보 처리, 태양광 발전, 조명, 의학, 군사 기술 등 다양한 분야에서 중요한 역할을 담당한다.[6]
2. 역사
이 단어의 초기 사용 사례는 1954년 12월 존 W. 캠벨이 고트하르트 귄터에게 보낸 편지에서 찾아볼 수 있다. 캠벨은 이 편지에서 광자학을 전자 공학이 전기 공학에 갖는 관계와 유사하게, 개별 광자 단위를 다루는 새로운 과학으로 제안하며 "전자 공학으로 전기 공학에서는 불가능한 일을 할 수 있다는 점에 유의하세요!"라고 덧붙였다.[3]
광자학 분야는 1958년부터 1960년 사이에 이루어진 메이저와 레이저의 발명으로 본격적으로 시작되었다.[1] 이후 1970년대 레이저 다이오드의 개발, 정보를 효율적으로 전송하는 광섬유의 등장, 그리고 신호 세기를 증폭시키는 에르븀 첨가 광섬유 증폭기(EDFA)와 같은 중요한 기술 발전이 뒤따랐다. 이러한 발명들은 20세기 후반 통신 혁명의 핵심 기반을 마련했으며, 오늘날 인터넷 인프라의 근간을 이루었다.
더 일찍 만들어졌지만, 광자학이라는 용어는 통신망 사업자들이 광섬유를 이용한 데이터 전송을 본격적으로 채택하면서 1980년대에 널리 사용되기 시작했다. 이 시기 벨 연구소 등에서 활발히 사용되었으며, 1980년대 말 IEEE 레이저 및 전자기 광학 학회(IEEE Lasers and Electro-Optics Society)가 광자 기술 레터(Photonics Technology Letters)라는 학술지를 창간하면서 그 사용이 공식화되었다.
2001년경 닷컴 버블 붕괴 이전까지 광자학 연구는 주로 광통신 분야에 집중되었다. 그러나 1960년대 레이저의 발명과 반도체 옵토일렉트로닉스의 등장을 기점으로[17] 광자학은 레이저 제조, 생물학 및 화학 감지, 의료 진단 및 치료, 디스플레이 기술, 광컴퓨팅 등 매우 광범위한 과학 및 기술 응용 분야로 확장되었다.[4] 현재 광자학은 빛의 생성, 조작, 검출을 다루며, 그 범위는 극자외선 영역에서 원적외선 영역까지 망라한다[17]。
3. 다른 분야와의 관계
3. 1. 고전 광학
광자학은 광학과 밀접한 관련이 있다. 고전 광학은 빛이 양자화되었다는 사실이 밝혀지기 훨씬 전에 존재했다. 알베르트 아인슈타인은 1905년에 광전 효과를 설명했지만, 그 이전부터 고전 광학은 발전해왔다. 고전 광학 도구에는 굴절 렌즈, 반사 거울, 그리고 15세기부터 19세기에 걸쳐 개발된 다양한 광학 부품 및 기기가 포함된다. 17세기에 개발된 호이겐스 원리, 19세기에 개발된 맥스웰 방정식 및 파동 방정식과 같은 고전 광학의 주요 원리는 빛의 양자 특성에 의존하지 않는다.
3. 2. 현대 광학
광자학은 양자 광학, 광기계학, 전기 광학, 광전자 공학 및 양자 전자 공학과 밀접한 관련이 있다. 그러나 각 용어는 과학계, 정부 기관, 시장 등에서 조금씩 다른 의미로 사용되기도 한다. 일반적으로 양자 광학은 기초 연구 분야를, 광자학은 응용 연구 및 개발 분야를 지칭하는 경향이 있다.
"광자학"이라는 용어는 더 구체적으로 다음과 같은 의미를 내포한다.
광전자 공학이라는 용어는 주로 반도체 박막 소자와 같이 전기적 기능과 광학적 기능을 동시에 갖춘 장치나 회로를 의미한다. 전기 광학이라는 용어는 이보다 먼저 사용되었으며, 예를 들어 포켈스 셀과 같은 벌크 결정 변조기에 적용되는 비선형 전기-광학 상호 작용을 특히 포함했지만, 현대에는 첨단 이미징 센서 기술 등도 포함한다.
