KR20150054542A - 광대역 파장 가변광원 시스템 및 이를 적용한 장치 - Google Patents

광대역 파장 가변광원 시스템 및 이를 적용한 장치 Download PDF

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Abstract

광대역 파장 가변광원 시스템 및 이를 적용한 장치가 개시된다. 개시된 광대역 파장 가변광원 시스템은, 광의 유도 방출과 증폭을 이용하여 서로 다른 중심 파장을 갖는 광을 방출하는 복수의 이득매질, 복수의 이득매질을 병렬로 연결시키고, 복수의 이득매질에서 방출된 광을 공진시키는 제1광 발생부, 복수의 이득매질에서 방출된 광의 파장을 가변(sweep)하며 분광학적 광경로를 보완하도록 마련된 파장 가변 필터부, 제1광 발생부와 파장 가변 필터부를 직렬로 연결시켜 파장 가변 필터로부터의 파장 가변광을 상기 복수의 이득매질로 피드백시키는 제2광 발생부, 및 복수의 이득매질에 의해 생성되는 복수의 파장 가변광을 결합시켜 하나의 파장 가변광으로 출력시키는 결합부, 상기 복수의 이득매질 각각에 인가되는 전류를 제어하는 제어부를 포함한다.

Description

광대역 파장 가변광원 시스템 및 이를 적용한 장치{Broadband wavelength swept light source system and apparatus employing the same}
광원 시스템 및 이를 적용한 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 광대역 파장 가변광원 시스템 및 이를 적용한 장치에 관한 것이다.
광은 바이오 분야 및 의료 분야에서, 조직 및 세포의 관찰, 병의 진단 등에 다양하게 활용되고 있다.
특히, 의료 분야에서, 광의 특성을 이용하면, 인체를 직접 절개하지 않고 인체 내부 구조를 관찰할 수 있으므로, 각종 질병의 원인과 위치 및 진행 과정 등을 쉽고 안정하게 파악할 수 있다. 광원 기술 발달에 따라, 광 투과 깊이 등이 개선되어, 실시간으로 살아있는 조직 또는 세포의 단층 영상을 획득하는 분야에도 적용되고 있다.
생체 조직을 보다 졍확하게 식별하기 위해서는, 고분해능의 OCT(Optical Coherence Tomography) 시스템을 필요로 한다. 고분해능의 영상을 얻기 위해서는, 광원의 중심 파장과 대역폭에 의해 결정되는 축 방향 분해능(axial resolution)과 렌즈 설계로 결정되는 행 방향 분해능(lateral resolution)을 향상시켜야 한다.
고분해능의 영상을 얻기 위한 광원으로 사용될 수 있는 광대역 파장 가변광원 시스템 및 이를 적용한 장치를 제공한다.
본 발명의 실시예에 따른 광대역 파장 가변광원 시스템은, 광의 유도 방출과 증폭을 이용하여 서로 다른 중심 파장을 갖는 광을 방출하는 복수의 이득매질(gain medium); 상기 복수의 이득매질을 병렬로 연결시키고, 상기 복수의 이득매질에서 광을 방출시키는 제1광 발생부; 상기 복수의 이득매질에서 방출된 광의 파장을 가변(sweep)하며, 분광학적 광경로를 보완하도록 마련된 파장 가변 필터부; 상기 제1광 발생부와 상기 파장 가변 필터부를 직렬로 연결시켜, 상기 파장 가변 필터로부터의 파장 가변광을 상기 복수의 이득매질로 피드백시키는 제2광 발생부; 및 상기 복수의 이득매질에 의해 생성되는 복수의 파장 가변광을 결합시켜 하나의 파장 가변광으로 출력시키는 결합부; 상기 복수의 이득매질 각각에 인가되는 전류의 크기 및 전류의 온/오프 시점 중 적어도 어느 하나를 제어함으로써 각 이득매질에서 피드백에 의해 얻어지는 파장 가변광의 출력 크기와 파장 영역을 제어하는 제어부;를 포함한다.
상기 파장 가변 필터부는, 상기 복수의 이득매질에서 방출된 광을 파장에 따라 분광하는 분광기와; 상기 분광된 광을 전달하여 포커싱하는 릴레이 렌즈부와; 상기 릴레이 렌즈부에 의해 포커싱되는 광을 반사시키는 폴리곤 미러와; 상기 폴리곤 미러에 의해 반사된 광을 폴리곤 미러로 되반사시켜 파장 가변광을 상기 복수의 이득매질로 피드백시키는 복수의 반사 미러;를 포함한다.
