KR102231428B1 - 레이저광선 역반사장치를 이용한 ｓｍｆ입출력모듈 및 이를 포함하는 단일광자 발생장치 - Google Patents

레이저광선 역반사장치를 이용한 ｓｍｆ입출력모듈 및 이를 포함하는 단일광자 발생장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 레이저광선 역반사장치를 이용한 SMF입출력모듈 및 이를 포함하는 단일광자 발생장치에 관한 것이다. 본 발명의 목적은, 단일모드광섬유(Single Mode Fiber, 이하 SMF)로 신호의 입출력이 이루어지되 레이저광선 역반사장치를 이용하여 이들이 정확하게 커플링되도록 함으로써, 모듈 단위에서의 세팅이 완료되면 다른 부분에서의 광학적 세팅을 거의 조절하지 않아도 되게 하는 SMF입출력모듈과, 상기 SMF입출력모듈을 포함함으로써 광학적 세팅을 용이하고 신속하게 이루어지게 하는 단일광자 발생장치를 제공함에 있다.

Description

레이저광선 역반사장치를 이용한 ＳＭＦ입출력모듈 및 이를 포함하는 단일광자 발생장치 {SMF in/out module using laser retroreflector and single photon generator having the SMF in/out module}
본 발명은 레이저광선 역반사장치를 이용한 SMF입출력모듈 및 이를 포함하는 단일광자 발생장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 단일모드광섬유(Single Mode Fiber, 이하 SMF)로 신호가 입출력되는 SMF입출력모듈 및 상기 SMF입출력모듈을 포함하여 이루어져 단일방출체 기반 단일광자원 개발을 위해 응집물질 내에서 좋은 품질의 단일방출체를 효과적으로 골라낼 수 있도록 하는 단일광자 발생장치에 관한 것이다.
양자 암호 통신이란 빛 알갱이 입자인 광자를 이용한 통신을 말하는 것이다. 현재 전자파를 이용하는 일반적인 통신망은, 신호의 끊김/이어짐을 디지털 신호로서의 0/1로 구분하여 데이터를 주고받도록 이루어지며, 보안을 위해 암호키를 사용하는 형태로 이루어진다. 그러나 암호키가 유출되는 경우 관련 정보가 원치 않은 사용자에게 누출될 위험이 항상 있다. 반면 양자는 0이나 1이라는 특성이 결정되어 있지 않으며, 통신을 위해 정보를 보내는 쪽과 받는 쪽 끝단에 각각 양자암호키 분배기(QKD)를 설치하고 매번 다른 암호키를 이용해 0 또는 1을 결정하도록 이루어진다. 이 때 양자 암호키는 한 번만 열어볼 수 있기 때문에 중간에 누군가 가로채더라도 이를 바로 확인해 대처할 수 있어 해킹이 불가능하다. 현재 5G 통신의 도입으로 각종 데이터 전송량 폭증이 예상되는 한편 상술한 바와 같은 보안 측면에서의 커다란 장점으로 인하여, 양자 암호 통신 기술에 대한 개발 및 연구가 현재 매우 활발하고 경쟁적으로 이루어지고 있다.
상술한 바와 같이 양자 암호 통신에서는 양자를 이용하여, 즉 광자 하나씩에 정보를 실어 통신을 수행하는데, 이 때 동일한 정보를 2개 이상의 광자에 싣게 되면 이들 광자의 일부가 도청자에게 이용될 위험성이 생긴다. 물론 이 경우 도청자의 존재를 검출하기도 어렵다. 이러한 문제가 발생하는 것을 사전에 차단하기 위해서는, 고품질의 단일광자를 안정적으로 발생시키는 장치의 개발이 시급하다.
단일광자원을 개발하기 위한 과정은, 응집물질 내에서 좋은 품질의 단일방출체를 골라내는 제1과정 및 여기에서 발생하는 광자의 통계를 분석하는 제2과정으로 이루어진다. 제1과정은 광자 신호의 충분한 SNR을 확보하는 작업으로, 방출체에서 나오는 신호를 분광 스펙트럼을 이용하여 식별해 내고, 이 중 좋은 품질의 단일방출체를 골라내는 방식으로 이루어진다. 한국특허공개 제2001-0052778호("단일광자 발생장치", 2001.06.25., 이하 '선행문헌') 등에 이러한 단일광자 발생을 위한 장치 구성 기술의 한 예시가 개시되어 있다. 제2과정은 HBT(Hanbury Brown-Twiss) 간섭계를 사용하여 광자의 시간 상관을 측정하는 방식으로 이루어지며, 여기에서 관측하는 음의 상관관계가 단일광자 통계를 증명하는 핵심 징후이다.
단일광자원으로 사용되는 단일방출체는, 한 번에 단 하나의 광자를 방출하기 위해서, 공통적으로 광자-방출에 관계하는 전자 준위의 중첩이 낮으며(low-degeneracy) 생명주기(lifetime)가 긴 특징을 가지고 있다. 이러한 특징은 분광 스펙트럼에 반영되며, 최종적으로 HBT에서 측정되는 광자 사이에 시간 분포를 분석하여, 단일광자 특성과 풀림시간(relaxation time), 생명주기를 확인할 수 있다.
제1과정 즉 좋은 품질의 단일방출체를 획득하는 과정이 올바르게 이루어져야 제2과정도 원활하게 이루어질 수 있다. 이에 따라 제1과정에서 양질의 결과를 얻을 수 있도록 하기 위한 단일광자 발생장치가 정확하게 세팅되는 것이 중요함은 자명하다.
한편 이러한 단일광자 발생장치는, 상기 선행문헌에 개시된 장치 구성으로도 알 수 있는 바와 같이, 상당히 다양한 서브장치들 및 광학부품들이 조립되어 만들어진다. 이러한 다수의 서브장치들 및 광학부품들이 올바르게 잘 정렬되어 있어야 정확한 결과를 얻을 수 있음은 자명하며, 따라서 실험하기 전에 장치 전체를 정확하게 세팅해 두어야 한다.
그런데 이러한 다수의 서브장치들 및 광학부품들 하나하나의 광학적 세팅을 맞추는 데에는 상당히 많은 시간과 노력을 필요로 한다. 따라서 실험을 수행하는 시간 중 이러한 초기 세팅에 불필요하게 낭비되는 시간이 상당히 많은 것이 사실이다. 뿐만 아니라, 하나의 시료에 대한 실험이 완료된 후 다음 실험을 시작하기 전에 다시 초기화하기 위하여 세팅하는 과정에서 이전 실험과 세팅값이 달라질 수 있는데, 이에 따라 실험결과들 간의 불확도 차이 등의 분석 오류 원인을 유발시킬 우려도 있다.
이처럼, 특히 단일광자 발생장치와 같이 매우 정교하고 정밀하게 동작하는 광학장치에 있어서, 보다 용이하고 신속하면서도 정확하게 세팅이 이루어질 수 있도록 하는 기술에 대한 필요성이 크게 대두되고 있는 실정이다.
1. 한국특허공개 제2001-0052778호("단일광자 발생장치", 2001.06.25.)
따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은, 단일모드광섬유(Single Mode Fiber, 이하 SMF)로 신호의 입출력이 이루어지되 레이저광선 역반사장치를 이용하여 이들이 정확하게 커플링되도록 함으로써, 모듈 단위에서의 세팅이 완료되면 다른 부분에서의 광학적 세팅을 거의 조절하지 않아도 되게 하는 SMF입출력모듈과, 상기 SMF입출력모듈을 포함함으로써 광학적 세팅을 용이하고 신속하게 이루어지게 하는 단일광자 발생장치를 제공함에 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 SMF입출력모듈(100)은, 광신호를 송수신하는 제1SMF(Single Mode Fiber, 111) 및 내부 광경로를 조절하는 제1광학계(113)를 포함하는 제1모듈부(110); 광신호를 송수신하는 광신호를 송수신하는 제2SMF(121), 내부 광경로를 조절하는 제2광학계(123) 및 배치각도 변경이 가능한 제2전동거울(124)을 포함하며, 상기 제1모듈부(110)로 입출력되는 광의 광경로와 수직한 광경로를 형성하는 광이 입출력되는 제2모듈부(120); 외부에서 입력된 광을 역방향으로 반사시키는 역반사장치(150); 상기 제1모듈부(110)로 입출력되는 광의 광경로 및 상기 제2모듈부(120)로 입출력되는 광의 광경로가 수직하게 만나는 지점에 배치되어, 광의 일부를 반사시키고 나머지 일부를 통과시키도록 형성되는 NPBS(Non-Polarizing Beam Splitter, 160); 복수 개의 모듈부들(110)(120), 상기 역반사장치(150) 및 상기 NPBS(160)를 수용하며, 그 내외로 광이 입출력되도록 통공(195)이 형성되는 케이스(190); 를 포함하며, 상기 제1모듈부(110) 및 상기 제2모듈부(120)가 커플링되도록 형성될 수 있다.
이 때 상기 SMF입출력모듈(100)은, 상기 제2전동거울(124)이 기설정된 커플링용 배치각도로 배치되면, 광이, 상기 제1모듈부(110)로 입사 - 상기 NPBS(160)에서 반사 - 상기 제2전동거울(124)에서 반사 - 상기 역반사장치(150)로 입사 - 상기 역반사장치(150) 내에서 역반사되어 출사 - 상기 제2전동거울(124)에서 역방향으로 반사 - 상기 NPBS(160)를 통과 - 상기 제2모듈부(120)로 출사 순으로 진행하여, 상기 제1모듈부(110)로 입사된 광이 상기 제2모듈부(120)로 출사되도록 상기 제1광학계(113) 및 상기 제2광학계(123)가 조절되어 세팅됨으로써, 상기 제1모듈부(110) 및 상기 제2모듈부(120)가 커플링될 수 있다.