광자학 분야의 경계는 명확하게 합의되지 않은 측면이 있다. optics.org의 한 자료에 따르면,[5] 'Journal of Optics: A Pure and Applied Physics' 저널의 이름 변경 논의 과정에서 편집 위원들 사이에 "광학"과 "광자학"이라는 용어의 의미 범위에 대한 상당한 이견이 있었으며, 일부는 "광자학이 광학을 포괄한다"는 의견을 제시하기도 했다. 실제로 광자학 분야가 발전함에 따라 "현대 광학"과 "광자학"이 같은 의미로 사용되는 경우가 많아지고 있으며, 이는 과학계에서 널리 받아들여지고 있다.
광자학 연구는 1960년대 레이저의 발명과 반도체 기반의 옵토일렉트로닉스 기술의 등장으로 본격적으로 시작되었다.[17] 현재 광자학은 극자외선 영역부터 원적외선 영역에 이르는 넓은 범위의 빛을 생성, 조작, 검출하는 기술을 포괄한다.[17]
3. 3. 신흥 분야
광자학은 새롭게 부상하는 양자 정보 및 양자 광학 분야와 관련이 있다. 다른 새로운 분야는 다음과 같다.
마이크로파 광자 공학은 전파와 빛을 융합한 기술로, 전파를 그대로의 형태로 광섬유 안에 가두어 멀리 전송할 수 있어 무선 통신, 계측, 어레이 안테나, 전파 천문학, 케이블 TV 등 광범위한 분야에 응용된다.[18]
나노광학은 나노기술의 한 분야로, 빛을 사용하여 나노미터 영역의 물질의 성질을 연구하거나, 빛의 파장보다 작은 구조물을 사용하여 광파를 제어하거나, 제어된 빛의 장을 이용하여 물질의 광학적 성질을 개변하는 기술이다.[19][20][21]
실리콘 포토닉스는 반도체 산업에서 사용되는 미세 가공 기술을 사용하여 Si(규소) 기판 위에 발광 소자, 수광기, 광 변조기와 같은 소자를 집적하는 기술이다.[22] 또한, 다른 대부분의 광자 소자가 광 리소그래피를 이용하여 형성되는 것과 달리, 기계 가공 기술의 연장으로 광자 소자를 형성하기도 한다.[23]
4. 응용 분야
트랜지스터 발명 이후 전자공학이 발전했듯이, 광자학 역시 새로운 응용 분야를 계속해서 만들어내고 있다. 특히 반도체 광학 소자를 이용한 광학 데이터 기록, 광섬유 통신, 레이저 프린팅, 디스플레이 등은 경제적으로 중요한 응용 분야로 자리 잡았다. 또한 화학 합성, 의료 진단, 온칩 데이터 통신, 핵융합 에너지 등 무한한 잠재력을 가진 미래 응용 분야에 대한 연구도 활발히 진행 중이다.[7][8][18]
4. 1. 구체적인 응용 사례
광자학의 응용 분야는 매우 광범위하다. 일상생활에서 최첨단 과학에 이르기까지 모든 분야를 포함하며, 예를 들어 광 감지, 통신, 정보 처리, 태양광 발전, 광학 컴퓨팅, 조명, 계측, 분광학, 홀로그래피, 의학 (수술, 시력 교정, 내시경, 건강 모니터링), 생체 광학, 군사 기술, 레이저 재료 가공, 예술 진단(적외선 반사 촬영, 엑스레이, 자외선 형광, XRF), 농업, 로봇 공학 등이 있다.
1948년 최초의 트랜지스터가 발명된 이후 전자공학의 응용 분야가 극적으로 확장된 것처럼, 광자학의 독특한 응용 분야도 계속해서 등장하고 있다. 반도체 광학 장치의 경제적으로 중요한 응용 분야에는 광학 데이터 기록, 광섬유 통신, 레이저 프린팅, 디스플레이, 고출력 레이저의 광학 펌핑 등이 있다. 광자학의 잠재적 응용 분야는 사실상 무제한이며, 화학적 합성, 의료 진단, 온칩 데이터 통신, 센서, 레이저 방어 및 핵융합 에너지 등을 포함한다.
구체적인 응용 사례는 다음과 같다.
