나노포토닉스란?

나노포토닉스(나노 광학이라고도 함)는 광학, 광공학, 전기 공학 및 나노 기술 분야를 포괄하는 나노스케일(10억 분의 1미터)에서의 빛과 물질의 상호 작용을 설명합니다.

결정적으로, 이러한 상호 작용은 일반적으로빛의 파장보다 1-100나노미터(nm) 범위의 작은 차원에서 발생하며, 이 경우 큰 규모에서는 존재하지 않는 고유한 광학 특성이 명백해집니다.

따라서 나노포토닉스는 전자기 스펙트럼(300-1,200nm)의 근적외선(IR), 가시광선 및 자외선(UV) 영역에 적용되는 빛의 회절 한계를 훨씬 넘어서는 다양한 범위의 방사선 물질 상호 작용을 포함하므로 광수집, 디스플레이 기술, 광학 센서, 비선형 광학, 데이터 전송 등에서 다양한 기회를 열 수 있습니다.

나노포토닉스의 지식 분야를 발전시키기 위해 노력하는 물리학자, 엔지니어 및 재료 과학자들은 금속 나노입자, 탄소 나노튜브, 반도체 양자 점, 광결정 및 유기 조직(예: DNA)과 같은 나노 구조와 빛의 상호 작용에 초점을 맞추고 있습니다. 이들의 주요 목표는 빛의 효율적인 제어를 위한 나노포토닉 소자를 개발하는 것입니다.

이는 현대에 와서야 생긴 현상이 아니며, 수세기 동안 인간은 빛의 속성을 조작하기 위해 노력해 왔습니다. 예를 들어, 중세 교회에서 발견할 수 있는 스테인드글라스 창의 조정 가능한 색상은 유리에 우리가 오늘날 금속 나노 입자로 알고 있는 것을 추가한 결과입니다.

현대에 들어 인간은 진폭, 위상, 편광 및 국소화를 포함하여 빛의 특성을 제어하는 독창적인 방법을 발견했습니다. 이것은 광전자, 광학 통신, 태양 에너지 수집 및 기타 연구 분야에서 흥미로운 길을 열어줍니다.

그러나 나노포토닉스는 새로운 금속, 유전체 및 반도체 나노 물질의 폭발적인 개발에 힘입어 지난 20년 동안 별개의 분야로 부상했습니다.

이러한 물질은 최신 머신 러닝, 시뮬레이션 및 계산 툴과 결합할 경우 원자에 가까운 정밀도로 모든 차원에서 구현할 수 있기 때문에 특히 매력적입니다. 또한 엔지니어는 반도체 소자를 제조하는 데 사용된 것과 동일한 방법을 활용하여 비용 효율적으로 개발할 수 있습니다.

그 결과, 나노포토닉스는 다음과 같은 분야에서 혁신을 주도합니다.

• 태양 전지 기술: 광범위한 태양 스펙트럼에서 강력한 흡수 특성을 나타내는 금속 나노 입자를 제작하여 소자 크기를 줄이면서 광 트래핑 효율을 개선합니다.
• 메타렌즈 기술: 전례 없는 수준의 광 초점 및 편광을 허용하는 동시에 분광법 및 감지 분야에서 유망한 응용 분야를 통해 소자 소형화를 가능하게 합니다.
• 메디컬 포토닉스: 질병의 감지, 예방 및 치료를 위한 초고속 광 변조를 지원하여 원격 비침습적 진단 및 치료가 가능합니다.
• 광학 컴퓨팅: 에너지 소비를 최소화하면서 초고속 정보 처리 제공

고속 데이터 전송에서 기존 구리선은 회로 길이가 증가함에 따라 신호 저하가 나타납니다.

광자 기반 회로는 광자의 동작 속도가 전자와 비슷하지만 에너지 소비를 훨씬 줄인 유망한 대안을 제공합니다. 예를 들어, 미션 크리티컬 데이터 센터에서 포토닉 회로는 전송선을 수백 미터에서 몇 미터로 줄일 수 있습니다.