또한 상기 SMF입출력모듈(100)은, 상기 제1모듈부(110) 및 상기 제2모듈부(120)가 커플링되도록 세팅이 완료된 후 상기 제2전동거울(124)이 상기 커플링용 배치각도에서 벗어나도록 배치되면, 광이, 상기 제1모듈부(110)로 입사 - 상기 NPBS(160)에서 반사 - 상기 통공(195)을 통해 출사 - 외부장치를 거쳐 상기 통공(195)을 통해 입사 - 상기 NPBS(160)를 통과 - 상기 제2모듈부(120)로 출사 순으로 진행하여, 상기 제1모듈부(110)가 상기 외부장치의 입력단이 되고 상기 제2모듈부(120)가 상기 외부장치의 출력단이 되도록 형성되거나, 또는 광이, 외부장치로부터 상기 통공(195)을 통해 입사 - 일부가 상기 NPBS(160)에서 반사되고, 나머지 일부가 상기 NPBS(160)를 통과 - 일부가 상기 제1모듈부(110)로, 나머지 일부가 상기 제2모듈부(120)로 출사 순으로 진행하여, 상기 제1모듈부(110) 및 상기 제2모듈부(120)가 상기 외부장치의 복수 개의 출력단이 되도록 형성될 수 있다.
또한 상기 제1모듈부(110)는, 단일모드 광섬유로 형성되어 광신호를 송수신하는 상기 제1SMF(111), 외부로부터 입력된 평행광을 수렴하여 상기 제1SMF(111)로 입력하거나 상기 제1SMF(111)로부터 출력된 광을 평행광으로 확산하여 외부로 출력하는 제1조준부(112), 적어도 하나의 고정거울(113a)(113b)을 포함하여 상기 제1조준부(112)를 통해 상기 제1SMF(111)로 광신호가 입출력되도록 광경로를 형성하는 상기 제1광학계(113)를 포함할 수 있다.
또한 상기 제2모듈부(120)는, 단일모드 광섬유로 형성되어 광신호를 송수신하는 상기 제2SMF(121), 외부로부터 입력된 평행광을 수렴하여 상기 제2SMF(121)로 입력하거나 상기 제2SMF(121)로부터 출력된 광을 평행광으로 확산하여 외부로 출력하는 제2조준부(122), 적어도 하나의 고정거울(123a)(123b)을 포함하여 상기 제2조준부(122)를 통해 상기 제2SMF(121)로 광신호가 입출력되도록 광경로를 형성하는 상기 제2광학계(123), 배치각도 변경이 가능한 상기 제2전동거울(124)을 포함할 수 있다.
또한 상기 SMF입출력모듈(100)은, 광신호를 송수신하는 광신호를 송수신하는 제NSMF(1N1), 내부 광경로를 조절하는 제N광학계(1N3) 및 배치각도 변경이 가능한 제N전동거울(1N4)을 포함하며, 상기 제1모듈부(110) 및 상기 제2모듈부(120) 커플링 시 상기 NPBS(160)를 통과 - 상기 제2모듈부(120)로 출사 사이의 광경로에 상기 제N전동거울(1N4)이 배치되어 광이 입출력되는 제N모듈부(1N0); 을 포함하며, (여기에서 N은 3 이상의 정수) 상기 제1모듈부(110), 상기 제2모듈부(120) 및 상기 제N모듈부(1N0)가 커플링되도록 형성될 수 있다.
이 때 상기 SMF입출력모듈(100)은, 상기 제N전동거울(1N4)이 기설정된 커플링용 배치각도로 배치되면, 광이, 상기 제1모듈부(110)로 입사 - 상기 NPBS(160)에서 반사 - 상기 제N전동거울(1N4)에서 반사 - 상기 역반사장치(150)로 입사 - 상기 역반사장치(150) 내에서 역반사되어 출사 - 상기 제N전동거울(1N4)에서 역방향으로 반사 - 상기 NPBS(160)를 통과 - 상기 제N모듈부(1N0)로 출사 순으로 진행하여, 상기 제1모듈부(110)로 입사된 광이 상기 제N모듈부(1N0)로 출사되도록 상기 제1광학계(113) 및 상기 제N광학계(1N3)가 조절되어 세팅됨으로써, 상기 제1모듈부(110), 상기 제2모듈부(120) 및 상기 제N모듈부(1N0)가 커플링될 수 있다.
또한 상기 SMF입출력모듈(100)은, 상기 제1모듈부(110), 상기 제2모듈부(120) 및 상기 제N모듈부(1N0)가 커플링되도록 세팅이 완료된 후 상기 제2전동거울(124) 및 상기 제N전동거울(1N4) 중 적어도 하나가 상기 커플링용 배치각도에서 벗어나도록 배치되면, 광이, 상기 제1모듈부(110)로 입사 - 상기 NPBS(160)에서 반사 - 상기 통공(195)을 통해 출사 - 외부장치를 거쳐 상기 통공(195)을 통해 입사 - 상기 NPBS(160)를 통과 - 상기 제N모듈부(1N0)로 출사 순으로 진행하여, 상기 제1모듈부(110)가 상기 외부장치의 입력단이 되고 상기 제2모듈부(120) 및 상기 제N모듈부(1N0)가 상기 외부장치의 복수 개의 출력단이 되도록 형성되거나, 또는 광이, 외부장치로부터 상기 통공(195)을 통해 입사 - 일부가 상기 NPBS(160)에서 반사되고, 나머지 일부가 상기 NPBS(160)를 통과 - 일부가 상기 제1모듈부(110)로, 나머지 일부가 상기 제N모듈부(1N0)로 출사 순으로 진행하여, 상기 제1모듈부(110), 상기 제2모듈부(120) 및 상기 제N모듈부(1N0)가 상기 외부장치의 복수 개의 출력단이 되도록 형성될 수 있다.
또한 상기 제N모듈부(1N0)는, 단일모드 광섬유로 형성되어 광신호를 송수신하는 상기 제NSMF(1N1), 외부로부터 입력된 평행광을 수렴하여 상기 제NSMF(1N1)로 입력하거나 상기 제NSMF(1N1)로부터 출력된 광을 평행광으로 확산하여 외부로 출력하는 제N조준부(1N2), 적어도 하나의 고정거울(1N3a)(1N3b)을 포함하여 상기 제N조준부(1N2)를 통해 상기 제NSMF(1N1)로 광신호가 입출력되도록 광경로를 형성하는 상기 제N광학계(1N3), 배치각도 변경이 가능한 상기 제N전동거울(1N4)을 포함할 수 있다.
또한 상기 SMF입출력모듈(100)은, 상기 통공(195) 주변에 배치되어 광량을 조절하는 조리개(170); 를 포함할 수 있다.
또한 상기 SMF입출력모듈(100)은, 상기 NPBS(160) 주변에 배치되어 불필요한 광에너지를 제거하는 BD(Beam-Dump, 180); 를 포함할 수 있다.
또한 본 발명에 의한 단일광자 발생장치(1000)는, 상술한 바와 같은 상기 SMF입출력모듈(100); 시료의 상을 맺는 대물렌즈(211), 상기 시료가 배치되며 3차원 미소 이동이 가능한 스테이지(212)를 포함하는 현미경부(210); 레이저-펌프광을 방출하는 펌프광소스, 상기 펌프광소스에서 나온 레이저-펌프광 일부를 파장에 따라 선별하여 그 광경로가 상기 현미경부(210)를 향하도록 변경하는 DCHM(DiCHroic Mirror, 225)를 포함하는 레이저부(220); 백색광을 방출하는 백색광소스, 상기 백색광소스에서 나온 백색광 일부의 광경로가 상기 현미경부(210)를 향하도록 변경하는 PELM(PELlicle Mirror, 235), 상기 시료로부터 반사되어 온 광을 입사받아 상기 시료의 이미지를 획득하는 카메라를 포함하는 카메라부(230); 를 포함하며, 상기 시료로부터 방출된 광신호가 상기 SMF입출력모듈(100)을 통해 출사되도록 이루어질 수 있다.
이 때 상기 단일광자 발생장치(1000)는, 상기 SMF입출력모듈(100)의 적어도 하나의 출력단을 통해, 단일광자검출기(310), HBT(Hanbury Brown-Twiss)간섭계(320), 스펙트럼분석기(330) 중 선택되는 적어도 하나의 장치로 광신호를 출력할 수 있다.
본 발명의 SMF입출력모듈에 의하면, 단일모드광섬유(Single Mode Fiber, 이하 SMF)로 신호의 입출력이 이루어지되 레이저광선 역반사장치를 이용하여 이들이 정확하게 커플링되도록 함으로써, 모듈 단위에서의 세팅이 완료되면 다른 부분에서의 광학적 세팅을 거의 조절하지 않아도 되게 하는 큰 효과가 있다. 또한 본 발명에 의하면, 상기 SMF입출력모듈 출력단을 원하는 대로 증대시킬 수 있으므로, 단일의 기준빔에 대하여 쉽게 다수 개의 출력신호를 얻을 수 있는 큰 효과가 있다.
특히 본 발명에 의하면, 상기 SMF입출력모듈을 입출력장치로 하고 여기에 다른 서브장치 및 광학부품을 더하여 특정한 목적에 따른 광학장치를 구성하는 경우, 상술한 바와 같이 여러 입출력신호들이 모두 모듈 단위에서 이미 완전하게 커플링되어 있기 때문에 상기 광학장치 전체 세팅에 소요되는 시간과 노력이 기존에 비해 훨씬 저감된다는 큰 효과가 있다. 예를 들어 종래의 단일광자 발생장치는 알려져있는 바와 같이 매우 다양한 서브장치들 및 광학부품들로 이루어져 있었으며, 이러한 다수의 서브장치들 및 광학부품들 하나하나의 광학적 세팅을 맞추는 데에는 상당히 많은 시간과 노력을 필요로 하였다. 그러나 본 발명의 상기 SMF입출력모듈을 단일광자 발생장치의 입출력장치로 사용하면, 입출력신호 간의 커플링이 모듈 상에서 이미 완료되었으므로 이러한 세팅에 소요되는 시간과 노력을 크게 저감시킬 수 있는 효과가 있으며, 나아가 실험결과의 신뢰성을 더욱 높일 수 있는 효과 또한 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명의 SMF입출력모듈의 한 실시예.
