집적 광학(Integrated Optics)이라는 개념은 1969년 벨 연구소(Bell Laboratories)의 밀러 박사(Dr. Miller)가 제시했습니다. 집적 광학은 광전자공학과 마이크로전자공학을 기반으로 통합된 방법을 사용하여 광 소자 및 하이브리드 광 전자 소자 시스템을 연구하고 개발하는 새로운 학문입니다. 집적 광학의 이론적 기반은 파동 광학과 정보 광학, 비선형 광학, 반도체 광전자공학, 결정 광학, 박막 광학, 유도파 광학, 결합 모드 및 매개 변수 상호작용 이론, 박막 광 도파로 소자 및 시스템을 포함하는 광학 및 광전자공학입니다. 기술적 기반은 주로 박막 기술과 마이크로전자공학 기술입니다. 집적 광학의 응용 분야는 매우 광범위하며, 광섬유 통신, 광섬유 감지 기술, 광 정보 처리, 광 컴퓨터 및 광 저장 장치 외에도 재료 과학 연구, 광학 기기, 스펙트럼 연구와 같은 다른 분야가 있습니다.
첫째, 통합된 광학적 장점
1. 이산형 광소자 시스템과의 비교
이산 광학 장치는 대형 플랫폼이나 광학 베이스에 고정되어 광학 시스템을 구성하는 광학 장치의 한 유형입니다. 시스템의 크기는 약 1m²이며, 빔의 두께는 약 1cm입니다. 크기가 클 뿐만 아니라 조립 및 조정도 어렵습니다. 통합 광학 시스템은 다음과 같은 장점이 있습니다.
1. 빛파는 광도파로를 따라 전파되며, 빛파는 에너지를 쉽게 제어하고 유지할 수 있습니다.
2. 집적은 안정적인 위치 결정을 가능하게 합니다. 앞서 언급했듯이, 집적 광학은 동일한 기판에 여러 소자를 배치할 수 있으므로, 개별 광학에서 발생하는 조립 문제가 발생하지 않아 조합 안정성을 확보할 수 있으며, 진동이나 온도와 같은 환경 요인에 대한 적응력도 더욱 뛰어납니다.
(3) 장치 크기와 상호작용 길이가 단축됩니다. 관련 전자 장치도 더 낮은 전압에서 작동합니다.
4. 높은 전력 밀도. 도파관을 따라 전달되는 빛은 좁은 국소 공간에 국한되어 높은 광 전력 밀도를 생성하며, 이는 필요한 소자 작동 임계값에 쉽게 도달하고 비선형 광학 효과에도 적용 가능합니다.
5. 집적 광학 장치는 일반적으로 센티미터 단위의 기판에 집적되므로 크기가 작고 무게가 가볍습니다.
2. 집적회로와의 비교
광 집적의 장점은 두 가지 측면으로 나눌 수 있습니다. 하나는 집적 전자 시스템(집적 회로)을 집적 광 시스템(집적 광 회로)으로 대체하는 것입니다. 다른 하나는 신호를 전송하기 위해 전선이나 동축 케이블 대신 광파를 안내하는 광섬유 및 유전체 평면 광 도파관과 관련이 있습니다.
집적 광 경로에서 광학 소자들은 웨이퍼 기판 위에 형성되고, 기판 내부 또는 표면에 형성된 광 도파로를 통해 연결됩니다. 박막 형태로 동일한 기판 위에 광학 소자들을 집적하는 집적 광 경로는 기존 광학 시스템의 소형화 문제를 해결하고 전반적인 성능을 향상시키는 중요한 방법입니다. 집적 소자는 소형, 안정적이고 신뢰할 수 있는 성능, 고효율, 저전력 소모, 그리고 사용 편의성이라는 장점을 가지고 있습니다.
일반적으로 집적 회로를 집적 광 회로로 대체하면 대역폭 증가, 파장 분할 다중화, 다중 스위칭, 낮은 결합 손실, 작은 크기, 경량화, 낮은 전력 소비, 우수한 배치 제조 경제성, 그리고 높은 신뢰성 등의 이점을 얻을 수 있습니다. 빛과 물질 간의 다양한 상호작용으로 인해, 광전 효과, 전기 광학 효과, 음향 광학 효과, 자기 광학 효과, 열 광학 효과 등 다양한 물리적 효과를 집적 광 경로 구성에 활용하여 새로운 소자 기능을 구현할 수도 있습니다.
2. 집적광학 연구 및 응용
집적 광학은 산업, 군사, 경제 등 다양한 분야에서 널리 사용되고 있지만 주로 다음과 같은 측면에서 활용됩니다.
1. 통신 및 광 네트워크
광집적소자는 고속, 대용량 광통신 네트워크를 실현하는 핵심 하드웨어로, 고속 응답 집적 레이저 광원, 광파도파로 회절격자 어레이 고밀도 파장 분할 다중화기, 협대역 응답 집적 광검출기, 라우팅 파장 변환기, 고속 응답 광스위칭 매트릭스, 저손실 다중접속 광파도파로 빔 분할기 등이 포함됩니다.
2. 광자 컴퓨터
광자 컴퓨터는 빛을 정보의 전송 매체로 사용하는 컴퓨터입니다. 광자는 전하를 띠지 않는 보손(boson)으로, 빛줄기는 서로 영향을 주지 않고 평행하게 통과하거나 교차할 수 있어 뛰어난 병렬 처리 능력을 가지고 있습니다. 광자 컴퓨터는 또한 대용량 정보 저장 용량, 강력한 간섭 방지 기능, 낮은 환경 조건 요구 사항, 그리고 뛰어난 내결함성이라는 장점을 가지고 있습니다. 광자 컴퓨터의 가장 기본적인 기능 구성 요소는 집적 광 스위치와 집적 광 논리 구성 요소입니다.
3. 광정보 프로세서, 광섬유 센서, 광섬유 격자 센서, 광섬유 자이로스코프 등 기타 응용 분야
게시 시간: 2023년 6월 28일