상기 복수의 반사 미러는, 분광학적 광경로를 보완하도록 배치될 수 있다.
상기 복수의 반사 미러는 각각, 분광학적 광경로에 따른 광경로 길이 차이를 보완하여 시간축 상에서 복수의 이득매질에서의 파장 가변광의 발진 순서를 조정하도록 상기 폴리곤 미러로부터의 거리가 조정될 수 있다.
상기 분광기는 반사형 회절 격자일 수 있다.
상기 복수의 이득매질 중 적어도 어느 하나에서 발생된 광의 공진 경로 상에 광경로 길이를 조정하는 지연기;를 더 포함할 수 있다.
상기 제어부는, 상기 복수의 이득매질에서 차례로 파장 가변이 이루어지도록 상기 복수의 이득매질에 인가되는 전류를 제어할 수 있다.
상기 파장 가변 필터부의 가변율과 상기 복수의 이득매질에 인가되는 전류가 동기화될 수 있다.
상기 결합된 파장 가변광으로부터 소정 파장 영역의 광신호를 추출하는 광신호 추출부와; 상기 추출된 광신호에 기초하여 복수의 이득매질의 광을 유도 방출하고 증폭하는 동작과 파장 가변 필터부의 파장을 가변하는 동작을 동기화 하기 위한 동기신호를 생성하는 동기신호 생성부;를 더 포함하며, 상기 제어부는 상기 동기신호에 기초하여 상기 복수의 이득매질에 인가되는 전류와 파장 가변 필터부의 제어신호를 생성하여, 상기 복수의 이득매질 및 파장 가변 필터부를 제어할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 광 간섭성 단층 촬영 장치는 상기한 광대역 파장 가변광원 시스템을 구비할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 고분해능의 영상을 얻기 위한 광원으로 사용될 수 있는 광대역 파장 가변광원 시스템이 얻어질 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 광대역 파장 가변광원 시스템의 광학적 구성을 개략적으로 보여준다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 광대역 파장 가변광원 시스템의 전체 구조를 개략적으로 보여준다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 광대역 파장 가변광원 시스템의 광학적 구성을 개략적으로 보여준다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 광대역 파장 가변광원시스템에서의 파장 스펙트럼 및 시간축 상에서의 스펙트럼의 위치를 보여준다.
도 5는 비교예로서, 파장 가변 필터부를 분광학적 광경로에 따른 길이 차이를 보완하도록 마련하지 않은 경우, 파장 스펙트럼 및 시간축 상에서의 스펙트럼의 위치를 보여준다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 광대역 파장 가변광원 시스템의 전체 구조를 개략적으로 보여준다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 광대역 파장 가변광원 시스템을 적용한 장치의 예로서, 광 간섭성 단층 촬영 장치(OCT: optical coherence tomograph apparatus)를 개략적으로 보여준다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하면서, 본 발명의 실시예에 따른 광대역 파장 가변광원 시스템 및 이를 적용한 장치를 상세히 설명한다. 도면에서 동일한 참조번호는 동일한 구성 요소를 지칭하며, 각 구성 요소의 크기나 두께는 설명의 편의를 위해 과장되어 있을 수 있다. 한편, 이하에 설명되는 실시예는 단지 예시적인 것에 불과하며, 이러한 실시예들로부터 다양한 변형이 가능하다.
