DEVOCEAN

안녕하세요, 저는 양자(퀀텀) 관련된 응용 디바이스 개발을 해온 곽재영입니다.

지난 번에 제가 그동안 개발해 온 응용 제품에 대한 기본적인 개요를 블로그로 적었습니다.

https://devocean.sk.com/blog/techBoardDetail.do?ID=163755

이번에는 두 번째 글로,

첫 번째 개요 글에서 제가 개발해 온 기본적인 내용만을 목록화 하였다면,

두 번째 글에서부터는세부적인 내용을 하나씩 들여다 보기 위해서

Single Photon Detection이라는 것에 대해서 정리해보며 설명해보려고 합니다.

이번 글은 '퀀텀 아날로그' 에 대한 내용을 다루는 부분입니다.

개발자들 분들께는 정말 관련이 없기 때문에 낯설고 보기 힘드실 수 있지만,

제가 그동안 개발하면서 익혀온 내용을 한번도 정리된 글을 본 적이 없으므로

나름 정리도 하지만, 퀀텀이라는 분야에 대한 간단한 기초적인 이해가 가능할 부분이라서 잘 정리해 보도록 하겠습니다.

역시 의식의 흐름대로 나름 편하게 적어보고, 나중에 좀 제목도 달고 정리하는 식으로 마무리할까 합니다.

설명된 내용은 이렇습니다.

• 일반 광센서가 무엇인지 간단하게 살펴보고

• 퀀텀(quantum)과 포톤(photon)과의 관계 및 현재 퀀텀의 동향

• 퀀텀을 측정하기 위한 Single Photon Detector를 사용하기 위한 소자 SPAD (single photon avalanche diode)

  --> 기본적인 원리 및 동작 회로 설명 등

• SPAD를 이용한 응용회로 설계 시 고려할 점

참고로, 여기 있는 내용만 알고 있어도 single photon detector를 이해하는데 충분하도록 정리하겠습니다.

1. 기본적인 광센서라는 것에 대한 얘기 (Photoelectric Sensors)

일단 Single Photon Detection 이건 뭐던지 결국은 '빛'을 감지하는 것입니다.

빛을 감지하는 센서는 여기저기 많이 사용되고 있습니다.

한 가지 예를 들자면, 차를 운전하다가 전조등 및 외부 조명을 auto 상태로 맞춰 놓으면

터널이나 야간이 되어 빛이 없는 구간에서 자동적으로 전조등이나 미등이 켜집니다.

결국 빛의 유무를 판단하는 어떤 형태의 센서가 있다는 것인데요,

혹시 머리에 특별하게 떠오르는 부품이 있으신지 모르겠지만,

저같은 경우에는 황화카드뮴(CdS)이라는 부품을 떠올렸습니다.

(이것만으로 아재 인증이 되겠네요...ㅠ)

구글링으로 찾아보면 이 황화카드뮴(CdS) 센서는 PhotoResistor라고 나옵니다.

이 부품은 빛을 받으면 저항이 변합니다.

보통 빛이 없으면 저항이 비교적 높은 값을 가지고, 빛을 받으면 저항 값이 작아집니다.

그러니까, 응용에 따라서 빛이 없을 때의 저항 값으로 전자회로를 꾸미고,

빛을 받으면 작아진 저항 값으로 스위치를 ON 하도록 하여, 빛이 있을 경우 특별한 종류의 동작을 하도록 만드는 응용이 가능합니다.

물론 그 반대로 빛이 있을 때에는 대기 모드이다가 빛이 없어지면 ON이 될 수 있구요.

언뜻 생각해보면, 아침이 되어 창가에서 햇살이 들어오면 알람을 울려주는 디바이스를 만들 수 있을 것 같습니다.

심지어 닭이 우는 소리가 나도록 만들면....대박...이 될수가 없겠죠...ㅠ

위 디바이스가 사실 광센서에 대한 모든 내용을 가지고 있기는 합니다.

찾아보면, 반응하는 빛의 파장 범위가 나옵니다. (보통 500nm 대역 부근 - 가시 광선 대역입니다)

그리고 광의 세기에 따른 저항값 그래프가 주어집니다.