도 2는 본 발명의 SMF입출력모듈의 다른 실시예.
도 3은 본 발명의 SMF입출력모듈의 또다른 실시예.
도 4는 본 발명의 SMF입출력모듈을 포함하는 단일광자 발생장치.
도 5는 h-BN의 격자 구조와 NBVN 격자결함(lattice-defect).
도 6은 h-BN 시료의 PL(photoluminescence) 이미지(A, B).
도 7은 NBVN 격자결함의 PL 분광 스펙트럼.
도 8은 NBVN 격자결함에서 방출한 광자의 시간 상관 측정 결과.
도 9는 펌프 파워에 대한 광자 검출 계수(g(2)(0)) 및 다광자(multi-photon) 억제 시간(τ1).
도 10은 다이아몬드 규소-공(SiV, silicon vacancy) 색중심(colour center)의 격자구조.
도 11은 나노다이아몬드 SiV 색중심 ZPL 분광 스펙트럼.
도 12는 나노다이아몬드 SiV 색중심에서 방출한 광자의 시간 상관 측정 결과.
도 13은 GaN 결함의 위치 분포.
도 14는 GaN 격자결함의 PL(photo-luminescence) 분광 스펙트럼.
도 15은 GaN 격자결함에서 방출한 광자의 시간 상관 측정 결과.
이하, 상기한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 레이저광선 역반사장치를 이용한 SMF입출력모듈 및 이를 포함하는 단일광자 발생장치를 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.
[1] 본 발명의 SMF입출력모듈
1-1. 기본구성
도 1은 본 발명의 SMF입출력모듈의 한 실시예로서, 가장 기본적인 구성을 도시한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 SMF입출력모듈(100)은, 제1모듈부(110), 제2모듈부(120), 역반사장치(150), NPBS(Non-Polarizing Beam Splitter, 160), 통공(195)을 가지는 케이스(190)를 포함한다. 부가적으로 상기 통공(195) 주변에 배치되어 광량을 조절하는 조리개(170), 상기 NPBS(160) 주변에 배치되어 불필요한 광에너지를 제거하는 BD(Beam-Dump, 180)를 더 포함할 수 있다.
상기 제1모듈부(110)는, 단일모드 광섬유로 형성되어 광신호를 송수신하는 제1SMF(Single Mode Fiber, 111) 및 내부 광경로를 조절하는 제1광학계(113)를 포함한다. 상기 제1SMF(111)로 광이 정확하고 원활하게 입출력되도록 하기 위해서 상기 제1모듈부(120)에는 도시된 바와 같이 제1조준부(112)가 구비되는 것이 바람직한데, 상기 제1조준부(112)는 렌즈를 포함하여 이루어져 외부로부터 입력된 평행광을 수렴하여 상기 제1SMF(111)로 입력하거나 상기 제1SMF(111)로부터 출력된 광을 평행광으로 확산하여 외부로 출력하는 역할을 한다. 이 때 상기 제1광학계(113)는 적어도 하나의 고정거울(113a)(113b)을 포함하여 상기 제1조준부(112)를 통해 상기 제1SMF(111)로 광신호가 입출력되도록 광경로를 형성한다. 도 1의 실시예에서는 상기 제1광학계(113)가 제1-1고정거울(113a) 및 제1-2고정거울(113b)을 포함함으로써 광경로가 2번 꺾이도록 형성되는 예시가 도시되어 있으나, 배치에 따라 고정거울이 1개만 구비되도록 하거나, 3개 이상 구비되도록 할 수도 있음은 물론이다.
상기 제2모듈부(120)는, 상기 제1모듈부(110)와 유사하게, 단일모드 광섬유로 형성되어 광신호를 송수신하는 제2SMF(121) 및 내부 광경로를 조절하는 제2광학계(123) 및 배치각도 변경이 가능한 제2전동거울(124)을 포함한다. 상기 제2조준부(122) 및 상기 제2광학계(123)의 구성은 상기 제1조준부(112) 및 상기 제1광학계(113)의 구성과 동등하므로 불필요한 설명은 생략한다. 한편 상기 제2모듈부(120)는, 도시된 바와 같이 상기 제1모듈부(110)로 입출력되는 광의 광경로와 수직한 광경로를 형성하는 광이 입출력되도록 배치된다. 상기 제2전동거울(124)의 역할에 대해서는 이후 보다 상세히 설명한다.
상기 역반사장치(150)는, 외부에서 입력된 광을 역방향으로 반사시키는 역할을 한다. 도시된 바와 같이 상기 역반사장치(150)에는, 외부로부터 입력된 평행광을 수렴하여 역반사용거울(152)로 입력하거나 상기 역반사용거울(152)로부터 반사된 광을 평행광으로 확산하여 외부로 출력하는 역반사용렌즈(151)와, 광을 반사하는 역할을 하는 상기 역반사용거울(152)이 구비된다. 쉽게 말해 상기 역반사장치(150)는, 어떠한 광경로를 따라 진행해 들어온 광을 그대로 역진행하게 해 준다.
상기 NPBS(Non-Polarizing Beam Splitter, 160)는, 광의 일부를 반사시키고 나머지 일부를 통과시키도록 형성되는 광학부품으로서, 도시된 바와 같이 상기 제1모듈부(110)로 입출력되는 광의 광경로 및 상기 제2모듈부(120)로 입출력되는 광의 광경로가 수직하게 만나는 지점에 배치된다.
상기 케이스(190)는, 복수 개의 모듈부들(110)(120), 상기 역반사장치(150) 및 상기 NPBS(160)를 수용하며, 그 내외로 광이 입출력되도록 통공(195)이 형성된다.
이와 같은 기본구성으로 이루어지는 상기 SMF입출력모듈(100)은, 상기 제1모듈부(110) 및 상기 제2모듈부(120)가 커플링되도록 형성된다. 이를 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
앞서 설명한 바와 같이 상기 제2전동거울(124)은 배치각도가 변경될 수 있다. 도 1에는 상기 제2전동거울(124)이 기설정된 커플링용 배치각도로 배치된 상태가 도시되어 있다. 이 상태에서, 상기 제1모듈부(110)로 광이 입사되면, 입사된 광은 상기 NPBS(160) 및 상기 제2전동거울(124)에 순차적으로 반사되어 상기 역반사장치(150)로 입사된다. 상기 역반사장치(150)에서 반사되어 역진행되는 광은 상기 제2전동거울(124)에 반사될 때까지는 원래의 광경로를 그대로 되짚어 가되, 상기 NPBS(160)에서는 반사되는 대신 통과를 하게 된다. 이렇게 상기 NPBS(160)를 통과한 광은 상기 제2모듈부(120)를 통해 외부로 출력될 수 있게 된다. 즉 정리하면, 상기 제2전동거울(124)이 기설정된 커플링용 배치각도로 배치되면, 광이, 상기 제1모듈부(110)로 입사 - 상기 NPBS(160)에서 반사 - 상기 제2전동거울(124)에서 반사 - 상기 역반사장치(150)로 입사 - 상기 역반사장치(150) 내에서 역반사되어 출사 - 상기 제2전동거울(124)에서 역방향으로 반사 - 상기 NPBS(160)를 통과 - 상기 제2모듈부(120)로 출사 순으로 진행된다.
이 때 상기 제1광학계(113) 및 상기 제2광학계(123)에 포함된 고정거울들(113a)(113b)(123a)(123b)의 배치가 잘못되어 있다면, 상기 제1모듈부(110)로 입사된 광이 상기 제2모듈부(120)로 원활하게 출사되지 못할 것임이 자명하다. 이 때 상기 제1모듈부(110)로 이미 알고 있는 크기의 광신호를 입사시키고, 상기 제2모듈부(120)로 출사되는 광신호를 측정하면서, 출력되는 광신호가 가장 커지도록 상기 고정거울들(113a)(113b)(123a)(123b)의 배치를 적절히 조절해 준다. 이처럼 상기 제1모듈부(110)로 입사된 광이 상기 제2모듈부(120)로 출사되도록 상기 제1광학계(113) 및 상기 제2광학계(123)가 조절되어 세팅됨으로써, 상기 제1모듈부(110) 및 상기 제2모듈부(120)가 올바르게 커플링될 수 있게 된다.
이와 같이 상기 제1모듈부(110) 및 상기 제2모듈부(120)가 커플링되도록 세팅이 완료된 후에는, 상기 제2전동거울(124)이 상기 커플링용 배치각도에서 벗어나도록 배치시킴으로써 상기 SMF입출력모듈(100)을 다른 외부장치에 대한 입출력모듈 또는 다중출력모듈로 사용할 수 있다. 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
상기 SMF입출력모듈(100)을 외부장치에 대한 입출력모듈로 사용하는 경우를 설명한다. 도 1에서 상기 제2전동거울(124)이 제거되었다고 생각하고, 상기 제1SMF(111)를 통해 광을 상기 제1모듈부(110)로 입사시키면, 광은 상기 제1모듈부(110)로 입사 - 상기 NPBS(160)에서 반사 - 상기 통공(195)을 통해 출사 - 외부장치를 거쳐 상기 통공(195)을 통해 입사 - 상기 NPBS(160)를 통과 - 상기 제2모듈부(120)로 출사 순으로 진행하게 된다. 상기 외부장치가 예를 들어 현미경이라면, 상기 통공(195)을 통해 출사된 광은 현미경의 스테이지에 배치된 시료로 조사된 후 반사되어 상기 통공(195)을 통해 입사하게 된다. 이런 식으로, 상기 SMF입출력모듈(100)은, 상기 제1모듈부(110)가 상기 외부장치의 입력단이 되고 상기 제2모듈부(120)가 상기 외부장치의 출력단이 되도록 형성될 수 있다.