본 발명의 실시예에 따른 광대역 파장 가변광원 시스템은, 광의 유도 방출(stimulated emission)과 증폭을 이용하여 서로 다른 중심 파장을 갖는 광을 방출하는 복수의 이득매질(gain medium), 이 복수의 이득매질에서 방출된 광의 파장을 가변(sweep)하며 분광학적 광경로를 보완하도록 마련된 파장 가변 필터(wavelength-swept filter)부를 포함하며, 이 파장 가변 필터부에 의해 파장 가변광이 복수의 이득매질로 피드백되며, 복수의 이득매질에 의해 생성되는 복수의 파장 가변광을 결합시켜 하나의 파장 가변광으로 출력하도록 마련된다. 파장 가변 필터부는 폴리곤 미러 기반 파장 가변 필터로서 구성되는 것으로, 분광학적 광경로를 보완하도록 배치된 복수의 반사 미러를 더 포함한다. 이 복수의 반사 미러는, 분광학적 광경로에 따른 광경로 길이 차이를 보완하여 시간축 상에서 복수의 이득매질에서의 파장 가변광의 발진 순서를 조정하도록 상기 폴리곤 미러로부터의 거리가 조정될 수 있다. 상기 복수의 이득매질의 개수 및 복수의 반사 미러의 개수는 동일하거나 서로 다를 수 있다. 이하에서는, 복수의 이득매질이 제1 및 제2이득매질을 포함하며, 복수의 반사 미러가 제1 및 제2반사 미러를 포함하는 경우를 예를 들어 설명하지만, 본 발명의 실시예가 이에 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 광대역 파장 가변광원 시스템의 광학적 구성을 개략적으로 보여준다. 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 광대역 파장 가변광원 시스템의 전체 구조를 개략적으로 보여준다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 광대역 파장 가변광원 시스템은, 제1 및 제2이득매질(10)(20)과, 제1 및 제2이득매질(10)(20)에서 광을 발생시키는 제1광 발생부(light source part:30)와, 파장 가변 필터부(wavelength-swept filter unit:100)와, 상기 파장 가변 필터부(100)로부터의 파장 가변광을 상기 제1 및 제2이득매질(10)(20)로 피드백시키는 제2광 발생부(40)와, 상기 제1 및 제2이득매질(10)(20)에 의해 생성되는 제1 및 제2파장 가변광(60)을 결합시켜 하나의 제3파장 가변광(70)으로 출력시키는 결합부를 포함한다. 상기 제1 및 제2이득매질(10)(20), 파장 가변 필터부(100) 등은 제어부(200)에 의해 제어될 수 있다.
상기 제1 및 제2이득매질(10)(20)은 광의 유도방출(stimulated emission)과 증폭을 이용하여, 서로 다른 중심 파장을 갖는 광을 유도방출 하고, 방출된 광을 증폭하도록 마련된다. 상기 제1 및 제2이득매질(10)(20)에서 방출되는 광의 파장은 매질의 특성에 따라 결정될 수 있다. 상기 제1 및 제2이득매질(10)(20) 중 적어도 어느 하나로는 예를 들어, 반도체 광 증폭기(SOA:Semiconductor Optical Amplifier)가 사용될 수 있다. 도 1에서는 제1이득매질(10), 제2이득매질(20)로 각각 반도체 광 증폭기(SOA1)(SOA2)를 사용한 경우를 예시한다. 상기 제1 및 제2이득매질(10)(20)로는 반도체 광 증폭기 이외에도, 인가되는 전류에 의하여 방출되는 광의 출력 크기와 파장 영역이 제어되는 다양한 이득매질을 사용할 수 있다.
여기서, 제1이득매질(10)에서 생성되는 제1파장 가변광(50)의 파장 영역 및 중심 파장은 제1이득매질(10)의 특성에 따라 결정된다. 또한, 제2이득매질(20)에서 생성되는 제2파장 가변광(60)의 파장 영역 및 중심 파장은 제2이득매질(20)의 특성에 따라 결정된다. 그러므로, 제2이득매질(20)에 제1이득매질(10)과 다른 특성을 갖는 이득매질을 사용함으로써, 제2파장 가변광(60)의 중심 파장은 제1파장 가변광(50)과 다른 중심파장을 갖는다. 예를 들면, 제1이득매질(10)은 중심파장 1.2 ㎛의 quantum dot SOA를 사용할 수 있으며, 제2이득매질(20)은 중심파장 1.3 ㎛의 quantum well SOA를 사용할 수 있으며, 본 발명의 실시예가 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 제1이득매질(10)과 제2이득매질(20)은 제1광 발생부(30)에 의해 병렬로 연결된다. 상기 제1이득매질(10)과 제2이득매질(20)은 각각 제2광 발생부(40)에 의해 파장 가변 필터부(100)와 직렬로 연결된다. 이러한 병렬 및 직렬 연결을 위해 제1광 발생부(30)와 제2광 발생부(40) 사이에는 제1커플러(31)와 제2커플러(35)가 배치된다. 또한, 제2광 발생부(40)로부터 광을 파장 가변 필터부(100)로 보내고, 파장 가변 필터부(100)에 의해 파장 가변된 광을 제2광 발생부(40)로 결합시키도록 제2광 발생부(40)과 파장 가변 필터부(100) 사이에 제3커플러(41)가 배치된다. 또한, 제1이득매질(10)에 의해 생성되는 제1파장 가변광(50)과 제2이득매질(20)에 의해 생성되는 제2파장 가변광(60)을 결합하여, 결합된 하나의 제3파장 가변광(70)을 출력하도록, 제2광 발생부(40)의 경로 상에 상기 결합부로서, 제4커플러(45)가 배치된다.