(아래 그래프에 소자별 민감한 빛 파장 그래프가 나오네요)

http://www.direct-token.com/en/resistors/resistors-cds.htm

여기까지가 아주 싸고 성능은 그닥 좋지 않은 광센서의 예를 들어본 것입니다.

위 광저항 소자의 문제는 반응이 느리다는 것이며, 광에 대한 해상도가 그다지 좋지 않다는 것입니다.

(해상도는 빛의 세기에 대한 출력 변화가 얼마나 정확한가 등에 대한 것입니다)

이것은 그냥 일반적으로 '광'을 감지한다는 내용에 대한 것입니다.

2. Quantum과 Photon 관계

그러면 이제 Single Photon Detector 에 대해서 알아보겠습니다만,

그 전에,

Single Photon이라는 것은 무엇일까요? 그리고 이것은 퀀텀(Quantum) 기술과 무슨 관계가 있을까요?

빛은 보통 물질이 아닌 것으로 생각되지만 물질의 성질도 가지고 있다고 하고,

빛의 경우 에너지라고 생각하면 우리 그냥 느낌으로는 continuous 한 양이라 생각되지만,

실제 알고 보니 빛이 어떤 불연속적인(discrete) 에너지를 전달한다는 것을 알아냈습니다.

마치 빛이 알갱이가 있어서, 최소 단위가 있는 것처럼 말이죠.

https://en.wikipedia.org/wiki/Photon

위 Wikipedia 페이지 중간 문구를 한 개 인용하면,

• Einstein introduced the idea that light itself is made of discrete units of energy.

위와 같은 내용으로 인해서 전자기 현상을 포함한 에너지에 관련된 모든 것에는 어떤 단위가 존재하며, 그 최소 단위를 Quantum(퀀텀)이라고 합니다.

빛에 있어서 이 최소 단위를 Photon이라고 부릅니다. 따라서, Photon은 빛의 Quantum인 것이죠.

죄송합니다. 머리 아픈 얘기를 했네요.

최근 퀀텀에 대한 내용이 스물스물 나오고 있습니다.

제가 반도체 쪽에 관심이 있다 보니, 반도체 쪽 동향을 가끔씩 확인하고 있는데요,

최근 어느 순간부터 퀀텀에 대한 카테고리가 만들어져 있었습니다.

반도체와 퀀텀에 대한 내용 중에서 가장 큰 흐름은 아무래도 양자컴퓨팅의 상용화인 것 같습니다.

한 예로, 이번 22년7월 추가 펀딩을 받은 네덜란드 기업인 QuixQuantum인데, 앞으로 몇 년 지나면 뭔가 나올 것 같네요.

홈페이지에 본인들이 Article 소개한 가장 최신 문서를 링크합니다.

(여기에서도 '광'을 이용한 회로를 만들고 있습니다)

https://arxiv.org/abs/2204.05768

또한, 양자컴퓨팅이 상용화로 다가갈수록 기존 완전무결하다고 생각했던 암호화에 대한 해킹이 가능하여

이에 대한 대비로 퀀텀 RNG (Random Number Generation)에 대한 적용이 떠오르고 있습니다.

우리 SKT에서도 갤럭시 Quantum 시리즈에 이러한 QRNG 칩을 제공하여 보안을 강화하고 있는데요,

대부분 이러한 기술이 왜 중요한 것인지 와닿지 않으실 수 있겠지만, 조금씩 그 중요도가 인지되는 상황이라고 생각합니다.

3. SPAD - Single Photon Avalanche Diode

(1) Introduction

어쨌던 간에, 그럼 이제 이 Photon이라는 것이 심지어 에너지와 전자기적인 최소 입자와 동등하므로,

이것을 측정할 수 있고, 모니터링할 수 있는지에 대한 연구가 진행되어 선택된 소자가 바로 PhotoDiode 입니다.

PhotoDiode는 위에 제가 소개한 PhotoResistor와는 다른 반도체 소자인데,

여기에도 종류가 많겠지만, 우선적으로 이것은 그냥 다이오드(diode) 입니다.

