100ps 펄스의 기본 물리적 특성

 

100피코초(ps, picosecond) 펄스는 나노초(nanosecond)보다 훨씬 짧고 펨토초(femtosecond)보다는 긴 초고속 광신호로, 전자기파의 시간·주파수 해상도가 모두 뛰어난 특성을 가지며, 양자통신, 고속 측정, 생체 이미징, 반도체 계측, 비선형 광학 등 다양한 첨단 기술 영역에서 핵심적으로 활용됩니다.

 

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🔷 1. 100ps 펄스의 기본 물리적 특성

항목 설명

시간 폭	100 ps = 0.1 ns = 1 × 10⁻¹⁰ s
대역폭	주파수 대역폭 약 10 GHz 이상 (Fourier 변환에 따른 시간-주파수 상보성)
광 펄스 에너지	수 pJ ~ 수 nJ (응용에 따라)
생성 방식	E/O 변조기, 펄스 레이저(MOPA, mode-locking), 고속 스위칭 회로

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🔷 2. 100ps 펄스의 주요 용도 및 응용 분야

✅ (1) 양자통신 (Quantum Communication)

• QKD 시스템의 광 펄스 소스
  • 위상 qubit 인코딩을 위한 시간 정밀 제어
  • BB84, DPS-QKD, QDS 등에서 단일광자 수준의 펄스 생성
  • 예) 1 GHz 이상 반복율의 weak coherent pulse (WCP)

✅ (2) 고속 통신 시스템

• 고속 디지털 광통신 신호 생성
  • 10~40 Gbps NRZ/PAM-4 신호 생성에 대응
  • Coherent 시스템에서 I/Q 채널 신호 샘플링

✅ (3) 광펄스 레이저 및 비선형 광학

• 비선형 매질에서의 SHG, SPM, FWM 등의 활성화
  • 펄스폭이 짧을수록 피크 전력이 높아짐
  • 비선형 현상을 유도하기 위한 조건 충족

✅ (4) ToF 거리 측정 및 3D 라이다

• 펄스 폭 100ps = 거리 해상도 약 1.5 cmΔd=c⋅Δt2=3×108⋅100×10−122=1.5 cm\Delta d = \frac{c \cdot \Delta t}{2} = \frac{3 \times 10^8 \cdot 100 \times 10^{-12}}{2} = 1.5\,\text{cm}
• 고해상도 Time-of-Flight (ToF) 센서, LiDAR, UWB radar 등에 적용

✅ (5) 생체 광영상 및 계측

• Time-Resolved Fluorescence (TRF), FLIM (Fluorescence Lifetime Imaging)
  • 생체 조직 내 형광물질의 수명 측정을 위한 펄스 소스
• Time-Correlated Single Photon Counting (TCSPC) 시스템에 사용

✅ (6) 반도체/재료 계측

• 초고속 반도체 디바이스 특성 분석
  • 샘플링 오실로스코프, 고속 트랜지스터 스위칭 특성 측정
• 펄스 반사율 측정, 박막의 광학 두께 측정 등

✅ (7) 광자 기반 컴퓨팅 및 칩-스케일 광 회로

• 100ps 수준의 광 펄스는 **포토닉 집적 회로(PIC)**의 시간 해상도에 적합
• Optical switching, pulse shaping, on-chip MZI 동작 등

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🔶 3. 100ps 펄스를 위한 구성 요소 예시

구성 요소 역할 설명

DFB / ECL 레이저	광원	좁은 선폭의 고안정 레이저
EOM (LiNbO₃)	펄스 생성	10~40 GHz 변조 가능
AWG / PRBS	디지털 신호 발생기	펄스 패턴 제어
High-speed PD	검출기	GHz급 응답 속도 필요
TDC / TCSPC	시간 측정	sub-ns ~ ps 단위 해상도 필요

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📌 요약: 100ps 펄스 응용 키워드

• ✅ QKD 광소스
• ✅ 10–40 Gbps 통신 신호
• ✅ 1.5 cm 거리해상도 ToF
• ✅ TCSPC 기반 생체 형광 이미지
• ✅ 비선형 광학 및 펄스 레이저
• ✅ 광자 칩 기반 논리 연산

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