회절 한계를 넘어 금속 표면 및 구조 주변에 형성되는 표면 플라즈몬 폴라리톤(예: 제한적 전자기 방사)과 같은 새로운 접근 방식을 사용하여 빛을 나노미터 단위로 제한할 수 있습니다.

나노포토닉스는 전자기 방사가 나노미터 단위의 크기로 제한될 때 전계 향상 효과가 발생하는 나노구조와의 단일 광자 상호 작용에 특히 중점을 둡니다. 이러한 상호 작용으로 인해 나노스케일 차원에서 빛을 전환, 저장 및 전송하는 포토닉 소자를 만드는 데 사용할 수 있는 새로운 광학 현상이 발생하며 고전 역학이 부과한 한계를 넘어서는 뛰어난 특성을 보여줍니다.

그럼에도 불구하고 나노스케일에서 빛-물질 상호 작용을 조작하는 것은 새로운 재료, 구조 및 프로세스의 개발을 요구하는 중요한 과제를 제시합니다.

에너지 국부화 및 비선형 상호 작용은 나노스케일에서 빛의 생성에 영향을 미치는 핵심 원리입니다. 예를 들면 광발광, 전기 발광, 형광 및 라만 산란과 같은 자연 방출 프로세스가 있습니다.

광학 공진기는 전자기장의 향상을 통해 이러한 상호 작용을 보강합니다. 특히 플라즈모닉 나노캐비티는 방출 기반 감지 기술 개발을 위한 효율적인 공진기를 제공합니다. 비선형 광학 응용 분야에서 비선형 반응성이 약한 벌크 금속은 비선형성을 높이기 위해 펌프 또는 레이저를 적용하여 고강도 가진을 발생시켜야 합니다.

방사선 강도를 제어하기 위해 통합 포토닉 캐비티를 사용하여 펌프의 존재감을 높이거나 플라즈모닉 나노 구조를 배치하여 고도로 국소화된 에너지 밀도를 달성할 수 있습니다. 준2D 표면 플라즈몬은 상당히 증가된 자기장 강도 향상 및 국소화(20nm의 제한 내에서 10⁷ 초과)를 제공하여 2차 고조파 생성(SHG)을 가능하게 하며, 고해상도 감지 및 이미징에 이상적으로 적용됩니다.

포토닉 나노 구조에 대한 연구는 나노포토닉스 개발의 원동력을 구성하여 나노 의학, 광학 진단, 원격 감지, 생명공학, 생체 재료, 태양 전지 등의 응용 분야를 지원합니다.

나노포토닉스 구속 방법

연구원들은 빛과 물질의 상호 작용을 나노스케일 차원으로 구속하기 위해 다음 세 가지 방법 중 하나를 사용합니다.

1. 빛의 회절 한계보다 훨씬 낮게 빛 구속
2. 물질 구속
3. 광화학 또는 광유도 위상 전이(PIPT)를 통한 구속

물질의 관점에서 서로 다른 방법이 사용되어 나노머(크기 의존적인 광학적 특성을 가진 나노 크기의 올리고머)와 같은 색다른 구조와 고유한 전자 및 광자 특성을 가진 나노 입자가 만들어집니다.

예를 들어 플라즈모닉스 에서 금속 나노입자는 전자기장이 향상되어 두 개의 적외선 광자를 흡수하여 가시적 자외선 광자로 변환하는 등의 고유한 특성을 나타냅니다.

다른 경우에는 광자 결정이 빛의 파장 순서에 따라 길이에서 주기적으로 반복되는 유전체 구조입니다. 또한, 나노 복합재료는 상이한 물질의 위상 절연 영역으로부터 형성되고 광학 통신에 사용됩니다.

나노포토닉스 구속 효과

연구원들은 다음과 같은 다양한 구속 형상을 사용합니다.