제1이득매질(10), 제1광 발생부(30), 제2커플러(35), 제4커플러(45), 제2광 발생부(40), 제3커플러(41), 파장 가변 필터부(100), 제1커플러(31)를 이용하여 제1이득매질(10)로부터 발생된 광으로부터 제1파장 가변광(50)을 생성할 수 있다.
마찬가지로, 제2이득매질(20), 제1광 발생부(30), 제2커플러(35), 제4커플러(45), 제2광 발생부(40), 제3커플러(41), 파장 가변 필터부(100), 제1커플러(31)를 이용하여 제2이득매질(20)로부터 발생된 광으로부터 제2파장 가변광(60)을 생성할 수 있다.
상기 제1이득매질(10)과 제2이득매질(20)은 제어부(200)로부터 제어되는 펄스 신호에 의해, 펄스 구동이 될 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 광대역 파장 가변광원 시스템은 전체적으로, 제1이득매질(10)에서 발생된 제1파장 가변광(50)과 제2이득매질(20)에서 발생된 제2파장 가변광(60)이 제2커플러(35)를 경유하여 제2광 발생부(40)를 진행할 때, 도 1에 나타낸 바와 같이, 시간차를 가져, 중첩되지 않고, 제4커플러(45)에서 결합되어 출력될 때, 결합된 하나의 제3파장 가변광(70)으로 출력되도록, 상기 제1이득매질(10)과 제2이득매질(20)의 펄스 구동 타임 및 광경로 길이 등이 맞춰질 수 있다.
상기 파장 가변 필터부(100)는, 상기 제1 및 제2이득매질(10)(20)에서 방출된 광의 파장을 가변(sweep)하며 분광학적 광경로를 보완하도록 마련될 수 있다. 아울러, 상기 파장 가변 필터부(100)는, 광경로 길이를 보정하여 제1이득매질(10)과 제2이득매질(20)에서 발생되는 제1파장 가변광(50)과 제2파장 가변광(60)의 시간축 상에서의 발생 순서를 맞출 수 있도록 마련될 수 있다.
상기 파장 가변 필터부(100)는, 예를 들어, 폴리곤 미러(140) 기반 파장 가변 필터로서 구성될 수 있다. 도 1에 예시적으로 보인 바와 같이, 상기 파장 가변 필터부(100)는, 제1 및 제2이득매질(10)(20)에서 방출된 광을 파장에 따라 분광하는 분광기(110)와, 상기 분광된 광을 전달하여, 포커싱하는 릴레이 렌즈부(120)(130)와, 상기 릴레이 렌즈부(120)(130)에 의해 포커싱되는 광을 반사시키는 폴리곤 미러(140)와, 상기 폴리곤 미러(140)에 의해 반사된 광을 폴리곤 미러(140)로 되반사시켜 파장 가변광을 제1 및 제2이득매질(10)(20)로 피드백시키는 제1 및 제2반사 미러(150)(160)를 포함할 수 있다.
상기 분광기(110)로는 예를 들어, 반사형 회절 격자를 사용할 수 있다. 잘 알려져 있는 바와 같이, 회절격자는 파장에 따라 회절 각도가 달라지므로, 소정 파장 대역의 광이 입사될 때, 파장별로 분기될 수 있다. 이러한 분광기(110)에 의해, 제1 및 제2이득매질(10)(20)에서 방출된 광을 파장에 따라 분광할 수 있다.
상기 릴레이 렌즈부(120)(130)는, 상기 분광기(110)에 의해 파장에 따라 분광된 광을 폴리곤 미러(140) 상에 포커싱한다.
상기 폴리곤 미러(140)는 복수의 미러면을 가지는 것으로, 폴리곤 미러(140)를 회전구동하는 동안, 입사광에 대해 미러면이 이루는 각도가 달라지므로, 폴리곤 미러(140)의 미러면에서 반사되는 광은 미러면에 조사되는 위치에 따라 파장 가변(swept)되어 제1반사 미러(150)나 제2반사 미러(160)로 향하게 된다.