상기 SMF입출력모듈(100)을 외부장치에 대한 다중출력모듈로 사용하는 경우를 설명한다. 역시 도 1에서 상기 제2전동거울(124)이 제거되었다고 생각하고, 이번에는 광이 외부장치로부터 입사된다고 생각한다. 이 경우 광은 외부장치로부터 상기 통공(195)을 통해 입사 - 일부가 상기 NPBS(160)에서 반사되고, 나머지 일부가 상기 NPBS(160)를 통과 - 일부가 상기 제1모듈부로, 나머지 일부가 상기 제2모듈부(120)로 출사 순으로 진행하게 된다. 즉 이 경우에는, 상기 SMF입출력모듈(100)은, 상기 제1모듈부(110) 및 상기 제2모듈부(120)가 상기 외부장치의 복수 개의 출력단이 되도록 형성되는 것이다.
상식적으로, 매우 가느다란 광섬유에 정확하게 초점을 맞추어 광을 입사시키는 것은 쉽지 않으며, 정교하고 정밀한 세팅작업을 필요로 한다. 이 때 앞서 설명한 바와 같이, 예를 들어 단일광자 발생장치와 같이 상당히 많은 수의 서브장치 및 광학부품들이 조립되어 만들어지는 광학장치의 경우, 광섬유로 이루어진 출력단 하나하나마다 이러한 세팅작업을 수행하는 과정에서 매우 많은 시간과 노력이 소요된다. 특히 이러한 광학장치 내에 배치된 여러 거울, BS(Beam Splitter) 등은 서로 연계되어 배치되어 있기 때문에, 어느 하나의 출력단에 대해 잘 세팅작업을 수행한 후 다른 출력단에 대해 세팅작업을 수행하는 과정에서, 앞서의 세팅작업에서의 정렬상태가 어그러지게 될 수도 있는 등의 난해함이 발생할 수도 있다. 따라서 이러한 대규모 광학장치의 세팅작업에는 과도한 시간과 노력이 낭비되는 경향이 있어 왔다.
한편 본 발명의 SMF입출력모듈(100)은, 앞서 설명한 바와 같이 각 모듈부의 광섬유들에 모듈부마다 각각의 조준부 및 간단한 광학계가 구비되며, 상기 역반사장치(150)를 이용함으로써 각 모듈부들(110)(120) 간의 커플링 세팅이 매우 원활하고 용이하게 수행될 수 있다. 또한 이와 같이 한 번 세팅이 이루어지고 나면, 외부장치의 정렬상태와는 무관하게 상기 SMF입출력모듈(100)의 입력단-출력단 또는 다중출력단끼리의 정렬상태는 안전하게 고립된 채로 유지된다. 따라서 외부장치에서는 입출력단 세팅작업을 제외하고 나머지 정렬을 위한 세팅작업을 매우 자유롭게 수행할 수 있게 된다. 예를 들어 상기 SMF입출력모듈(100)이 단일광자 발생장치와 같은 대규모 광학장치의 입출력장치 또는 다중출력장치로 활용된다면, 입출력단 또는 다중출력단의 정렬 세팅은 이미 완료되었으므로 나머지 서브장치들 및 광학부품들끼리만 정렬시키는 세팅작업만 하면 되어, 종래에 비해 세팅작업에 소요되는 시간 및 노력을 비약적으로 저감시킬 수 있게 된다.
또한 상술한 바와 같이 상기 SMF입출력모듈(100)의 내부적 정렬상태는 외부 환경의 변화와는 무관하게 안전하게 고립 유지되므로, 시료를 바꾸어 가면서 반복적인 실험을 하는 등과 같은 작업을 하는 경우에 대하여, 장치의 전체적인 내부배치 변경에 따른 오류원인 역시 크게 억제할 수 있다. 따라서 상기 SMF입출력모듈(100)을 입출력장치 또는 다중출력장치로 이용하게 되면, 결과적으로 반복 실험에서의 데이터 불확도를 낮추고 신뢰성을 크게 향상시킬 수도 있는 것이다.
1-2. 추가 및 확장구성
도 2는 본 발명의 SMF입출력모듈의 다른 실시예로서, 추가적인 구성을 도시한다. 도 1과 비교할 때, 도 2의 실시예에서는 제3모듈부(130)가 추가된다.
상기 제3모듈부(130)는 상기 제2모듈부(120)와 동등한 구성으로 형성된다. 즉 상기 제3모듈부(130)도 상기 제2모듈부(120)와 마찬가지로, 제3SMF(131), 제3조준부(132), 제3광학계(133), 제3전동거울(134)을 포함한다. 이 때 제3전동거울(134)은, 상기 제1모듈부(110) 및 상기 제2모듈부(120) 커플링 시 상기 NPBS(160)를 통과 - 상기 제2모듈부(120)로 출사 사이의 광경로에 배치되어, 세팅작업 시 등과 같이 원할 때 상기 제3모듈부(130)로 광의 입출력이 가능하도록 배치각도가 변경될 수 있다.
상기 제3전동거울(134)가 도 2에 도시된 바와 같은 상태로 배치되게 함으로써, 상기 역반사장치(150)에서 역진행해오는 광이 상기 제2모듈부(120)가 아닌 상기 제3모듈부(130)로 출사되게 할 수 있다. 이 상태에서 상기 제3모듈부(130)에 포함된 제3광학계(133)가 조절되어 세팅됨으로써, 상기 제1모듈부(110) 및 상기 제3모듈부(130)가 올바르게 커플링될 수 있다. 이 때 앞서 1-1.에서 설명한 바와 같은 과정을 거쳐, 상기 제1모듈부(110) 및 상기 제2모듈부(120)는 이미 커플링되어 있는 상태이다. 따라서 상기 제1모듈부(110) 및 상기 제3모듈부(130)가 커플링되면, 상기 제1, 2, 3모듈부(110)(120)(130)는 모두 서로 자연히 커플링될 수 있게 된다.
상기 제2전동거울(124) 및 상기 제3전동거울(134) 모두가 커플링용 배치각도에서 벗어난 상태(즉 도 2 상에서 둘 다 제거된 상태)에서, 상기 제1모듈부(110)로 광을 입사시키면, 광은 상기 통공(195)을 통해 외부장치를 거쳐온 후 상기 제2모듈부(120)로 출사된다. 한편 상기 제2전동거울(124)은 커플링용 배치각도에서 벗어나되 상기 제3전동거울(134)은 커플링용 배치각도인 상태(즉 도 2 상에서 상기 제2전동거울(124)만 제거된 상태)에서, 상기 제1모듈부(110)로 광을 입사시키면, 광은 상기 통공(195)을 통해 외부장치를 거쳐온 후 상기 제2모듈부(120) 대신 상기 제3모듈부(130)로 출사된다. 즉 상기 제2전동거울(124) 및 상기 제3전동거울(134)의 배치각도를 적절히 변경함으로써, 상기 제2모듈부(120) 또는 상기 제3모듈부(130) 중 원하는 곳으로 광신호를 출력할 수 있다. 또한 각 거울들의 배치각도를 적절한 주기마다 변경시킴으로써, 결과적으로는 상기 제2모듈부(120) 및 상기 제3모듈부(130) 둘 다에서 광신호를 출력할 수 있게 된다.
도 3은 본 발명의 SMF입출력모듈의 또다른 실시예로서, 보다 확장된 구성을 도시한다. 도 3에는 제4전동거울(144)에 의하여 제4모듈부(미도시)로 광이 출사되게 하는 예시가 도시된다. 제4모듈부도 제3모듈부와 마찬가지로 광학계 세팅이 조절됨으로써 용이하고 원활하게 상기 제1, 2모듈부(110)(120)와의 커플링이 가능하다.
상술한 바와 같은 원리로, 이론적으로는, 상기 SMF입출력모듈(100)에 원하는 만큼 제N모듈부(1N0)를 형성하여 확장할 수 있다(여기에서 N은 3 이상의 정수).
상기 제N모듈부(1N0)의 구성을 간략히 설명하면 다음과 같다. 상기 제N모듈부(1N0)는, 광신호를 송수신하는 광신호를 송수신하는 제NSMF(1N1), 내부 광경로를 조절하는 제N광학계(1N3) 및 배치각도 변경이 가능한 제N전동거울(1N4)을 포함한다. 보다 구체적으로는, 상기 제N모듈부(1N0)는, 단일모드 광섬유로 형성되어 광신호를 송수신하는 상기 제NSMF(1N1), 외부로부터 입력된 평행광을 수렴하여 상기 제NSMF(1N1)로 입력하거나 상기 제NSMF(1N1)로부터 출력된 광을 평행광으로 확산하여 외부로 출력하는 제N조준부(1N2), 적어도 하나의 고정거울(1N3a)(1N3b)을 포함하여 상기 제N조준부(1N2)를 통해 상기 제NSMF(1N1)로 광신호가 입출력되도록 광경로를 형성하는 상기 제N광학계(1N3), 배치각도 변경이 가능한 상기 제N전동거울(1N4)을 포함할 수 있다. 상기 제N전동거울(1N4)은, 상기 제1모듈부(110) 및 상기 제2모듈부(120) 커플링 시 상기 NPBS(160)를 통과 - 상기 제2모듈부(120)로 출사 사이의 광경로에 배치된다. 이 때 물론 상기 제1모듈부(110), 상기 제2모듈부(120) 및 상기 제N모듈부(1N0)가 커플링되도록 형성된다.