어렵지 않게 생각해보면 다이오드는 일반적으로 +, - 전기를 제대로(순방향) 걸어주면 도체가 되고 거꾸로 걸면(역방향) 부도체가 됩니다.

그러니까 일반적인 동작을 하는 다이오드인데, 빛이 들어오면 전기적인 특성이 바뀌는 다이오드이겠죠.

그 바뀐 특성을 가지고 광을 검출하는데, 사용하는 것이구요.

그럼 모든 PhotoDiode는 퀀텀을, 아니 Photon을 검출할 수 있을까요?

그냥 언뜻 생각해봐도 Photon이란게 광의 최소 입자니까, 일반적으로 물이라면 분자 정도로 작지 않을까요?

그럼 엄청나게 작은 양인데, 이걸 검출한다는 것이 그닥 쉽지 않게 생각됩니다.

이런 필요성에 의해서 발견되어 사용하게 된 것이 SPAD 라는 소자입니다.

SPAD : Single Photon Avalanche Diode (단일 광자 애벌런치 다이오드)

- 이것을 곧이곧대로 해석하면, "단일 광자만 닿아도 애벌런치 현상이 일어나도록 만들어진 다이오드"라고 보시면 됩니다.

https://en.wikipedia.org/wiki/Single-photon_avalanche_diode

위에서 더 정보를 찾아보실 수 있습니다.

(2) 기본 동작 개념

최대한 쉽게 해당 다이오드, SPAD의 동작을 설명해 보겠습니다.

다이오드는 원래 역방향 전압을 걸어주면 부도체가 됩니다.

다른 말로 표현하면, 예를 들어 10V를 걸어주면 10V가 그냥 걸려 있습니다.

이러한 이유는 전류가 흐르지 않아서 인데요,

그럼 1000V를 걸어줘도 1000V가 걸려있냐 하면, 너무 세니까 그렇지는 않겠죠.

다이오드 역방향 전압에는 내구 전압이 있어서, 일정한 전압 이상에서는 그냥 도체처럼 전기가 통하는 성질이 있습니다.

이 전압을 Avalanche Breakdown Voltage라고 부릅니다.

뭐.... 굳이 해석하자면, 산사태와 같이 무너져 내리는 전압이라고 하지만 왠지 좀 표현이 억지스럽네요...

하지만, 이 이상의 전압에서 계속 사용하면 다이오드 소자가 망가질 확률이 높습니다.

암튼 모든 다이오드들은 이러한 Breakdown Voltage가 있습니다.

심지어 이러한 Breakdown Voltage를 이용해서 일정한 전압을 만드는 다이오드도 있습니다.

마치 물이 용기에 넘치도록 만들어서 아무리 물을 부어도 용기 이상의 물이 모이지는 못하도록 만드는 느낌이랄까요?

이름은 Zenor Diode 인데요, 아래와 같은 그래프처럼 이용하는 것입니다.

Current-voltage characteristic of a Zener diode with a breakdown voltage of 3.4 V.

https://en.wikipedia.org/wiki/Zener_diode

약간 옆길로 새서 죄송합니다만, 나름 이해에 도움이 되지 않을까 생각했습니다.

이러한 Breakdown Voltage 부근의 전압을 걸어주면 어떨까요?

그러면, 다이오드는 부도체가 되어 전압이 걸린 채로 전류는 거의 흐르지 않고 멈춰있는 상태가 됩니다.

이 때, 이 다이오드가 광다이오드인 경우 아주 민감하게 광신호에 대해서 동작하는 것을 발견했다고 합니다.

이것을 동작 모드별로 구별한 그림을 한번 보고, SPAD 동작에 대해서 알아보겠습니다.

아래 그림에서 X축 전압은 제가 위 Zenor Diode 그래프에서 역방향 전압으로 주던 부분을 positive 방향으로 바꾼 것입니다.

(역방향 전압이라는 Reverse Bias로 명칭을 주면서 말이죠)

https://www.semanticscholar.org/paper/Controllable-Front-End-Circuit-for-Geiger-Mode-Ameri/fcbe481e7f6a3f25b2ee7f0f7683704631cf6f70

위 그래프에서 보니까 어떠신가요?