상기 제1 및 제2반사 미러(150)(160)는 분광학적 광경로를 보완하도록 배치되어, 폴리곤 미러(140)에 의해 반사되어 입사되는 분광된 광을 폴리곤 미러(140)로 되반사시킨다. 이때, 폴리곤 미러(140)에 의해 반사되어 입사되는 분광된 광의 범위가 넓을 수 있는데, 복수의 반사 미러를 사용하므로, 분광 범위가 넓은 경우에도, 분광된 광을 폴리곤 미러(140)로 되반사시키는 것이 가능하게 된다. 여기서, 이득매질과 반사 미러가 일대일로 댕응되는 것은 아니며, 파장 스펙트럼 범위에 따라 적절히 반사 미러가 사용될 수 있다. 예를 들어, 제1이득매질(10)에서 발생된 광은 제1반사 미러(150) 뿐만 아니라 제2반사 미러(160)에서 일부 반사될 수도 있다. 또한, 제2이득매질(20)에서 발생된 광은 제2반사 미러(160) 뿐만 아니라 제1반사 미러(150)에서 일부 반사될 수도 있다. 또한, 상기 제1 및 제2이득매질(10)(20)에 부가하여 더 많은 수의 이득매질을 적용한 구조인 경우에도, 2개의 반사 미러만을 적용하거나, 반사 미러 수가 추가될 수 있다.
한편, 상기 제1 및 제2반사 미러(150)(160)는, 분광학적 광경로에 따른 광경로 길이 차이를 보완하여 시간축 상에서 제1 및 제2이득매질(10)(20)에서의 파장 가변광의 발진 순서를 조정하도록 상기 폴리곤 미러(140)로부터의 거리가 조정될 수 있다.
상기 제1 및 제2반사 미러(150)(160)에 의해 폴리곤 미러(140)로 되반사된 파장 가변광은 제1 및 제2이득매질(10)(20)로 피드백될 수 있다.
제1광 발생부(30)는 제1이득매질(10) 및 제2이득매질(20)에서 방출된 광을 공진시키면서 이동시킨다. 예를 들면, 제1광 발생부(30)는 적어도 하나 이상의 링 캐비티(ring cavity)로 구성될 수 있다.
제2광 발생부(40)는 파장 가변 필터부(100)에 의해 가변된 파장 가변광을 제1이득매질(10) 및 제2이득매질(20)로 피드백시킨다. 이에 따라, 제2광 발생부(40)는 제1이득매질(10), 제2이득매질(20) 및 파장 가변 필터부(100)를 이용하여 생성된 파장 가변광이 소정의 출력(power)를 가질 때까지 생성된 파장 가변광을 증폭시킨다. 예를 들면, 제2광 발생부(40)는 적어도 하나 이상의 링 캐비티(ring cavity)로 구성될 수 있다.
상기 제1커플러(31)는 파장 가변 필터부(100)에 의해 가변된 파장 가변광들이 제1이득매질(10) 또는 제2이득매질(20)로 피드백되도록 가변된 파장 가변광들을 제1광 발생부(30)(542)로 출력한다. 예를 들면, 제1커플러(31)는 광 커플러(optical coupler) 또는 WDM(Wavelength Division Multiplexing) 소자가 될 수 있다.
상기 제2커플러(35)는 제1이득매질(10) 또는 제2이득매질(20)에 의해 방출된 광을 제2광 발생부(40)로 출력한다. 예를 들면, 제1커플러(31)는 광 커플러(optical coupler)가 될 수 있다.
상기 제3커플러(41)는 제2광 발생부(40)로부터 광을 파장 가변 필터부(100)로 보내고, 파장 가변 필터부(100)에 의해 파장 가변된 광을 제2광 발생부(40)로 결합시키도록 제2광 발생부(40)과 파장 가변 필터부(100) 사이에 배치된다. 상기 제3커플러(41)는 광 커플러(optical coupler) 또는 써큘레이터(circulator) 소자가 될 수 있다.
상기 제4커플러(45)는 제1이득매질(10)에 의해 생성되는 제1파장 가변광(50)과 제2이득매질(20)에 의해 생성되는 제2파장 가변광(60)을 결합하여, 결합된 하나의 제3파장 가변광(70)을 출력한다. 이때, 제3커플러(41)는 제3파장 가변광(70)의 일부를 광 출력장치로부터 출력하거나, 제3파장 가변광(70)의 출력을 증폭하기 위하여 제2광 발생부(40)를 통하여 제1이득매질(10) 또는 제2이득매질(20)로 피드백한다. 예를 들면, 제3커플러(41)는 광 커플러(optical coupler) 소자가 될 수 있다.