상기 제N모듈부(1N0)의 커플링 원리를 간략히 설명하면 다음과 같다. 먼저 상기 제N전동거울(1N4)이 기설정된 커플링용 배치각도로 배치되게 한다. 이 상태에서, 광이, 상기 제1모듈부(110)로 입사 - 상기 NPBS(160)에서 반사 - 상기 제N전동거울(1N4)에서 반사 - 상기 역반사장치(150)로 입사 - 상기 역반사장치(150) 내에서 역반사되어 출사 - 상기 제N전동거울(1N4)에서 역방향으로 반사 - 상기 NPBS(160)를 통과 - 상기 제N모듈부(1N0)로 출사 순으로 진행하여, 즉 상기 제1모듈부(110)로 입사된 광이 상기 제N모듈부(1N0)로 출사되도록 상기 제1광학계(113) 및 상기 제N광학계(1N3)를 조절하여 세팅한다. 이렇게 함으로써 상기 제1모듈부(110), 상기 제2모듈부(120) 및 상기 제N모듈부(1N0)가 원활하게 커플링된다.
상기 제N모듈부(130)를 포함하는 상기 SMF입출력모듈(100)의 활용예를 간략히 설명하면 다음과 같다. 상술한 바와 같이 일단 상기 제1모듈부(110), 상기 제2모듈부(120) 및 상기 제N모듈부(1N0)가 커플링되도록 세팅이 완료된 후에는, 상기 제2전동거울(124) 및 상기 제N전동거울(1N4) 중 적어도 하나가 상기 커플링용 배치각도에서 벗어나도록 배치시킨다.
이 때 광이, 상기 제1모듈부(110)로 입사 - 상기 NPBS(160)에서 반사 - 상기 통공(195)을 통해 출사 - 외부장치를 거쳐 상기 통공(195)을 통해 입사 - 상기 NPBS(160)를 통과 - 상기 제N모듈부(1N0)로 출사 순으로 진행하여, 상기 제1모듈부(110)가 상기 외부장치의 입력단이 되고 상기 제2모듈부(120) 및 상기 제N모듈부(1N0)가 상기 외부장치의 복수 개의 출력단이 되도록 형성되게 할 수 있다.
또는 광이, 외부장치로부터 상기 통공(195)을 통해 입사 - 일부가 상기 NPBS(160)에서 반사되고, 나머지 일부가 상기 NPBS(160)를 통과 - 일부가 상기 제1모듈부로, 나머지 일부가 상기 제N모듈부(1N0)로 출사 순으로 진행하여, 상기 제1모듈부(110), 상기 제2모듈부(120) 및 상기 제N모듈부(1N0)가 상기 외부장치의 복수 개의 출력단이 되도록 형성되게 할 수 있다.
[2] 본 발명의 SMF입출력모듈을 포함하는 단일광자 발생장치
도 4는 본 발명의 SMF입출력모듈을 포함하는 단일광자 발생장치를 도시한다. 도시된 바와 같이, 상기 단일광자 발생장치(1000)는, 상술한 바와 같은 구성으로 된 상기 SMF입출력모듈(100), 현미경부(210), 레이저부(220), 카메라부(230)를 포함하여, 상기 시료로부터 방출된 광신호가 상기 SMF입출력모듈(100)을 통해 출사되도록 이루어진다. 각부에 대하여 좀더 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
상기 SMF입출력모듈(100)은, 도 4의 실시예에서 다중출력장치로서 활용되는데, 구체적으로는, 상기 SMF입출력모듈(100)의 적어도 하나의 출력단을 통해, 단일광자검출기(310), HBT(Hanbury Brown-Twiss)간섭계(320), 스펙트럼분석기(330) 중 선택되는 적어도 하나의 장치로 광신호를 출력하도록 형성된다.
상기 현미경부(210)는, 시료의 상을 맺는 대물렌즈(211), 상기 시료가 배치되며 3차원 미소 이동이 가능한 스테이지(212)를 포함한다. 상기 스테이지(212)는 압전소자로 위치를 변경하는 피에조 스테이지(piezo stage) 형태로 형성될 수 있는데, 이에 따라 매우 미세하고 정밀한 위치 제어가 가능하다.
상기 레이저부(220)는, 레이저-펌프광을 방출하는 펌프광소스, 상기 펌프광소스에서 나온 레이저-펌프광 일부를 파장에 따라 선별하여 그 광경로가 상기 현미경부(210)를 향하도록 변경하는 DCHM(DiCHroic Mirror, 225)를 포함한다.
상기 카메라부(230)는, 백색광을 방출하는 백색광소스, 상기 백색광소스에서 나온 백색광 일부의 광경로가 상기 현미경부(210)를 향하도록 변경하는 PELM(PELlicle Mirror, 235), 상기 시료로부터 반사되어 온 광을 입사받아 상기 시료의 이미지를 획득하는 카메라를 포함한다.
이와 같은 구성으로 된 본 발명의 단일광자 발생장치(1000)는, 상기 SMF입출력모듈(100) 내의 구성부품들이 모듈화되어 있지 않다고 생각한다면, 개념적으로 거칠게 보았을 때 공초점현미경 및 레이저 역반사장치를 결합한 것과 같은 형태이다. 그러나 단순히 해당 구성들을 결합하기만 해서는 원하는 성능을 내기 어려운데, 이를 설명하면 다음과 같다.
장시간 광자 수집을 위해서는 장치 내 광학 부품들의 정렬이 매우 안정해야 함은 당연하다. 또한 단일모드 광섬유로의 집속 비율은 대물렌즈의 근장-원장 변환에서 발생하는 빔의 위상 왜곡 때문에 낮아질 우려가 있으므로, 이러한 변환 에러를 줄이기 위해서는 대물렌즈에서 광섬유까지의 광학 거리를 최대한 짧게 하는 것이 필요하다.
본 발명의 단일광자 발생장치(1000)는, 상술한 바와 같은 두 가지 요구조건을 모두 만족할 수 있도록 설계된 것이다. 즉 광학 셋업은 반드시 필요한 요소들로만 이루어지며, 그 외의 장치들은 광학 요소들의 정렬을 시험하는 용도로만 구비된다. 특히 본 발명에서는, 상기 DCHM(225) 및 상기 PELM(235) 정도만이 움직이도록 구성되며, 그 외에 다른 요소들은 움직이거나 필요 외에는 수정할 수 없도록 고정된다. 앞서 설명한 바와 같이, 상기 SMF입출력모듈(100)의 내부에서 각 모듈부들(110)(120)(130)이 이미 완벽하게 커플링되어 정렬 세팅이 완료된 상태이므로, 상기 DCHM(225) 및 상기 PELM(235)을 약간 움직여 상기 SMF입출력모듈(100)의 통공(195)으로 올바르게 광이 입출력되게만 세팅하면, 전체 장치 세팅이 완료된다. 즉 본 발명의 단일광자 발생장치(1000)는, 상기 SMF입출력모듈(100)을 포함함으로써 구조적 안정성을 극대화한다. 실제로 본 출원인이 본 발명의 단일광자 발생장치(1000)를 구현한 바로는, 광경로와 단일모드 광섬유 집속의 안정도는 실험실 온도가 바뀌지 않는 한 몇 주 이상 변동 없이 유지되는 수준으로 확인되었다.
[3] 본 발명의 SMF입출력모듈을 포함하는 단일광자 발생장치의 실험결과
이하에서는, 상술한 바와 같은 본 발명의 단일광자 발생장치를 이용하여 단일광자를 발생시키고 이를 검출하는 여러 실험결과들을 상세히 설명한다. 먼저 간략히 설명하자면, 단일방출체로, hBN(hexagonal boron nitride) 나노입자의 NBVN 격자결함(3-1.에서 설명함), 나노다이아몬드의 규소-공-색중심(SiV, silicon vacancy colour center)(3-2.에서 설명함), GaN 웨이퍼의 격자-결함(3-3.에서 설명함)을 사용하였다. 일반적으로 단일방출체 기반 단일광자는 전이 준위의 긴 풀림시간과 생명주기가 요구되므로 70 K 미만의 저온에서 실험이 이루어졌는데, 이는 이러한 과정의 시간 규모가 최소한 단일광자 검출기의 시간분해능보다 길어야 HBT 상관을 검출할 수 있기 때문이다. 실리콘 아발란체(Avalanche) 단일광자 검출기는 700 피코초(ps; picosecond, 10-12초)보다 긴 광자 시간 차이를 측정할 수 있을 뿐이다. 따라서 풀림시간, 또는 생명주기는 약 1 나노초(ns; nanosecond, 10-9초) 이상이 되어야만 단일광자 검출이 가능하다. 열거한 물질들은 공통적으로 띠틈(band-gap)이 매우 크기 때문에, 단일광자 방출에 관계하는 전자 준위는 매우 격리되어 있다. 따라서 상온에서도 단일광자 방출이 가능할 것으로 기대된다.
앞서, 단일광자원을 개발하기 위한 과정은, 응집물질 내에서 좋은 품질의 단일방출체를 골라내는 제1과정 및 여기에서 발생하는 광자의 통계를 분석하는 제2과정으로 이루어지며, 본 발명에서는 제1과정을 효과적으로 실현할 수 있는 단일광자 발생장치를 제공하는 것이 목적임을 밝힌 바 있다. 이 때 제2과정은 단일광자의 순도를 향상시키고 방출 제어하는 기술은 결맞음이 중요해 저온에서 수행하는 것이 바람직하겠으나, 본 발명의 범위를 벗어나므로 이하 실험이 반드시 저온에서 수행될 필요는 없다. 이에 따라 본 발명에서는 제1과정이 올바르게 잘 이루어지는지, 즉 이들 물질에 대한 분광 스펙트럼 특성과 광자 수 통계 분석을 통해 단일광자 특성이 올바르게 잘 확보되는지를 확인하면 되므로, 이하의 실험은 상온에서 이루어졌다.