마이크로광자학과 나노광자학은 일반적으로 광자 결정 및 고체 장치를 포함한다.[8] 마이크로파 광자 공학은 전파와 빛을 융합한 기술로, 전파를 그대로의 형태로 광섬유 안에 가두어 멀리 전송할 수 있어 무선 통신, 계측, 어레이 안테나, 전파 천문학, 케이블 TV 등 광범위한 분야에 응용된다.[18]
나노광학은 나노기술의 한 분야로, 빛을 사용하여 나노미터 영역의 물질의 성질을 연구하거나, 빛의 파장보다 작은 구조물을 사용하여 광파를 제어하거나, 제어된 빛의 장을 이용하여 물질의 광학적 성질을 개변하는 기술이다.[19][20][21]
실리콘 포토닉스는 반도체 산업에서 사용되는 미세 가공 기술을 사용하여 Si(규소) 기판 위에 발광 소자, 수광기, 광 변조기와 같은 소자를 집적하는 기술이다.[22]
5. 광자학 연구 개요
광자학은 빛의 방출, 전달, 증폭, 감지 및 변조에 대한 연구를 포함한다. 이 연구 분야는 1960년대 레이저의 발명과 반도체 옵토일렉트로닉스의 등장으로 본격적으로 시작되었다[17]。 현재 광자학 연구는 빛의 생성, 조작, 검출을 다루며, 그 범위는 극자외선 영역에서 원적외선 영역까지 이른다[17]。
5. 1. 광원
광자학은 일반적으로 발광 다이오드 (LED), 초발광 다이오드, 레이저와 같은 반도체 기반 광원을 사용한다. 다른 광원으로는 단일 광자원, 형광등, 음극선관 (CRT), 플라즈마 디스플레이 등이 있다. CRT, 플라즈마 디스플레이, 유기 발광 다이오드 (OLED) 디스플레이는 자체적으로 빛을 내지만, 액정 디스플레이 (LCD) (예: TFT 스크린)는 냉음극 형광 램프나 오늘날 더 흔하게 사용되는 LED 백라이트가 필요하다.반도체 광원 연구에서는 실리콘이나 게르마늄과 같은 일반적인 반도체 대신 III-V족 반도체를 자주 사용한다. 이는 III-V족 반도체가 광원을 만드는 데 유리한 특별한 속성을 가지고 있기 때문이다. 사용되는 재료 시스템의 예로는 비소 갈륨 (GaAs), 알루미늄 갈륨 비소 (AlGaAs) 또는 기타 화합물 반도체가 있다. 또한 하이브리드 실리콘 레이저를 생산하기 위해 실리콘과 함께 사용되기도 한다.
5. 2. 전송 매체
빛은 모든 투명 매체를 통해 전송될 수 있다. 광섬유 또는 플라스틱 광섬유는 원하는 경로를 따라 빛을 안내하는 데 사용될 수 있다. 광통신에서 광섬유는 전송에 사용되는 비트 전송률 및 변조 형식에 따라 증폭 없이 100km 이상 떨어진 거리에서의 전송을 가능하게 한다. 광자학 내에서 매우 진보된 연구 주제는 엔지니어링된 광학적 특성을 가진 특수 구조 및 "재료"의 연구 및 제작이다. 여기에는 광결정, 광결정 섬유 및 메타물질이 포함된다.5. 3. 증폭기
광 증폭기는 광 신호를 증폭하는 데 사용된다. 광 통신 분야에서 주로 사용되는 광 증폭기로는 에르븀 첨가 광섬유 증폭기, 반도체 광 증폭기, 라만 증폭기, 광 파라메트릭 증폭기 등이 있다. 또한, 양자점을 이용한 반도체 광 증폭기에 대한 연구도 활발히 진행되고 있다.5. 4. 검출
광 검출기는 빛을 감지하는 장치이다. 광 검출기의 종류는 매우 다양하며, 응용 분야에 따라 다른 특성을 가진다. 예를 들어, 통신 분야에서는 매우 빠른 속도의 포토다이오드가 사용되고, 디지털 카메라에는 중간 속도의 CCD가 주로 쓰인다. 또한 햇빛을 이용한 에너지 수확에는 상대적으로 느린 태양 전지가 활용된다. 이 외에도 열, 사진 건판, 양자 효과, 광전 효과 등 다양한 물리적 원리를 기반으로 하는 광 검출기들이 존재한다.5. 5. 변조
광원의 변조는 광원에 정보를 인코딩하는 데 사용된다. 변조는 광원 자체에서 직접 수행할 수 있는데, 예를 들어 손전등을 사용하여 모스 부호를 보내는 것이 간단한 예시이다. 또 다른 방법으로는 광원에서 나온 빛을 외부 광 변조기를 이용해 변조하는 방식이 있다.[9]변조 연구에서는 변조 형식 또한 중요한 주제로 다루어진다. On-off keying은 광 통신에서 일반적으로 사용되는 변조 형식이다. 최근 몇 년 동안에는 전송된 신호의 품질을 저하시키는 분산과 같은 효과에 대응하기 위해 위상 편이 변조나 직교 주파수 분할 다중화와 같은 더 발전된 변조 형식에 대한 연구가 이루어지고 있다.