광소자로 사용할 경우에 있어서, Y축이 gain이므로 오른쪽으로 갈수록 gain이 커짐을 알 수 있습니다.

이 때의 gain은 빛 에너지 (photon) 입력에 대한 gain이므로, 민감하게 동작하는 것을 원할수록 오른쪽의 모드를 사용하는 것이 낫겠죠?

일반적인 Photo Diode 모드는 Gain 1 정도에서 변하지 않는 것을 알 수 있는데,

역방향 전압인 Reverse Bias를 Breakdown Voltage 근처로 끌어올릴 수록 gain이 커짐을 알 수 있습니다.

따라서, Linear mode 라고 불리는 APD 쪽의 gain은 최대가 대략 10,000 정도 가까이 될 것이고,

가이거 Geiger Mode라고 이름 붙여진 영역의 gain은 큰 쪽에서는 Million 단위 이상이 될 것 같습니다.

APD Linear 모드도 큰 gain 으로 인해 사용 범위가 아주 넓습니다.

다음 실험 결과는 Linear mode와 SPAD Geiger mode 를 각각 사용한 결과에 대한 작은 article 인데요,

결과적으로 비슷한 성능이라는 느낌으로 썼습니다.

https://www.geoweeknews.com/news/single-photon-and-geiger-mode-vs-linear-mode-lidar

결과적으로 비슷한 성능이면 Linear mode가 더 나을 수도 있지 않을까 하는 생각이 들 수도 있는데요,

글의 끝 부분에 나와있는 것처럼, 어떤 모드가 더 낫다는 것 보다는 각자 응용에 따른 사용처가 있다는 결론이다 - 라는 것이 정말 딱 맞는 표현인 것 같습니다.

(3) 가이거 모드 (Geiger Mode) 동작과 Quenching

SPAD는 Geiger Mode에서 동작시킵니다.

이유는 바로 위에서 알아본 바와 같이, gain이 커서 단일 광자인 photon 단위로 측정이 가능하기 때문인데요,

회로를 어떻게 만드는지 알아보겠습니다.

https://www.semanticscholar.org/paper/Development-of-Multi-Pixel-Photon-Counter-%28MPPC%29-Yamamoto-Yamamura/ab4ed92df18d5ef20144b47dfe53822f2b92c3b8

위에서 왼쪽에 있는 그림 1과 같은 모양이 바로 전체적인 회로입니다.

간단하죠?

일단 Vbias에 bias 전압을 걸어줍니다.

전자회로를 잘 모르시더라도, 역방향 마이너스 전압을 걸어주므로

diode는 부도체가 되어 전혀 전류가 흐르지 않게 되며, 전압이 그냥 유지됩니다.

즉, 회로에는 전혀 전류가 흐르지 않는 상태인 것이죠. (아주 미약한 소모 전류는 물론 있습니다)

이 상태에서 분홍색으로 표시된 것처럼 광신호가 들어오게 됩니다.

광신호는 photon의 뭉탱이입니다. 그러면 순간적으로 물이 넘치는 것처럼 전류가 폭포같이 흐르게 됩니다.

이 상황을 Avalanche Breakdown이라고 하는데, 순간적으로 그냥 저항이 0처럼 만들어진 것이라고 보면 됩니다.

문제는 그 다음인데요,

전류가 흐르면 어떻게 될까요?

저항 (quenching resistor)과 다이오드(SPAD)가 직렬로 이루어져 있으니,

전압 분배가 이루어지게 됩니다.

그러니까 만일 저항이 1Mohm 일 경우에 10uA 전류가 갑자기 흐르면,

전압은 저항 곱하기 전류니까....해당 퀜칭 저항에 10V 전압이 걸리겠네요....

그러면, 다이오드 입장에서는 전체 전압에서 10V를 빼앗긴 상황이 되면서,

원래 걸려있던 역방향 bias가 작아집니다.