• 에바네센트파의 형성 및 표면 플라즈몬과의 상호 작용에 의존하는 축 국부화
• 광원에서 방출되는 입사 광선의 파장의 일부분 내에 샘플이 배치되는 측면 국부화

나노포토닉스의 에바네센트파

에바네센트파는 일반적인 전자기파처럼 전파되지 않는 진동하는 전기장 또는 자기장입니다. 대신 어떤 방향으로든 에너지 전파에 기여하지 않고 근원 근처에 에너지를 집중시킵니다.

에바네센트파는 빛이 서로 다른 굴절 지수를 가진 두 매체 사이의 계면에서 총 내부 반사를 겪을 때 형성됩니다(예: 프리즘-샘플 계면에서).

프리즘은 일반적으로 샘플과 상호 작용하여 측정이 가능한 에바네센트 파형을 생성하는 데 사용됩니다. 흥미롭게도 전자기장은 특정 상황에서 소멸 및 전파되는 구성 요소로 분해될 수 있습니다.

에바네센트파의 한 가지 장점은 나노스케일 광학 상호 작용, 특히 감지 시 강력한 근거리장 형광원 검출을 가능하게 한다는 것입니다.

또한 도파관 채널 간의 에너지 전달과 관련된 감지 응용 분야를 위해 에바네센트파 커플링 도파관이 제안되었습니다. 이러한 도파관은 광학 통신 네트워크에서 지향성 웨이브 커플러로도 사용될 수 있습니다.

나노포토닉스의 표면 플라즈몬 공진(SPR)

표면 플라즈몬(SP)은 금속 표면에서 자유 전자의 집단 진동입니다. 공진은 입사광의 운동량이 표면 플라즈몬의 운동량과 일치할 때 발생합니다. SPR 에서는 금속-유전체 인터페이스에서 에바네센트파가 형성되고 표면 플라즈몬과 결합되어 광물질 상호 작용을 크게 향상시킵니다.

전체 내부 광선 반사는 프리즘 대신 도파관(일반적으로 유전체 기판의 박막)을 사용하여 달성합니다. 감쇠 절대 반사(ATR)는 SP파를 생성하는 데 선호되는 방법입니다.

표면 플라즈몬 폴라리톤(SPP)은 일단 빛이 SP에 강하게 커플링되어 금속-유전체 인터페이스를 따라 전파됩니다. 특히 자유 공간에서 빛의 파장보다 훨씬 작은 차원으로 전자기장을 구속하는 능력 때문에 선호됩니다.

나노포토닉스의 금속 광학

금속은 회절 한계 아래로 빛을 구속하는 효과적인 방법을 제공합니다. 이는 금속이 광학 주파수(스펙트럼의 가시 영역 및 근적외선 영역)에서 큰 음의 유전율을 보이기 때문입니다.

유전율(유전체 상수라고도 함)은 주파수에 따라 다릅니다. 플라즈마 주파수(자외선 범위)에 근접하고 이를 초과하는 주파수에서는 작은 음수가 되기 때문에 표면 플라즈몬을 지지하는 데 효과가 없습니다.

금속은 무선 및 마이크로파 공학에서 일상적으로 사용되어 왔으며, 예를 들어 서브파장 금속 안테나와 도파관(빛의 자유 공간 파장보다 수백 배 작음)은 전자기 방사를 성공적으로 포착합니다. 유사한 원리에 따라 나노 안테나, 나노 와이어 및 나노 로드와 같은 나노 크기의 금속 구조를 적용하여 조명을 나노미터 길이로 제한할 수도 있습니다.

실제로, 많은 나노 광학 설계는 집중 정수 회로 요소(예: 인덕턴스 및 커패시턴스), 금속 병렬 플레이트 도파관(스트립라인) 및 다이폴 안테나와 송전선에 대한 임피던스 매칭과 같은 유사한 설계 기술을 사용하여 마이크로파 또는 전파 회로와 유사하게 됩니다.

