광자학
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광자학(光子學, 영어: photonics) 또는 포토닉스는 빛을 생성·전송·변조·증폭·검출하고 이용하는 과학기술 분야이다.[1] 광원, 광섬유, 레이저, 광검출기와 같은 광학 소자 및 시스템의 설계와 응용을 폭넓게 다룬다. 적용 범위는 가시광선과 적외선이 중심이지만, 전자기파의 여러 파장대에 걸친 빛의 기술적 응용을 포함한다.
광자학은 광학과 밀접하지만 두 분야의 경계가 언제나 뚜렷한 것은 아니다. 고전광학은 빛의 굴절·반사·간섭 같은 파동 현상과 광학 장치를 포괄하며, 양자광학은 빛과 물질의 상호작용을 양자역학으로 다룬다. 광자학은 이러한 지식이 레이저, 광통신, 영상·계측 장치, 광집적 회로 등의 기술로 이어지는 응용 측면을 강조하는 말로 흔히 쓰인다.[2]
빛을 입자로 다룬다는 점만으로 광자학을 고전광학과 반대되는 분야라고 보기는 어렵다. 실제 광자학 장치는 맥스웰 방정식과 파동광학으로 설명되는 전파·간섭·회절을 폭넓게 이용하며, 단일 광자나 얽힘처럼 양자적 효과가 필요한 경우에는 양자광학의 방법을 사용한다. 따라서 광자학은 특정한 한 이론보다 빛을 다루는 기술과 그 응용의 범위를 가리키는 경우가 많다.
역사
[편집]광자학이라는 말은 전자공학에 대응하여 빛으로 신호를 만들고 처리하려는 연구를 가리키며 20세기 후반에 널리 쓰이기 시작했다. 메이저와 레이저의 개발, 반도체 발광 소자의 발전, 1970년대의 저손실 광섬유와 광증폭기의 개발은 광자학을 독립된 응용 분야로 성장시키는 바탕이 되었다.[3] 광섬유를 이용한 대용량 통신망은 인터넷의 기반 시설 가운데 하나가 되었고, 레이저와 반도체 광소자는 제조·의료·계측 기기에 널리 쓰이게 되었다.
주요 요소
[편집]광자학 시스템은 보통 광원, 전송 매체, 광 신호를 바꾸거나 증폭하는 소자, 검출기로 이루어진다.
- 광원
- 발광 다이오드와 레이저 다이오드, 고체 레이저·기체 레이저, 단일 광자원 등이 쓰인다. 레이저는 좁은 파장 범위와 높은 공간적 결맞음을 얻을 수 있어 통신·계측·가공에 적합하다.
- 전송과 제어
- 빛은 자유 공간이나 광섬유, 도파관을 따라 전달된다. 광변조기는 전기 신호 등에 따라 빛의 세기·위상·주파수·편광을 바꾸어 정보를 싣고, 광증폭기는 전기 신호로 바꾸지 않고 광 신호를 증폭한다.
- 검출
- 광다이오드, 전하결합소자와 같은 광검출기는 빛을 전기 신호로 바꾼다. 검출기의 감도·응답 속도·잡음은 통신 수신기, 카메라, 센서의 성능을 좌우한다.
- 광집적 회로
- 여러 광학 기능을 하나의 기판 위에 집적한 장치이다. 광도파로, 변조기, 검출기 등을 결합하여 소형화와 전력 절감을 꾀하며, 데이터 통신과 광센서에 이용된다.
응용
[편집]광섬유 통신은 광자학의 대표적인 응용으로, 빛의 세기·위상·편광·파장을 변조하여 정보를 전송한다. 광섬유와 광증폭기, 파장 분할 다중화 기술은 장거리·대용량 통신을 가능하게 한다.
제조업에서는 레이저를 금속·고분자·반도체의 절단, 용접, 천공, 표면 처리와 미세 가공에 쓴다. 의료 분야에서는 레이저 수술, 내시경, 광간섭 단층 촬영과 같은 진단·치료 기술이 이용된다. 분광학과 홀로그래피, 거리 측정, 라이다, 바코드 판독기, 태양 전지, 디스플레이도 광자학과 관련된 응용 분야이다.
바이오포토닉스는 생체 조직과 빛의 상호작용을 이용하여 영상을 얻거나 물질을 분석하는 분야이다. 나노광학과 광결정 연구는 빛을 파장보다 작은 규모에서 제어하려 하며, 광자학은 양자 정보와 광컴퓨팅을 위한 광원·검출기·광회로의 개발에도 쓰인다.
광자학에서 다루는 성능 지표에는 광원의 출력과 스펙트럼 폭, 전송 손실, 검출기의 양자 효율과 잡음, 변조 속도, 시스템의 대역폭 등이 있다. 실제 장치를 설계할 때에는 빛의 흡수·산란과 열 발생, 광학 부품의 정렬 오차, 전자 회로와의 결합도 함께 고려한다.
미세광자학과 나노광자학은 빛을 마이크로미터 또는 나노미터 규모의 구조 안에서 제어하려는 연구를 가리킨다. 이들 분야에서는 광도파로, 공진기, 광결정 및 반도체 소자를 이용해 빛과 물질의 상호작용을 높이고 광학 회로를 소형화한다.[4]