그럼 결과적으로 걸린 역방향 전압이 작아졌으니,

Breakdown 영역에서 멀리 벗어나 버리는 것이죠. 이러면서 전하들이 빠져나가 안정된 상태로 돌아갑니다.

그럼 자동적으로 다시 부도체가 되어버리면서 저항이 무한대로 올라갑니다.

그러면서 다시 대기 상태로 되는 것이죠.

이 과정을 그림으로 그려 놓은 것이 오른쪽의 그림입니다.

다시 과정을 생각해보면,

- Charge : photon이 감지되어 breakdown voltage 이상으로 순간 올라가는 효과를 가집니다.

- Discharge : 높아진 전압으로 인해 다이오드가 도체가 되면서 전류가 흘러 bias 전압이 낮아집니다.

- Quenching : 찰나의 순간으로 다이오드 부도체 성질이 복귀되면서 빛에 민감하던 상태가 없어집니다.

이렇게 해서 사이클이 지나고 원래의 상태로 돌아옵니다.

이 때의 상황을 퀜칭(quenching)이라 하는데, 대장장이가 불에 쇠를 달구어 때리다가 갑자기 물에 넣어 식히는 상태인거죠.

SPAD는 모두 이러한 사이클로 동작을 하게 되는데, 퀜칭(quenching)의 경우 다시 원래 상태로 복귀하는데 시간이 걸립니다.

이 시간을 deadtime이라고 하며, 이 시간동안은 광 입력을 받아도 동작하지 않는 상태가 됩니다.

이러한 quenching 모드를 passive quenching 모드라고 하며,

이유는 자체적인 저항으로 bias를 떨어뜨려 quenching이 자연스럽게 수동적으로 일어나서 입니다.

이에 비해서, bias 전압을 Geiger mode로 동작하도록 일정 시간 넣어주고,

정해진 기간 동안은 bias 전압을 확 낮춰주어, 부분부분 Geiger mode로 동작시키는 모드를 active quenching mode라고 합니다.

SPAD로 동작하는 기간에 bias 전압이 Geiger mode가 되도록 해주는 것인데요,

아래와 같은 참고만 한번 하시구요,

͑ a ͒ Gated quenching circuit and optical setup for Geiger-mode operation. ͑ b ͒ Photocurrent pulses obtained in a 5625 ␮ m 2 area device

https://www.researchgate.net/figure/a-Gated-quenching-circuit-and-optical-setup-for-Geiger-mode-operation-b_fig2_228820155

저는 active quenching 회로를 사용한 적이 없습니다.

그 이유가 무엇일까요?

active quenching은 내가 SPAD를 Geiger mode로 동작시키는 주기적인 정해진 기간 동안에만 광신호를 받겠다는 뜻입니다.

이것을 synchronous 신호라고 부르기도 합니다. 한마디로, 입력되는 시간이 어느 정도 예상이 가능하다는 것이죠.

한데, 제가 사용한 시스템은 빛을 쏴서 언제 반사되어 돌아올 지 모르는 Asynchronous 한 것이었습니다.

따라서, passive quenching 만을 사용 가능한 응용 영역이었던 것이죠.

(4) Quenching에 의한 Deadtime은 SPAD의 단점 중 1가지

한번 생각해보면,

Geiger mode 동작에서는 photon 1개만 들어와도 전기적인 출력이 발생합니다.

상당히 민감한 빛을 탐지할 수 있는 것이죠.

하지만, 탐지하고 나면 일정 기간 동안은 동작을 쉬어야만 합니다.

이것을 송수신기로 사용할 때,

Bitrate를 높게 사용하고자 하면 가능할까요? --> 불가능합니다.

반드시 deadtime 이후에 사용해야 합니다.

Deadtime은 제가 경험한 바로는 100ns 부터 1us 정도 언저리인 것 같습니다.

이것을 극복할 방법이 있을까요?

https://www.researchgate.net/figure/left-SPM-structure-showing-array-of-Geiger-mode-APD-diodes-with-individual-quench_fig6_237447114

위와 같이 SPAD를 병렬로 엄청 많은 숫자를 가지고 만들어(수백) 하나의 SPAD처럼 사용하는 것입니다.