3-1. 본 발명의 단일광자 발생장치를 이용한 실험결과 : hBN(hexagonal boron nitride) 나노파티클의 NBVN 격자결함 단일광자원
h-BN은 보론(B)과 질소(N)의 육각 층상 격자구조를 말한다. 이 물질에서 단일광자원을 방출하는 물리적 구조는 보론 하나가 빠진 격자결함(lattice-defect)이다. 많은 종류의 결함이 있을 수 있지만 특별히 사용되는 결함의 종류는 NBVN-격자결함이다. 도 5는 h-BN의 격자 구조와 NBVN 격자결함(lattice-defect)을 도시한 것으로, 도 5와 같이 빠진 보론이 빠진 자리를 질소가 채우고 질소 자리는 비어있는 형태이다. NBVN결함은 분광 스펙트럼으로 확인할 수 있다.
시료의 형태는 절편(flake)보다는 나노입자가 선호된다. h-BN은 매우 투명하고 흡수가 적지만 굴절율은 유리보다 크다. 그 때문에 나노입자는 시료 내부에서의 광학-길이(optical path length)를 줄이고 발생한 단일광자를 시료 바깥으로 추출하는 데에 유리하다. 나노입자는 SiOx-Si 기판 위에 코팅되는데, 이 기판은 가시광에서의 흡수를 최소화하기 위해 선택된다. 유리 기판의 경우 기판 자체의 변형(strain) 때문에 발광 효율에 영향을 줄 개연성이 큰 반면, 도핑을 하지 않은 순도 높은 실리콘 기판은 표면 산화를 잘 시킨 경우 불순물에서 발생하는 배경발광을 줄이고 깨끗한 표면을 얻을 수 있는 이점이 있다.
앞서 설명한 바와 같이 본 발명의 단일광자 발생장치는, 단일광자를 발생시킬 뿐 아니라 시료의 이미지를 획득할 수도 있다. 도 6은 본 발명의 장치를 이용하여 측정한 h-BN 시료의 PL(photoluminescence) 이미지(A, B)이다. 실제 실험에서 사용된 본 발명의 단일광자 발생장치는 약 190 nm의 분해능을 가지며, 따라서 이를 이용하여 NBVN결함의 발광을 나노입자에 따라 선택적으로 추출해낼 수 있다. 본 발명의 단일광자 발생장치는 스테이지를 이용하여 위치 스캔이 가능하기 때문에, 도 6의 A처럼 넓은 영역을 100 nm의 낮은 해상도로 한 지점마다 10 밀리초 간격으로 수집하며 빠르게 훑은 뒤에, 도 6의 A에 작은 네모칸으로 표시된 바와 같이 작지만 유력한 영역을 10 nm 해상도에서 100 밀리초 간격마다 정밀 측정하는 것이다. 도 6의 B는 상기 네모칸을 확대한 것으로, 도 6의 B의 발광체 크기는 가우시안 폭 189 ㅁ 10 nm으로 보이며, 이는 회절한계에 가깝기 때문에 실제 나노입자의 크기는 이보다 훨씬 작을 것으로 추정된다.
도 7은 NBVN 격자결함의 PL 분광 스펙트럼으로, 본 발명의 단일광자 발생장치를 통해 측정된 결과이다. 도 7의 결과는 널리 알려진 NBVN결함이 가지는 특성과 매우 유사하므로, 본 실험에서 NBVN결함이 나노입자 PL의 근원임이 이로써 확인된다. 한편 본 실험에서 레이저-펌프광은 532 nm 파장을 가지는 것으로 하였으며, 이를 걸러내기 위하여 580 nm 경계인 장파장 투과 필터를 사용하였다. 이에 따라 이보다 짧은 파장의 PL은 측정할 수 없었으나, 그럼에도 도 7에 보이는 바와 같이 대략 4개 정도의 발광 띠(band)를 볼 수 있음이 확인된다.
도 7에서 붉은색 음영으로 표시된 파장 644.0 ㅁ 0.1 nm에 나타나는 강한 분광 신호는 NBVN결함의 ZPL(zero-phonon line)에 해당한다. 나머지 파란색 음영으로 표시한 분광 신호는 포논 상호작용에 의해 발생한다. 형광 물질에서 ZPL은 포논과의 상호작용 없이 강하고 얇은 선폭의 신호를 내기에 결맞음 연구에 적합하여 관심을 받는 신호이다. h-BN NBVN결함의 ZPL은 선폭이 9.6 ㅁ 0.5 nm로 다소 넓게 나와 다른 연구에서의 결과에 비해 크게 우수하다고 보기는 어려우나, 분광스펙트럼에서 추정한 ZPL 발광 비율(Debye-Waller factor, DW 값)은 64%로 다이아몬드 질소-공 색중심에 비하면 굉장히 높은 값으로 측정되었다.
도 8은 NBVN 격자결함에서 방출한 광자의 시간 상관 측정 결과를 도시한 것으로, HBT(Hanbury Brown-Twiss) 간섭계를 사용하여 측정된 결과이다. 이 때 광자는 본 발명의 단일광자 발생장치에서 단일모드 광섬유로 추출되어 HBT 간섭계 모듈로 최소한의 손실률을 겪으며 전송되었다.
시간 τ 간격의 광자쌍 빈도에 관한 모델은 다음 식과 같다.
Figure 112020040396648-pat00001
G(2)(τ)에 대한 위 수식은 정규화 이전 식으로, 포아송 분포로 정규화한 값은 g(2)(τ)라 표기하겠다. 다광자확률(multi-photon probability)이 억제될수록 g(2)(0)은 1보다 작으며, 이상적인 단일광자 분포는 g(2)(0)=0이다. 모델에는 두 개의 시간 상수 τ1, τ2가 포함되었다. τ1은 방출과 관계하는 전자 전이(e-g)가 자발방출(spontaneous emission) 반복에 걸리는 시간 간격이다. 이 간격 안에서는 다광자 확률이 억제된다. 물리적으로 τ1은 전자전이 준위 사이의 풀림시간과 관련되어 있다. τ2는 자발방출 전이 준위 사이에 있는 메타안정(meta-stable) 상태로 포획되는 시간으로, 양의 상관 관계를 만든다. 메타안정 상태 포획은 광자 방출 효율을 떨어트려 이상적인 단일광 자원 개발의 걸림돌이 된다.
도 8의 결과는 메타 상태로의 포획을 피하기 위해, 들뜬 상태들로 포화되지 않도록 낮은 펌프 파워를 사용하였다. 펌프광으로 사용한 532 nm 레이저를 사용했고 대물렌즈 직전에서의 파워는 0.3 mW이었다. 이는 포화를 일으키는 파워의 0.3 정도 세기이다. 이 때 단일광자 검출기에서는 초당 60,000 (60 kHz)의 광자를 검출하였다. 수치적인 회귀분석에서는 τ2가 1초 이상으로 길게 나와 유의미한 측정 범위에서는 메타안정 상태 포획을 확인할 수 없었다. 따라서 도 8에서 파란색 선으로 표시한 모델 곡선에서 (C, τ2)와 관련된 항은 사용하지 않았다. g(2)(0)은 0.24 ㅁ 0.04이며 다광자 방출 확률이 매우 억제되어, 단일광자에 가까운 광자 분포 생성에 성공함을 보여준다. ㅁ0.04는 95% 신뢰구간(confidence interval)이다. 이것은 회귀분석 과정에서 잔차(residual)와 해석적 야코비안(Jacobian)을 사용하여 도출하였다.
도 9는 펌프 파워에 대한 광자 검출 계수(g(2)(0)) 및 다광자(multi-photon) 억제 시간(τ1)을 도시한 것으로, 도 9의 그래프의 측정값 즉 펌프 파워에 대한 광자검출계수, g(2)(0), 다광자(multi-photon) 억제 시간(τ1), 메타안정 상태 포획 시간(τ2)의 측정값 데이터는 하기의 표와 같다.
Figure 112020040396648-pat00002
도 9에 보이는 바와 같이, 펌프 파워에 대해 광자검출계수는 약 300 kHz에서 포화됨이 확인된다. 포화 곡선은 다음과 같은 지수함수로 표현할 수 있으며, 포화가 일어나는 펌프 파워(수식에서 P0)는 0.9ㅁ0.2 mW 부근이다.
Figure 112020040396648-pat00003
3-2. 본 발명의 단일광자 발생장치를 이용한 실험결과 : 나노다이아몬드의 규소-공-색중심 단일광자원
도 10은 다이아몬드 규소-공(SiV, silicon vacancy) 색중심(colour center)의 격자구조를 도시한 것이다. 다이아몬드 규소-공(SiV) 색중심은 높은 ZPL(Zero-phonon line) 발광 비율(Debye-Waller factor, DW 값)과 상온에서도 매우 좁은 발광 선폭을 지니고 있어 단일광자원으로 각광을 받는 발광체이다. SiV 색중심은 다이아몬드 격자 내에서 도 10과 같이 형성된다. 나노다이아몬드는 제작상의 이점과 물질 내부의 짧은 광학거리가 주는 추출에 유리한 이점이 있다. 측정에 사용한 시료로써, 나노다이아몬드를 이리듐 기판 위에 도포한 것을 사용하였다. 이리듐 기판은 높은 반사율을 지녀, 기판 쪽으로의 광자 손실을 최소화할 수 있다.