상기 제어부(200)는, 상기 제1 및 제2이득매질(10)(20) 각각에 인가되는 전류의 크기 및 전류의 온/오프 시점 중 적어도 어느 하나를 제어함으로써 각 이득매질에서 피드백에 의해 얻어지는 파장 가변광의 출력 크기와 파장 영역을 제어할 수 있다.
전류 신호가 각각 제1이득매질(10)과 제2이득매질(20)에 인가되며, 이 전류 신호에 의해 광의 출력 크기와 파장 영역이 제어된 제1파장 가변광(50)과 제2파장 가변광(60)이 생성된다.
예를 들어, 전류 신호는 제어부(200)에 의해 제1이득매질(10)에 인가된다. 전류 신호가 제1이득매질(10)에 인가되면, 제1이득매질(10)에서는 전류 신호에 의해서 광의 출력 크기와 파장 영역이 제어된 제1파장 가변광(50)이 생성된다. 전류 신호가 온 상태일 때는, 대응되는 파장 영역에서 제1파장 가변광(50)이 출력되고, 전류 신호가 오프 상태일 때는 대응되는 파장 영역에서 제1파장 가변광(50)이 출력되지 않는다. 이에 따라, 도 1 및 도 2에 도시된 제1파장 가변광(50)의 스펙트럼(50)이 획득될 수 있다. 도 2의 스펙트럼(50)을 참조하면, 전류 신호가 오프 상태일 때 대응되는 검은 색으로 채워진 부분의 파장 대역에서는 제1파장 가변광(50)이 출력되지 않는다. 그러므로, 제어부(200)에 의해서 인가되는 전류 신호의 온/오프 시점을 조절함에 따라, 제1이득매질(10)에서 생성되는 제1파장 가변광(50)의 파장 영역을 결정할 수 있다.
한편, 스펙트럼(50)에서 광의 출력 크기는 전류 신호의 크기에 의해 결정된다. 이에 따라, 제어부(200)에 의해 인가되는 전류 신호의 크기를 조절함에 따라, 제1이득매질(10)에 의해 생성되는 제1파장 가변광(50)의 출력 크기를 결정할 수 있다. 도 1 및 도 2에 도시된 스펙트럼(50)은 제1이득매질(10)에 의해 획득될 수 있는 광 스펙트럼의 일 실시예로, 전류 신호의 제어에 의해 도 1 및 도 2에 도시된 스펙트럼(50) 외에 다양한 형태의 스펙트럼이 획득될 수 있다.
마찬가지로, 전류 신호는 제어부(200)에 의해 제2이득매질(20)에 인가된다. 이에 따라 제2이득매질(20)에서는 전류 신호에 의해서 광의 출력 크기와 파장 영역이 제어된 제2파장 가변광(60)이 생성된다. 제1파장 가변광(50)과 마찬가지로, 전류 신호가 온 상태일 때는, 대응되는 파장 영역에서 제2파장 가변광(60)이 출력되고, 전류 신호가 오프 상태일 때는 대응되는 파장 영역에서 제2파장 가변광(60)이 출력되지 않는다.
도 1 및 도 2의 스펙트럼(60)을 참조하면, 전류 신호가 오프 상태일 때 대응되는 검은 색으로 채워진 부분의 파장 대역에서는 제2파장 가변광(60)이 출력되지 않는다. 제1파장 가변광(50)과 마찬가지로, 제어부(200)에 의해서 인가되는 전류 신호의 온/오프 시점을 조절함에 따라, 제2광 생성부에 의해 생성되는 제2파장 가변광(60)의 파장 영역을 결정할 수 있다. 또한, 제어부(200)에 의해 인가되는 전류 신호의 크기를 조절함에 따라, 제2파장 가변광(60)의 출력 크기도 결정할 수 있다. 도 1 및 도 2에 도시된 스펙트럼(60)은 제2이득매질(20)에 의해 획득될 수 있는 광 스펙트럼의 일 실시예로, 전류 신호의 제어에 의해 도 1 및 도 2에 도시된 스펙트럼(60) 외에 다양한 형태의 스펙트럼이 획득될 수 있다.