실제로 저렇게 사용할 경우, 꽤 큰 빛이 입력되어도 모든 SPAD가 다 Quenching 되지 않아, 남아 있는 SPAD가 바로 연속적인 동작을 수행합니다.

이것을 SSPM (Solid State Photo Multiplier) 혹은 특별하게 Silicon 공정을 사용하면 SPM (Silicon PhotoMultiplier)라고 합니다.

(5) Dark Current에 의한 신호는 SPAD의 단점 중 또다른 1가지

SPAD는 확실하게 민감하게 동작하므로, 정말 최대로 미세한 광을 검출(detection)하는 데에 최상의 선택이 될 수 있습니다만,

또 다른 하나의 문제는 Dark Count 입니다.

이것은 아주 간단하게 말해서, 빛이 없는데 퀜칭(quenching)이 발생하는 것입니다.

원인은 열에 의한 발생 전자로 인한 breakdown입니다.

이것은 그냥 noise라고 생각해야 합니다.

따라서, 이것을 빈도화 한 것이 SPAD의 사양을 제공할 때에 수치로 제공되며

DCR (Dark Count Rate)라고 부릅니다.

이것을 해결하는 방법은 무엇일까요?

생각보다 여러 가지 방법들이 있기는 합니다.

- 반도체 제작 공정으로 줄이는 노하우가 있어야 합니다.

- 온도를 낮춥니다. (절대 0도까지 줄이면 없어진다고 합니다 - 해서 인공위성과의 광통신을 할 경우 거의 절대 0도까지 내려서 몇백 km 광통신을 하더라구요)

- 여러 번 반복해서 SNR(신호와 잡음의 비율) 을 높입니다 (Dark Count는 random하게 발생하니까요)

(6) After Pulse에 의한 신호는 SPAD의 단점 중 또다른 1가지

또 다른 SPAD의 문제는 after pulse 혹은 after pulsing 입니다.

이것은 반도체 공정이랑 관계있는 내용인데요,

주로 1550nm 대역의 InGaAs 화합물 반도체 공정에서 발생하기 쉬운 defect 영역들에 전자가 멈춰있다가

시간이 지날 때 다시 흐르면서 발생하는 일종의 noise 입니다.

* defect 영역이라 함은, 반도체 공정에서 깨끗하게 가공되지 못하고 불완전한 형태로 층이 형성되는 것을 말합니다.

아까 Dark Current (Dark Count)라는 원치않는 신호는 열전자 때문이었다면,

이 After Pulse는 공정 불순으로 인한 지리적인 위치로 발생할 수밖에 없는 전자의 noise 입니다.

이것은 온도가 낮을수록 더 발생하기 쉽습니다.

따라서, 위에서 문제인 Dark Count (Dark current에 의한)와 trade-off 관계에 있습니다.

4. SPAD - Single Photon Avalanche Diode 의 응용

이러한 방법들로 SPAD를 사용하므로, 실제로 SPAD를 이용해서 회로나 디바이스를 꾸미는 사람은

위의 동작 성질과 장단점을 이용하여 디바이스를 제작하게 되는데요,

제가 2019년부터 SPAD (정확하게는 SSPM 입니다)를 이용하여 LiDAR를 만들 때 필요했던 점들을 적어보겠습니다.

(1) 빛의 파장을 결정

SPAD는 만드는 공정에 따라서 크게 2가지가 많이 사용되는 것 같습니다.

실리콘 공정에서 만드는 SPAD는 값싸고 대량 생산이 가능하며, 실온 사용이 타겟이기 때문에 좋을 것도 같지만,

가장 잘 동작하는 빛의 파장이 600~700nm 부근이라서 가시광선입니다. (붉은 색이 띄게됩니다)

이러할 경우 사람의 눈에 안좋은 영향을 더 많이 줄 수 있다고 합니다. (Eye-Safety 문제)

그래서 사용 가능한 가장 가시광선에서 먼 영역인 900nm 대역을 사용합니다 (905nm 또는 940nm)

현재 아이폰에 들어간 SPAD는 애플이 만들어서 휴대폰용 LiDAR로 사용하고 있습니다만,

워낙 저가로 만들어야 하는 문제가 있어서 이런 저런 제한 사항은 있지만, 그래도 나름 선방하고 있습니다.