그러나 나노 광학 회로와 마이크로파 회로 간의 중요한 차이점은 다음과 같습니다. 나노 스케일(및 광학 주파수)에서 금속은 이상적인 도체처럼 거동하지 않으며 표면 플라즈몬 공진과 운동 인덕턴스를 포함한 많은 흥미로운 특성을 나타냅니다. 또한 나노 스케일에서 전자기장은 근본적으로 다른 방식으로 반도체와 상호 작용합니다.

나노포토닉스의 비선형 광학

유전체 편파가 전기장에 비선형으로 반응하는 비선형 매체를 통해 빛이 전파되면 비정상적인 광학 효과를 유발하여 일반적으로 관찰되지 않는 현상이 발생합니다. 비선형 광학 효과는 금속 메탈 소재의 도입으로 유도할 수 있으며, 이는 구성 요소 크기를 줄이고 신호 처리 속도를 높이기 위한 것입니다.

특히 높은 자기장 강도(레이저에 의해 생성된 것 등)에서 비선형 광학 효과는 중요해집니다. 이를 통해 나노포토닉스의 중요한 응용 분야에서 다음과 같은 새로운 기능을 얻을 수 있습니다.

• 주파수 변환: 이러한 현상은 2차 하모닉 생성, 광학 파라메트릭 진동, 광학 위상 결합 및 4파 혼합과 같은 비선형 광학 프로세스가 새로운 빛의 주파수를 생성하여 고해상도 감지 및 이미징에 유용할 때 발생합니다.
• 다광자 공정: 비선형 다광자 프로세스는 광물질 상호 작용을 제어하는 새로운 방법을 산출할 수 있습니다.
• 초고속 처리: 비선형 광학 효과는 초고속 시간 척도에서 발생하여 빛의 고속 변조 및 전환이 가능합니다.
• 장치 소형화: 비선형 포토닉스는 온칩 기능의 발전에 중요한 장치 소형화를 촉진합니다.
• 신소재: 비선형 향상을 추구하기 위해 새로운 재료가 발견되고 있으며, 유리, 결정, 반도체 및 최근에는 나노 구조 물질까지 포함합니다. 모든 유전체 금속 메타물질은 또한 대응되는 금속에 비해 더 낮은 손실을 나타내어 관심을 일으키고 있습니다.
• 양자 이미터: 양자 이미터(예: 양자 점)와 나노포토닉 도파관 간에 비선형 상호 작용이 발생하여 성장 중인 양자 기술의 응용 분야에 새로운 양자 나노포토닉 효과를 제공합니다.

연구원들이 서브파장 차원에서 빛의 흐름, 위상, 진폭 및 편광을 제어하는 방법을 알게 되면 이 빛을 산란, 굴절, 제한 및 필터링할 수 있습니다. 이는 집적 회로, 광학 컴퓨팅, 생화학, 의학, 연료 전지 기술, 태양 전지 기술 등의 새로운 길을 열어줍니다.

다음은 나노포토닉스에 대한 주요 응용 분야의 요약입니다.

나노레이저

금속-유전체 계면에서 표면 플라즈몬 폴라리톤을 사용하여 레이저를 서브파장 단위로 제한할 수 있습니다. 나노레이징은 양자점 및 형광단과 같은 이미터의 모집단 역전과 플라즈모닉 공진 구조에 의해 생성된 피드백을 결합하여 달성됩니다.

나노레이저는 빠른 변조(데이터 전송 개선) 및 낮은 임계값 전류(전력 효율 향상)를 포함하여 광학 통신에 유용한 다양한 특성을 보입니다.

SPASER(방사선 방출에 의한 표면 플라즈몬 증폭)는 금속 나노 입자 내에서 진동하는 국소 표면 플라즈몬(LSP)의 증폭을 포함하는 레이저의 표면 플라즈몬 버전(방사선 방출을 자극하여 광 증폭)입니다.