5. 6. 광자 시스템
광자학은 광학 시스템에 대한 연구를 포함한다. 이 용어는 종종 광 통신 시스템에 사용된다. 이 연구 분야는 고속 광자 네트워크와 같은 광자 시스템의 구현에 초점을 맞춘다. 또한 광 신호 재생기에 대한 연구도 포함하며, 이는 광 신호 품질을 향상시킨다.5. 7. 광자 집적 회로 (PIC)
광자 집적 회로(PIC)는 광학적으로 활성인 집적 반도체 광자 소자이다. PIC의 주요 상업적 응용 분야는 데이터 센터 광 네트워크용 광 트랜시버이다. III-V 인듐 인화물 반도체 웨이퍼 기판으로 제작된 PIC가 상업적 성공을 처음으로 거두었다.[10] 실리콘 웨이퍼 기판을 기반으로 한 PIC도 상용화된 기술이다.집적 광학의 주요 응용 분야는 다음과 같다.
- 데이터 센터 상호 연결: 기업과 기관이 클라우드에 더 많은 정보를 저장하고 처리함에 따라 데이터 센터의 규모가 계속 증가하고 있다. 데이터 센터 컴퓨팅이 증가함에 따라 데이터 센터 네트워크에 대한 요구 사항도 그에 따라 증가한다. 광 케이블은 구리 케이블보다 더 긴 전송 거리에서 더 큰 레인 대역폭을 지원할 수 있다. 단거리 및 최대 40 Gbit/s 데이터 전송 속도의 경우, 수직 공동 표면 발광 레이저와 같은 비집적 접근 방식이 다중 모드 광섬유 네트워크의 광 트랜시버에 사용될 수 있다.[11] 이 범위를 넘어서고 대역폭을 초과하면 광자 집적 회로가 고성능, 저비용 광 트랜시버를 가능하게 하는 핵심 요소이다.
- 아날로그 RF 신호 응용 분야: 광자 집적 회로의 GHz 정밀 신호 처리를 사용하여 고충실도로 무선 주파수(RF) 신호를 조작하여 초광대역 주파수 범위에 걸쳐 여러 개의 무선 채널을 추가하거나 제거할 수 있다. 또한 광자 집적 회로는 RF 신호에서 배경 노이즈를 전례 없는 정밀도로 제거하여 신호 대 잡음 성능을 향상시키고 저전력 성능에 대한 새로운 기준을 가능하게 한다. 이러한 고정밀 처리를 통해 이제 대량의 정보를 초장거리 무선 통신에 담을 수 있다.
- 센서: 광자는 재료의 광학적 특성을 감지하고 구별하는 데에도 사용할 수 있다. 대기 오염, 유기농 제품 및 물의 오염 물질에서 화학적 또는 생화학적 가스를 식별할 수 있다. 또한 혈액 내 이상(예: 낮은 혈당 수치)을 감지하고 맥박수와 같은 생체 인식을 측정하는 데에도 사용할 수 있다. 광자 집적 회로는 유리/실리콘을 사용하여 포괄적이고 어디에나 있는 센서로 설계되고 있으며 다양한 모바일 장치에 대량 생산 방식으로 내장되고 있다. 모바일 플랫폼 센서를 통해 환경을 더 잘 보호하고, 식량 공급을 모니터링하고, 건강을 유지하는 데 도움이 되는 활동에 보다 직접적으로 참여할 수 있다.