제가 사용한 SPAD는 InGaAs 화합물 반도체로 만드는데,

사용하는 파장은 1550nm 입니다. 위의 실리콘 SPAD보다 파장이 길죠.

당연히 적외선 좀 먼 파장 대역이라서, 동일 출력에서 사람 눈에 덜 해롭다고 합니다.

또한 장파장이 가지는 이점들이 있는데, 미세 장애물 (안개 등)에 강하다고 합니다.

또한 광섬유로 통신하는 경우 손실이 적어서 광통신에 사용되는 것은 이 1550nm 파장입니다.

하지만, 화합물 반도체는 엄청나게 제작 비용이 높습니다.

그래서 비쌉니다ㅜㅜ

(2) 동작 온도를 결정

위에서 noise인 Dark Count가 발생한다고 했는데, 줄이는 방법은 온도를 낮추는 것이었습니다.

따라서, 응용 분야에 따라서 온도를 결정해야 합니다.

온도는 어떻게 결정할까요?

저도 처음 이 분야에 경험을 시작하면서 이게 제일 궁금했습니다.

어떤 곳에서는 -40도에 사용한다고 하고, 제 분야에서는 -20도로 결정되었으니까요.

누군가 그런 얘기를 했습니다.

- 자동차에 라이다(LiDAR)를 달아야 하는데, 자동차 여름에 실내 온도가 80도까지 막 올라갑니다.

- 그런데 어떻게 온도를 -20도로 만들어서 사용한다는 겁니까?

저도 그 얘기를 듣고 정말 말도 안된다고 생각했습니다.

한데, 그게 가능하더군요.

이유는 SPAD 크기 때문이었습니다.

SPAD(SSPM)의 크기가 가로세로 각각 1~2mm 정도입니다.

반도체 영역은 더 작습니다. um 단위이죠.

해당 부분만 만일 -20도로 낮추는 무언가 소자가 있으면 가능한 것이었습니다.

LiDAR 디바이스 전체를 -20도로 낮추는 것이 아니라는 것이죠.

해당 소자는 전류를 낮은 온도로 바꾸는 장치였는데,

내가 실현 가능한 소모 전류를 결정하고, 외부 온도 설정한 후에

해당 소모 전류를 가지고 낮출 수 있는 최대 온도를 정하면 되는 것이었습니다.

그렇게 해서 정해진 것이 1A 정도 소모해서 -20도로 결정된 것이었죠.

물론 다른 이유도 있었겠죠. 모든 것이 한 가지 이유만으로 결정되지는 않으니까요...

(3) 광원 (보통 Laser 사용) 사양 결정

보통 광통신에서는 Laser를 사용합니다.

그 이유는 Laser가 빛이 확산이 거의 없고, 직진성? 뭐 그런게 있어서 입니다.

그냥 레이저라는 단어로 생각해보면 느낌이

몸에 맞으면 구멍이 뚫려서 죽을 것 같은 생각이 들죠.

저도 그렇게 생각했으니까요.

근데, 출력을 적당하게 조절하면 그렇게 세지 않더라구요.

통신용 레이저라는 것이 적당한 출력으로 적당하게 사용되더라구요.

(물론 약간 지방 공업지역 가면 철판 레이저 절단 뭐 이런 간판이 있는데, 그건 상당히 고출력 레이저라고 합니다)

SPAD는 어떤 소자인가 하면,

정말 민감한 광 디텍터입니다. 그러니까 오히려 센 빛을 송신기에서 사용할 경우 더 안좋겠죠.

딱 통신이 될 만큼만 사용해야 합니다.

그래서, 보통 pulse로 빛을 쏩니다.

제가 사용한 pulse의 두께는 약 2ns 내외 정도입니다.

그러면 빛이 좀 세더라도 그 짧은 시간에 나가는 빛의 총량은 그다지 많은 것은 아닙니다.