이와 같이, 상기 제1파장 가변광(50)과 제2파장 가변광(60)은 각각 도 1 및 도 2에 도시된 스펙트럼(50)와 스펙트럼(60)과 같은 형태의 광 스펙트럼을 가질 수 있다. 광의 출력 크기와 파장 영역이 제어된 제1파장 가변광(50)과 제2파장 가변광(60)을 결합하면 스펙트럼(70)과 같은 제3파장 가변광(70)의 광 스펙트럼을 획득할 수 있다.
이때, 파장 가변 필터부(100)가 제1 및 제2반사 미러(150)(160)의 위치 조정에 의해 제1파장 가변광(50)과 제2파장 가변광(60)의 발진 시간 순서를 맞추도록 되어 있으므로, 광대역 제3파장 가변광(70)이 얻어질 뿐만 아니라, 제3파장 가변광(70)을 이루는 제1파장 가변광(50), 제2파장 가변광(60)의 발진 순서 또한 맞출 수 있다. 따라서, 예를 들어, 제1파장 가변광(50)이 상대적으로 단파장 영역, 제2파장 가변광(60)이 상대적으로 장파장 영역일 때, 제3파장 가변광(70)은 제1파장 가변광(50)과 제2파장 가변광(60)이 결합된 스펙트럼을 가지며, 제1파장 가변광(50)에 이어서 제2파장 가변광(60)이 제4커플러(45)를 통과하도록 조정될 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 광대역 파장 가변광원 시스템은, 도 2에 도시된 바와 같이, 광 신호 추출부(250)와 동기 신호 생성부(210)를 더 포함할 수 있다. 도 2에서 참조번호 220은 간섭 광학계(Interferometer)를 나타낸다.
상기 광 신호 추출부(250)는 제1파장 가변광(50) 및 제2파장 가변광(60)이 결합된 제3파장 가변광(70)으로부터 소정의 파장 영역의 광 신호를 추출한다. 광 신호 추출부(250)는 광검출기(PD), 광섬유 브래그 격자(FBG, Fiber Bragg Grating), 서큘레이터(circulator) 등으로 구현될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 이에 한정되는 것은 아니다. 광 신호 추출부(250)는 다양한 소자들로 구현될 수 있다. 광신호는 간섭 광학계(220) 단 앞에서 뺄 수도 있고, 간섭 광학계(220)의 광경로에서도 뺄 수 있다.
동기신호 생성부(210)는 추출된 광 신호에 기초하여 제1이득매질(10) 및 상기 제2이득매질(20)에서 광을 유도 방출하고 증폭하는 동작과 파장 가변 필터부(100) 특히, 폴리곤 미러(140)의 광의 파장을 가변하는 동작을 각각 동기화 하기 위한 동기신호를 생성한다. 이때, 생성되는 동기신호는 TTL 신호가 될 수 있으며, 다른 종류의 신호가 사용될 수도 있다.
이와 같이 광신호 추출부(250) 및 동기 신호 생성부(210)를 더 구비함에 의해, 상기 제어부(200)는 제1이득매질(10) 및 제2이득매질(20)에 각각 인가되는 전류를 제어함으로써 제1파장 가변광(50) 및 제2파장 가변광(60) 각각의 출력 크기와 파장 영역을 제어한다. 또한, 상기 제어부(200)는 동기신호에 기초하여 상기 파장 가변 필터부(100)의 폴리곤 미러(140)의 동작을 제어할 수 있다.
상기와 같이 파장 가변 필터부(100)의 가변율과 제1 및 제2이득매질(10)(20) 인가되는 전류는 동기화될 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 광대역 파장 가변광원 시스템은, 도 3에서와 같이, 상기 제1이득매질(10) 및 제2이득매질(20) 중 적어도 어느 하나에서 발생된 광의 공진 경로 상에 광경로 길이를 조정하는 지연기(80)를 더 포함할 수 있다. 도 3에서와 같이, 지연기(80)를 더 구비하면, 제1 및 제2반사 미러(150)(160)의 위치 조정에 의해, 광경로에 따른 광경로 길이 차이를 보완하여 시간축 상에서 제1 및 제2이득매질(10)(20)의 발진 순서를 조정하는 부담이 조금 완화될 수 있다. 즉, 결합된 제3파장 가변광(70)을 이루는 제1파장 가변광(50) 및 제2파장 가변광(60)의 시간축 상에서 제1 및 제2이득매질(10)(20)의 발진 순서가 제1 및 제2반사 미러(150)(160)의 위치 조정에 더하여, 상기 지연기(80)에 의해 조정될 수 있다.