- LIDAR 및 기타 위상 배열 이미징: PIC 배열은 3차원 형태로 물체에서 반사된 빛의 위상 지연을 활용하여 3D 이미지를 재구성할 수 있으며, 레이저 빛을 사용한 Light Imaging, Detection and Ranging(LIDAR)은 근거리에서 정밀 이미징(3D 정보 포함)을 제공하여 레이더를 보완할 수 있다. 이 새로운 형태의 머신 비전은 충돌을 줄이기 위해 무인 자동차와 생체 의학 이미징에 즉시 적용되고 있다. 위상 배열은 자유 공간 통신 및 새로운 디스플레이 기술에도 사용될 수 있다. 현재 버전의 LIDAR는 주로 움직이는 부품에 의존하여 크고, 느리고, 저해상도이며, 비용이 많이 들고 기계적 진동 및 조기 고장의 영향을 받기 쉽다. 집적 광학은 우표 크기의 공간 내에서 LIDAR를 구현하고, 움직이는 부품 없이 스캔하며, 저비용으로 대량 생산할 수 있다.[12] [13]
- 광자를 이용한 논리 회로: 실리콘 포토닉스는 반도체 산업에서 사용되는 미세 가공 기술을 사용하여 Si(규소) 기판 위에 발광 소자, 수광기, 광 변조기와 같은 소자를 집적하는 기술과 관련된다.[22]
5. 8. 생물 광자학 (Biophotonics)
'''생물광자학'''은 생물학 연구에 광자학 분야의 도구를 활용한다. 생물광자학은 주로 의료 진단 능력 개선(예: 암 또는 감염성 질환)에 중점을 두지만, 환경 또는 기타 응용 분야에도 사용될 수 있다. 이러한 접근 방식의 주요 장점은 분석 속도, 비침습적 진단, 그리고 현장에서 작업할 수 있다는 것이다.참조
[1]
서적
Applied Photonics
https://books.google[...]
Elsevier
2012-12-02
[2]
서적
Photonics and Lasers: An Introduction
https://books.google[...]
John Wiley & Sons
2006-04-14
[3]
서적
The John W. Campbell Letters With Isaac Asimov and A.E. van Vogt, Volume II
AC Projects, Inc
[4]
간행물
Responsive Photonic Nanostructures: Smart Nanoscale Optical Materials
https://pubs.rsc.org[...]
RSC Cambridge
2013
[5]
웹사이트
Optics or photonics: what's in a name?
https://optics.org/a[...]
Optics.org
[6]
뉴스
Sea mouse promises bright future
https://news.bbc.co.[...]
2013-05-05
[7]
Youtube
- YouTube
https://youtube.com/[...]
[8]
서적
Nanophotonics
https://books.google[...]
John Wiley & Sons
2010-01-05
[9]
논문
Improvement of integrated electric field sensor based on hybrid segmented slot waveguide
2017-10
[10]
서적
Optical Fiber Telecommunications Volume VIA: Components and Subsystems
https://books.google[...]
Academic Press
2013-05-03
[11]
서적
Datacenter Connectivity Technologies: Principles and Practice
https://books.google[...]
River Publishers
2018-08-17
[12]
서적
Imaging and Applied Optics Congress 2022 (3D, AOA, COSI, ISA, pcAOP)
https://opg.optica.o[...]
Optica Publishing Group
2022-07-11
[13]
서적
2019 Symposium on VLSI Circuits
https://ieeexplore.i[...]
2019-06
[14]
논문
Cultivation-Free Raman Spectroscopic Investigations of Bacteria
2017-05
[15]
논문
Simulation of Transportation and Storage and Their Influence on Raman Spectra of Bacteria
2019-11-05
[16]
논문
Tracking active groundwater microbes with D2 O labelling to understand their ecosystem function
2018-01
[17]
웹사이트
フォトニクス:光の科学と技術
https://www.natureas[...]
[18]
논문
マイクロ波フォトニクス技術
https://hdl.handle.n[...]
電子情報通信学会
2001
[19]
웹사이트
ナノフォトニクスグループ
http://www.nims.go.j[...]
[20]
서적
ナノフォトニクスへの挑戦.
米田出版
2003
[21]
서적
ナノフォトニクスの基礎.
オーム社
2006
[22]
웹사이트
シリコンフォトニクスは最終兵器これに代わる術は未来永劫生まれない
https://www.adcom-me[...]
[23]
논문
メカノフォトニクス専門委員会活動報告
https://doi.org/10.2[...]
精密工学会
2009
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