나노레이저와 표면 플라즈몬 증폭기는 고해상도 감지 및 이미징, 광학 및 전자 데이터 처리에 응용하여 회절 한계 이상까지 일관성 자극 방출을 가능하게 하기 때문에 연구원들의 관심을 받고 있습니다.

광검출기

광검출기는 빛을 감지하고 전기 신호로 변환하는 기능으로 인해 광전자 및 마이크로 전자 회로 모두에서 핵심적인 역할을 수행하며, 이를 통해 다음과 같은 장치의 광범위한 응용 분야를 촉진합니다.

• 단일 광자 애벌랜치 검출기(SPAD)는 LIDAR, 3D 이미징 및 PET 스캐닝에 사용되는 개별 광자(시공간적 고해상도와 함께)까지 저강도 신호를 검출할 수 있습니다.
• 광섬유를 통해 전송되는 고속 적외선 신호를 감지할 수 있는 Indium Gallium Arsenide(InGaAs) 다이오드와 같은 광섬유 통신 장치로 초당 최대 2.5기가비트의 데이터 통신 속도를 지원합니다.
• 도파관 통합 근적외선 검출기와 같은 광학 네트워킹 장치
• 원적외선에서 감마선에 이르는 광범위한 파장을 감지하기 위해 천문학에서 사용되는 원격 감지 장비
• 화학 및 생물학적 약제의 흔적을 검출하는 데 사용되는 환경 모니터링 장치
• 태양광을 전기 에너지로 변환하는 태양광 전지
• 디지털 카메라 및 기타 이미징 장치에 사용되는 CCD(CHARGE-Coupled Device) 및 CMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) 센서
• 건물 출입 통제 시스템

전광 스위칭

플라즈모닉 메타 물질에서 집적 회로의 개별 구성 요소의 플라즈모닉 공진 및 이들 사이의 전자기 커플링을 조정하면 전광 스위칭이 가능합니다. 플라즈모닉 공진 및 커플링은 임베디드 유전체 또는 기판의 굴절률을 변경하여 튜닝할 수 있으며 비선형 응답을 개선할 수 있습니다. 분자 가진, 플라즈모닉 가진의 결합력을 제어하면 효과적인 전광 변조가 가능합니다.

데이터 스토리지

광학 데이터 저장소에서 레코딩 미디어에 내장되거나 레코딩 미디어에서 분리된 서브파장 근거리장 광학 구조를 사용하여 회절 한계 이하의 광학 레코딩 밀도를 얻을 수 있습니다.

열 보조 자기 기록에서 레이저는 데이터를 인코딩하기 전에 자기 재료의 서브파장 영역을 가열하여 단위 면적당 저장된 데이터의 양을 증가시킵니다. 자기 쓰기 헤드에는 빛을 집중시키는 금속 광학 부품도 포함되어 있습니다.

실리콘 포토닉스

실리콘 포토닉스는 빛과 전자를 모두 유도할 수 있는 실리콘 기판에 내장된 나노스케일 광전자 소자를 포함하며, 단일 온칩 소자에서 전자 및 광학 기능을 결합할 수 있습니다. 실리콘 포토닉스는 광학 도파관 및 인터커넥터, 광학 증폭기, 광 변조기, 광검출기, 메모리 요소, 광결정 등의 혁신을 촉진합니다.

집적 회로

제조업체는 포토리소그래피를 사용하여 마이크로프로세서 및 메모리 칩과 같은 집적 회로를 제작합니다. 포토리소그래피 과정에서 자외선, 극자외선 및 X선 광을 포함한 다양한 유형의 빛이 포토마스크에서 포토레지스트라고 하는 감광성 물질(기판에 적용되는 감광성 물질, 일반적으로 실리콘 웨이퍼)로 나노 크기의 기하학적 패턴을 전달하는 데 사용됩니다.