본 발명의 단일광자 발생장치를 사용하여 ZPL 발광을 하는 나노다이몬드를 찾을 수 있었다. 도 11은 본 발명의 장치로 측정된 나노다이아몬드 SiV 색중심 ZPL 분광 스펙트럼인데, 일반적으로 SiV의 ZPL은 738 nm에서 나오는 것으로 알려져 있는 것과 같이, 도 11의 측정 결과에서도 940 nm 주변에서 ZPL이 위치한 나노다이아몬드가 다수 관측되는 것이 확인된다. 선폭은 도 11와 같이 8-10 nm로 다른 분광 띠(side-band) 없이 홀로 나타나는 분광 신호가 측정된다. 파장이 다를 수 있는 이유는 나노다이아몬드의 변형(strain) 때문이며, 격자 구조 특성상 Si의 주입 위치가 치환(substitutional site)보다는 격자 내 임의 위치(interstial site)일 개연성이 있기 때문이라고 여겨진다. 이러한 점은 나노다이아몬드 제작 조건과 SiV마다 예민하게 달라질 수 있다.
도 12는 나노다이아몬드 SiV 색중심에서 방출한 광자의 시간 상관 측정 결과로 대단히 유의미한 결과는 아니지만, 동시 검출 영역(zero time delay) 부근에서 매우 약한 음의 상관 관계가 측정되어, 선택된 나노다이아몬드 SiV 색중심이 단일방출체의 특성을 가지고 있음을 알 수 있다.
3-3. 본 발명의 단일광자 발생장치를 이용한 실험결과 : GaN 웨이퍼의 격자-결함 단일광자원
도 13은 본 발명의 단일광자 발생장치로 측정된 GaN 결함의 위치 분포의 실시예로서, 측정된 신호는 격자결함의 PL(photoluminescence)이며, 확대 이미지가 끼워져 도시되어 있다.
GaN의 격자결함이 단일광자를 방출하는 이유는, GaN의 성장 과정에서 발생하는 적층결함(Stacking fault) 때문이다. 적층 결함 부위는 띠틈(band-gap)이 무결한 격자보다 작아 전자-홀 쌍이 포획되는 양자우물(quantum well)처럼 작용한다. 사용되는 GaN 결정은 사파이어 위에 성장하는데, 기판에서부터 자란 격자결함이 적층결함과 만나는 지점에서 양자점(quantum dot)과 같이 10 nm 크기의 3차원 퍼센셜 우물이 만들어진다. 바로 이곳이 단일광자를 방출하는 장소이다.
그러한 생성 특성 때문에, 결함의 분포와 밀도는 표면의 깊이에 따라 매우 다른 양상을 보인다. 본 실험에서 사용한 시료는 사파이어 위에 5 마이크론 두께로 적층한 GaN이며, 경험 상 표면에서 2-3 마이크론 깊이에서 적당한 결함 밀도를 얻을 수 있다. 기판에 가까운 깊이에서는 더 다양한 결함 지점을 찾을 수 있지만 기판에 속한 불순물에서 발생하는 광자가 수집되기 때문에 SNR이 좋지 않다. 도 13은 표면에서 2 마이크론 깊이에서 공초점 현미경으로 수집한 PL(photoluminescence) 지도로서, PL이 나오는 지점이 결함이 위치한 지점이다. 발광 점의 크기는 회절 한계에 가깝게 작기 때문에 도 13의 끼워진 확대 이미지와 같이 높은 해상도로 발광 지점을 찾아야한다.
도 14는 공초점 현미경으로 위치 확인한 GaN 격자결함의 PL(photo-luminescence) 분광 스펙트럼이다. 분광 스펙트럼은 결함마다 PL 중심의 파장은 650-750 nm 사이에서 제각각 분포하지만, 대략적인 형태는 도 14와 같이 측정된다. 분광 스펙트럼은 어느 위치, 어느 결함이어도 파장 696.5 ㅁ 0.1 nm에 있는 폭 2.4 nm의 신호를 포함하고 있다. 이것은 기판으로 사용된 사파이어의 불순물인 크롬에서 발생하는 광자에 해당한다. 사파이어 기판에 가까운 깊이일수록 신호의 강도가 높아진다. 도 14의 스펙트럼에서는 파장 770.2 ㅁ 0.2 nm에서 GaN 결함의 PL이 측정되었다. 그것의 선폭은 18.0 ㅁ 0.8 nm이다. 스펙트럼에서 추정한 각 신호에 해당하는 광자 계수의 비율은 Cr : GaN = 1 : 9이므로, 별다른 밴드 필터를 사용하지 않더라도 GaN의 신호가 측정의 다수를 차지한다. 다만 이 고려에서는 스펙트럼 상에서도 확인하는 파장 600-850 nm 사이의 배경 스펙트럼의 영향은 제외하였다.
도 15는 GaN 격자결함에서 방출한 광자의 시간 상관 측정 결과이다. g(2)(0)는 0.45 ㅁ 0.1이고 단일광자원의 가능성을 확인하였다. 음의 상관 관계로 나타나는 다광자 방출 억제 시간(τ1)은 3.3 ㅁ 0.5 ns으로 방출에 관여하는 에너지 준위는 전자 구조 속에서 안정하게 위치함을 유추할 수 있었다. 메타안정 포획을 최소화하면서도 상관 측정 관계의 편이를 위해 적당한 강도인 1.35 mW로 펌프 파워를 조절하였다. 이는 포화를 일으키는 파워의 약 1.5배 정도이다. 때문에 메타안정 포획이 일어났으며, 포획 시간(τ2)은 1.7 ㅁ 0.4 μs로 나타났다.
본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.
100 : SMF입출력모듈
110 : 제1모듈부 111 : 제1SMF
112 : 제1조준부 113 : 제1광학계
113a : 제1-1고정거울 113b : 제1-2고정거울
120 : 제2모듈부 121 : 제2SMF
122 : 제2조준부 123 : 제2광학계
123a : 제2-1고정거울 123b : 제2-2고정거울
124 : 제2전동거울
130 : 제3모듈부 131 : 제3SMF
132 : 제3조준부 133 : 제3광학계
133a : 제3-1고정거울 133b : 제3-2고정거울
134 : 제3전동거울
144 : 제4전동거울
150 : 레이저역반사장치
151 : 역반사용렌즈 152 : 역반사용거울
160 : NPBS(Non-Polarizing Beam Splitter)
170 : 조리개 180 : BD(Beam-Dump)
190 : 케이스 195 : 통공
210 : 현미경부 215 : 반사거울
211 : 대물렌즈 212 : 스테이지
220 : 레이저부 225 : DCHM
230 : 카메라부 235 : PELM
310 : 단일광자검출기
320 : HBT(Hanbury Brown-Twiss)간섭계
330 : 스펙트럼분석기

Claims (13)

  1. 광신호를 송수신하는 제1SMF(Single Mode Fiber, 111) 및 내부 광경로를 조절하는 제1광학계(113)를 포함하는 제1모듈부(110);
    광신호를 송수신하는 광신호를 송수신하는 제2SMF(121), 내부 광경로를 조절하는 제2광학계(123) 및 배치각도 변경이 가능한 제2전동거울(124)을 포함하며, 상기 제1모듈부(110)로 입출력되는 광의 광경로와 수직한 광경로를 형성하는 광이 입출력되는 제2모듈부(120);
    외부에서 입력된 광을 역방향으로 반사시키는 역반사장치(150);
    상기 제1모듈부(110)로 입출력되는 광의 광경로 및 상기 제2모듈부(120)로 입출력되는 광의 광경로가 수직하게 만나는 지점에 배치되어, 광의 일부를 반사시키고 나머지 일부를 통과시키도록 형성되는 NPBS(Non-Polarizing Beam Splitter, 160);
    복수 개의 모듈부들(110)(120), 상기 역반사장치(150) 및 상기 NPBS(160)를 수용하며, 그 내외로 광이 입출력되도록 통공(195)이 형성되는 케이스(190);
    를 포함하며,
    상기 제1모듈부(110) 및 상기 제2모듈부(120)가 커플링되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 SMF입출력모듈(100).
  2. 제 1항에 있어서, 상기 SMF입출력모듈(100)은,
    상기 제2전동거울(124)이 기설정된 커플링용 배치각도로 배치되면,
    광이, 상기 제1모듈부(110)로 입사 - 상기 NPBS(160)에서 반사 - 상기 제2전동거울(124)에서 반사 - 상기 역반사장치(150)로 입사 - 상기 역반사장치(150) 내에서 역반사되어 출사 - 상기 제2전동거울(124)에서 역방향으로 반사 - 상기 NPBS(160)를 통과 - 상기 제2모듈부(120)로 출사 순으로 진행하여,
    상기 제1모듈부(110)로 입사된 광이 상기 제2모듈부(120)로 출사되도록 상기 제1광학계(113) 및 상기 제2광학계(123)가 조절되어 세팅됨으로써,
    상기 제1모듈부(110) 및 상기 제2모듈부(120)가 커플링되는 것을 특징으로 하는 SMF입출력모듈(100).
  3. 제 2항에 있어서, 상기 SMF입출력모듈(100)은,
    상기 제1모듈부(110) 및 상기 제2모듈부(120)가 커플링되도록 세팅이 완료된 후 상기 제2전동거울(124)이 상기 커플링용 배치각도에서 벗어나도록 배치되면,
    광이, 상기 제1모듈부(110)로 입사 - 상기 NPBS(160)에서 반사 - 상기 통공(195)을 통해 출사 - 외부장치를 거쳐 상기 통공(195)을 통해 입사 - 상기 NPBS(160)를 통과 - 상기 제2모듈부(120)로 출사 순으로 진행하여,
    상기 제1모듈부(110)가 상기 외부장치의 입력단이 되고 상기 제2모듈부(120)가 상기 외부장치의 출력단이 되도록 형성되거나, 또는
    광이, 외부장치로부터 상기 통공(195)을 통해 입사 - 일부가 상기 NPBS(160)에서 반사되고, 나머지 일부가 상기 NPBS(160)를 통과 - 일부가 상기 제1모듈부로, 나머지 일부가 상기 제2모듈부(120)로 출사 순으로 진행하여,
    상기 제1모듈부(110) 및 상기 제2모듈부(120)가 상기 외부장치의 복수 개의 출력단이 되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 SMF입출력모듈(100).