물론 바로 들어오면 좀 세긴 하겠지만, 일반적으로 공간에 발사되어 다시 수신되기 때문에 감쇄됩니다.

(4) 회로 검증

모든 주변 환경의 설계가 끝났습니다.

온도도 결정되었고, 사용할 파장이 결정되어 그에 맞는 송수신 레이저와 SPAD가 결정되었습니다.

그러면, 만든 Single Photon Detector가 제대로 동작하는 지 검증해야 합니다.

검증하는 방법에서 가장 중요한 것이 뭘까요?

만든 Detector 이름이 Single Photon Detector 입니다.

당연히 하나의 Photon이 검출되는지 확인해야 이걸 그 이름을 사용할 수 있겠죠...

이 과정을 Photon Number Resolving이라고 합니다.

1, 2개 정도의 photon이 구분되어 검출되는지 보는 작업입니다.

광출력을 약하게 해서 계속 발사하면서

검출되는 에너지가 single photon인 경우가 발생하는지 확인합니다.

아래와 같이 해당 에너지가 검출되는 것을 확인하고 single, 2 photon 이 구분되는 것을 확인하면

쓸모가 있는 회로가 만들어졌다고 판단하고 사용하게 됩니다.

위의 그림이 전반적인 실험에서 single photon detection 이 되는지 알아본 실험 결과입니다.

노란색 파형이 Single photon detector에서 출력하는 파형이며,

하늘색 세로로 칠해진 모양이 바로 파형의 peak 누적 결과입니다.

파형이 대부분 어디에 있나요?

맨 아래 0V 에 대부분 모이게 됩니다.

근데, 우리가 계산한 바에 의하면 9mV 정도가 1 photon , 즉 single photon에 의한 출력인데

해당 9mV 언저리에서 파형의 peak가 누적됨을 알 수 있습니다. (하늘색에서 밑에서 두번째 모인 뾰족한 부분)

이것으로 single photon detection이 되었다고 판단합니다.

혹시나,

왜 깔끔하게 9mV 에서만 누적되지 않고, 저런 두께감이 있는 그래프가 그려지는지 궁금하신 분이 계시다면,

퀀텀쪽으로 직관이 있으신 분이라고 생각됩니다.

5. 맺음말

어떻게 보면 편하게 읽어야 할 블로그가 너무 길어지고 지겹고,

심지어 별로 궁금하지도 않은데 너무 어렵기만 해서 죄송하게 생각하고 있습니다.

지금까지

왜 퀀텀 기술이 단일 광자 검출과 밀접한 관계가 있는지 아주 대략적으로 알아봤습니다.

또한 단일 광자 검출에 필요한 소자인 SPAD diode에 대해서 정리해 보았으며,

해당 SPAD로 어떠한 회로를 구성해야 실제 응용에 사용할 수 있는지,

실제로 사용할 때 고려할 점은 무엇인지 정도를 알아봤습니다.

제가 그래도 자신있게 말씀드릴 수 있는 것은

필요한 가능한 모든 것을 다 나열하려고 노력했다는 점입니다.

이 분야를 제가 처음 접했을 때에, 누군가 정리해 놓은 것이 없어서 고생했던 것들입니다.

수박 겉핥기식으로 나열했다고 하더라도,

해당 내용에 대해서 추가로 검색하시면 끝없는 나락....아니 퀀텀 센싱의 세계로 자연스럽게 들어가실 수 있을거라 확신합니다.

첫 번째 글을 적고 너무 오래 있다가 적긴 하였지만,

제가 다음에 또 글을 쓸 적에는

이 아날로그 세계에서, 어떻게 디지털의 세계로 넘어가게 되었는지를 적을 것 같습니다.

해당 내용에는 아날로그 신호를 quantization 하는 것,

특정 hardware 설계하여 실시간으로 신호처리 하는 것,

어떻게 최종적인 결과를 얻었는 지에 대한 내용들이 나올 것 같습니다.

혹시라도 궁금하신 점이나 수정해야 할 내용이 있으시면,

댓글 남겨주세요~

감사합니다.