또한 집적 회로 내 전자 부품(예: 트랜지스터)의 소형화는 속도와 비용 효율성을 개선하는 데 매우 중요합니다. 그러나 칩 내장 통신이 도파관의 도움을 받아 칩의 한 부분에서 다른 부분으로 광학 신호를 전송하는 광전자 회로에서는 광학 구성 요소도 소형화되는 경우에만 가능합니다.

바이오센서

나노포토닉 바이오센서는 가장 신뢰할 수 있고 정확한 감지 시스템을 제공합니다. 이러한 바이오센서는 광학 트랜스듀서와 수용체를 통합합니다. 수용기는 트랜스듀서의 물리적 및 화학적 변화에 반응하여 광 신호의 흡수, 반사, 굴절, 형광, 위상 및 주파수 변화를 나타냅니다.

이러한 자급식 소자는 DNA, 항체 또는 효소와 같은 생체 인식 성분을 사용하여 미량의 분자(또는 분석물)를 검출합니다. 이러한 상호 작용으로 인해 분석물 농도와 상관될 수 있는 변환기의 광학적 특성이 변경됩니다.

광학 바이오센서는 실리콘 포토닉스와 나노플라즈모닉스를 통합하는 에바네센트장에 의존합니다. SPR 및 유전체 도파관 기반 바이오센서에서 에바네센트장의 붕괴 주기는 대부분의 생체 분자 분석물에 비해 상당히 깁니다(200-400nm).

광학 바이오센서는 라벨이나 염료를 적용하지 않고도 센서 표면의 실시간 상호 작용에 의존하여 비침습적이고 신뢰할 수 있는 생화학 약제 검출 방법을 제공합니다.

메타표면

비선형 필드 향상을 추구하는 데 있어 메타표면은 빛을 산란시키는 나노로드 및 나노홀과 같은 서브파장 나노구조에서 형성된 인공 공학적으로 설계된 나노표면입니다. 따라서 나노스케일에서 위상, 진폭 및 편광에 대한 정밀한 제어를 제공하며, 예를 들어 다음을 형성할 수 있습니다.

• 회절 한계를 넘어 빛을 집중시킬 수 있는 음의 유전율 및 투과성(음의 굴절률)을 나타내는 메타표면에서 형성된 슈퍼렌즈(특히 현미경에 유용함)
• 양성 인덱싱된 재료와 이중 음성 매질을 결합한 위상 보상 매질
• 상대적 유전율 또는 투과성이 0에 가까운 near-zero 굴절률 메타표면으로 형성된 은폐된 표면

나노포토닉스는 끊임없이 감소하는 규모로 다중 모드 기능을 제공할 수 있는 에너지 효율이 높은 소형 기술에 대한 탐구에서 중요한 가능성을 가지고 있습니다.

광섬유 케이블과 같은 포토닉 장치는 방대한 양의 데이터를 전달하지만 전자 소자에 비해 크기가 더 커서 제한적입니다. 다음 분야는 Photonics의 방대한 데이터 전송 기능과 전자 소자의 신속한 신호 처리 기능을 연결하는 것입니다.

Ansys Lumerical FDTD^TM 소프트웨어는 나노포토닉 소자, 프로세스 및 재료 모델링 부문의 골드 스탠다드 소프트웨어입니다. FDTD 소프트웨어를 사용하면 격자, 다층 스택, 마이크로 LED, 이미지 센서 및 금속을 비롯한 다양한 소자의 고급 포토닉 설계는 물론 수천 번의 반복을 통한 신속한 프로토타입 제작을 수행할 수 있습니다.

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또한, FDTD 소프트웨어는 Ansys Lumerical CML Compiler^TM 소프트웨어, Ansys Multiphysics 솔버, Ansys Speos® 소프트웨어, Ansys Zemax OpticStudio^TM 소프트웨어 및 타사 EPDA(Electronic-Photonic Design Automation) 소프트웨어와 원활하게 통합되어 빠르고 정확하며 확장 가능한 포토닉 설계를 보장합니다.

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