  4. 제 1항에 있어서, 상기 제1모듈부(110)는,
    단일모드 광섬유로 형성되어 광신호를 송수신하는 상기 제1SMF(111),
    외부로부터 입력된 평행광을 수렴하여 상기 제1SMF(111)로 입력하거나 상기 제1SMF(111)로부터 출력된 광을 평행광으로 확산하여 외부로 출력하는 제1조준부(112),
    적어도 하나의 고정거울(113a)(113b)을 포함하여 상기 제1조준부(112)를 통해 상기 제1SMF(111)로 광신호가 입출력되도록 광경로를 형성하는 상기 제1광학계(113)
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 SMF입출력모듈(100).
  5. 제 1항에 있어서, 상기 제2모듈부(120)는,
    단일모드 광섬유로 형성되어 광신호를 송수신하는 상기 제2SMF(121),
    외부로부터 입력된 평행광을 수렴하여 상기 제2SMF(121)로 입력하거나 상기 제2SMF(121)로부터 출력된 광을 평행광으로 확산하여 외부로 출력하는 제2조준부(122),
    적어도 하나의 고정거울(123a)(123b)을 포함하여 상기 제2조준부(122)를 통해 상기 제2SMF(121)로 광신호가 입출력되도록 광경로를 형성하는 상기 제2광학계(123),
    배치각도 변경이 가능한 상기 제2전동거울(124)
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 SMF입출력모듈(100).
  6. 제 2항에 있어서, 상기 SMF입출력모듈(100)은,
    광신호를 송수신하는 광신호를 송수신하는 제NSMF(1N1), 내부 광경로를 조절하는 제N광학계(1N3) 및 배치각도 변경이 가능한 제N전동거울(1N4)을 포함하며,
    상기 제1모듈부(110) 및 상기 제2모듈부(120) 커플링 시 상기 NPBS(160)를 통과 - 상기 제2모듈부(120)로 출사 사이의 광경로에 상기 제N전동거울(1N4)이 배치되어 광이 입출력되는 제N모듈부(1N0);
    을 포함하며,
    (여기에서 N은 3 이상의 정수)
    상기 제1모듈부(110), 상기 제2모듈부(120) 및 상기 제N모듈부(1N0)가 커플링되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 SMF입출력모듈(100).
  7. 제 6항에 있어서, 상기 SMF입출력모듈(100)은,
    상기 제N전동거울(1N4)이 기설정된 커플링용 배치각도로 배치되면,
    광이, 상기 제1모듈부(110)로 입사 - 상기 NPBS(160)에서 반사 - 상기 제N전동거울(1N4)에서 반사 - 상기 역반사장치(150)로 입사 - 상기 역반사장치(150) 내에서 역반사되어 출사 - 상기 제N전동거울(1N4)에서 역방향으로 반사 - 상기 NPBS(160)를 통과 - 상기 제N모듈부(1N0)로 출사 순으로 진행하여,
    상기 제1모듈부(110)로 입사된 광이 상기 제N모듈부(1N0)로 출사되도록 상기 제1광학계(113) 및 상기 제N광학계(1N3)가 조절되어 세팅됨으로써,
    상기 제1모듈부(110), 상기 제2모듈부(120) 및 상기 제N모듈부(1N0)가 커플링되는 것을 특징으로 하는 SMF입출력모듈(100).
  8. 제 7항에 있어서, 상기 SMF입출력모듈(100)은,
    상기 제1모듈부(110), 상기 제2모듈부(120) 및 상기 제N모듈부(1N0)가 커플링되도록 세팅이 완료된 후 상기 제2전동거울(124) 및 상기 제N전동거울(1N4) 중 적어도 하나가 상기 커플링용 배치각도에서 벗어나도록 배치되면,
    광이, 상기 제1모듈부(110)로 입사 - 상기 NPBS(160)에서 반사 - 상기 통공(195)을 통해 출사 - 외부장치를 거쳐 상기 통공(195)을 통해 입사 - 상기 NPBS(160)를 통과 - 상기 제N모듈부(1N0)로 출사 순으로 진행하여,
    상기 제1모듈부(110)가 상기 외부장치의 입력단이 되고 상기 제2모듈부(120) 및 상기 제N모듈부(1N0)가 상기 외부장치의 복수 개의 출력단이 되도록 형성되거나, 또는
    광이, 외부장치로부터 상기 통공(195)을 통해 입사 - 일부가 상기 NPBS(160)에서 반사되고, 나머지 일부가 상기 NPBS(160)를 통과 - 일부가 상기 제1모듈부(110)로, 나머지 일부가 상기 제N모듈부(1N0)로 출사 순으로 진행하여,
    상기 제1모듈부(110), 상기 제2모듈부(120) 및 상기 제N모듈부(1N0)가 상기 외부장치의 복수 개의 출력단이 되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 SMF입출력모듈(100).
  9. 제 6항에 있어서, 상기 제N모듈부(1N0)는,
    단일모드 광섬유로 형성되어 광신호를 송수신하는 상기 제NSMF(1N1),
    외부로부터 입력된 평행광을 수렴하여 상기 제NSMF(1N1)로 입력하거나 상기 제NSMF(1N1)로부터 출력된 광을 평행광으로 확산하여 외부로 출력하는 제N조준부(1N2),
    적어도 하나의 고정거울(1N3a)(1N3b)을 포함하여 상기 제N조준부(1N2)를 통해 상기 제NSMF(1N1)로 광신호가 입출력되도록 광경로를 형성하는 상기 제N광학계(1N3),
    배치각도 변경이 가능한 상기 제N전동거울(1N4)
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 SMF입출력모듈(100).
  10. 제 1항에 있어서, 상기 SMF입출력모듈(100)은,
    상기 통공(195) 주변에 배치되어 광량을 조절하는 조리개(170);
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 SMF입출력모듈(100).
  11. 제 1항에 있어서, 상기 SMF입출력모듈(100)은,
    상기 NPBS(160) 주변에 배치되어 불필요한 광에너지를 제거하는 BD(Beam-Dump, 180);
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 SMF입출력모듈(100).
  12. 제 1 내지 11항 중 선택되는 어느 한 항에 의한 상기 SMF입출력모듈(100);
    시료의 상을 맺는 대물렌즈(211), 상기 시료가 배치되며 3차원 미소 이동이 가능한 스테이지(212)를 포함하는 현미경부(210);
    레이저-펌프광을 방출하는 펌프광소스, 상기 펌프광소스에서 나온 레이저-펌프광 일부를 파장에 따라 선별하여 그 광경로가 상기 현미경부(210)를 향하도록 변경하는 DCHM(DiCHroic Mirror, 225)를 포함하는 레이저부(220);
    백색광을 방출하는 백색광소스, 상기 백색광소스에서 나온 백색광 일부의 광경로가 상기 현미경부(210)를 향하도록 변경하는 PELM(PELlicle Mirror, 235), 상기 시료로부터 반사되어 온 광을 입사받아 상기 시료의 이미지를 획득하는 카메라를 포함하는 카메라부(230);
    를 포함하며,
    상기 시료로부터 방출된 광신호가 상기 SMF입출력모듈(100)을 통해 출사되도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 단일광자 발생장치(1000).
  13. 제 12항에 있어서, 상기 단일광자 발생장치(1000)는,
    상기 SMF입출력모듈(100)의 적어도 하나의 출력단을 통해,
    단일광자검출기(310), HBT(Hanbury Brown-Twiss)간섭계(320), 스펙트럼분석기(330) 중 선택되는 적어도 하나의 장치로 광신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 단일광자 발생장치(1000).
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102503802B1 (ko) * 2022-08-26 2023-02-23 국방과학연구소 고속조정 거울을 이용한 광섬유 자동 커플링 방법 및 이를 이용한 송수신 광학계

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20010052778A (ko) 1999-04-12 2001-06-25 다니구찌 이찌로오, 기타오카 다카시 단일 광자 발생 장치
JP2007094087A (ja) * 2005-09-29 2007-04-12 Matsushita Electric Ind Co Ltd 単一光子の供給方法
JP2013509600A (ja) * 2009-09-04 2013-03-14 テルコーディア テクノロジーズ インコーポレイテッド 高確率の伝令付き単一光子源及び関連方法
KR101573867B1 (ko) * 2014-07-29 2015-12-07 한국표준과학연구원 양자 통신을 위한 주문형 단일광자 광원

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20010052778A (ko) 1999-04-12 2001-06-25 다니구찌 이찌로오, 기타오카 다카시 단일 광자 발생 장치
JP2007094087A (ja) * 2005-09-29 2007-04-12 Matsushita Electric Ind Co Ltd 単一光子の供給方法
JP2013509600A (ja) * 2009-09-04 2013-03-14 テルコーディア テクノロジーズ インコーポレイテッド 高確率の伝令付き単一光子源及び関連方法
KR101573867B1 (ko) * 2014-07-29 2015-12-07 한국표준과학연구원 양자 통신을 위한 주문형 단일광자 광원

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102503802B1 (ko) * 2022-08-26 2023-02-23 국방과학연구소 고속조정 거울을 이용한 광섬유 자동 커플링 방법 및 이를 이용한 송수신 광학계

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