도 4는 도 1 내지 도 3을 참조로 설명한 본 발명의 실시예에 따른 광대역 파장 가변광원시스템에서의 파장 스펙트럼 및 시간축 상에서의 스펙트럼의 위치를 보여준다.
도 4의 위쪽 그래프에서, 점선은 파장 가변 필터부(100)를 적용하여 파장 가변하기 전 제1이득매질(10)에서 발생된 광의 파장 스펙트럼 및 제2이득매질(20)에서 발생된 광의 파장 스펙트럼을 보여주는 것으로, 2개의 파장 스펙트럼 피크가 존재하여, 서로 중첩되지 않음을 할 수 있다.
도 4의 위쪽 그래프에서, 실선은 파장 가변 필터부(100)를 적용하여 파장 가변하였을 때, 하기 제1이득매질(10)에서 생성된 제1파장 가변광(50) 스펙트럼 및 제2이득매질(20)에서 생성된 제2파장 가변광(60) 스펙트럼을 보여주는 것으로, 2개의 파장 스펙트럼 피크 사이에 중간 발진 피크(C)가 존재함을 할 수 있다. 이로부터, 서로 중심 파장이 다른 제1파장 가변광(50) 및 제2파장 가변광(60)이 결합되어 광대역 제3파장 가변광(70)이 얻어짐을 알 수 있다.
한편, 도 4의 아래쪽 그래프는, 파장 가변 필터부(100)를 분광학적 광경로에 따른 길이 차이를 보완하여 시간축 상에서 제1 및 제2이득매질(10)(20)에서의 제1 및 제2파장 가변광(60)의 발진 순서를 조정하는 경우, 중간 발진 피크(C) 스펙트럼과 제2파장 가변광(60) 스펙트럼(D)가 시간축 상에서도 순서에 변화 없이, 중간 발진 피크(C')와 제2파장 가변광(60) 피크(D')으로 발진됨을 보여준다.
도 5는 비교예로서, 파장 가변 필터부(100)를 분광학적 광경로에 따른 길이 차이를 보완하도록 마련하지 않은 경우, 중간 발진 피크(A) 스펙트럼과 제2파장 가변광(60) 스펙트럼(B)가 시간축 상에서도 순서가 서로 바뀌어, 제2파장 가변광(60) 피크(A')와 중간 발진 피크(B') 순서로 발진됨을 보여준다.
한편, 도 1 내지 도 3에서는 본 발명의 실시예에 따른 광대역 파장 가변광원시스템이 제1 및 제2이득매질(10)(20)을 구비하도록 된 경우를 보여주는데, 이는 예시적인 것으로, 본 발명의 실시예에 따른 광대역 파장 가변광원시스템은 도 6에서와 같이, 제1 및 제2이득매질(10)(20)과 다른 중심 파장을 갖는 광을 방출하는 적어도 하나 이상의 이득매질을 더 포함할 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 광대역 파장 가변광원시스템이 제1이득매질(10), 제2이득매질(20), 제N이득매질(SOA_N:90) 및 하나의 파장 가변 필터부(100)를 구비하는 경우를 보여준다. 도 4에서는 서큘레이터(47)가 결합부로써 기능을 한다. 도 6의 경우, 제1 및 제2광 발생부(30)(40)에 더하여, 추가되는 이득매질의 수에 따라 광 공진부나 커플러가 더 구비될 수 있다. 도 6에서, 참조번호 37은 ), 제N이득매질(90)을 위한 광 공진부를 나타낸다.
이 경우, 제1파장 가변광(50), 제2파장 가변광(60) 및 적어도 하나 이상의 다른 이득매질에 의해 생성되는 파장 가변광을 결합하여 하나의 제3파장 가변광(70)을 출력하고, 제어부(200)는 제1이득매질(10), 제2이득매질(20) 및 적어도 하나 이상의 이득매질에 각각 인가되는 전류의 크기 및 전류의 온/오프 시점 중 적어도 어느 하나를 제어함으로써 각각의 출력 크기와 파장 영역이 제어된 제1파장 가변광(50), 제2파장 가변광(60) 및 적어도 하나 이상의 다른 이득매질에 의해 생성되는 파장 가변광을 결합하여 결합된 하나의 제3파장 가변광(70)을 출력할 수 있다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 광대역 파장 가변광원 시스템을 적용한 장치의 예로서, 광 간섭성 단층 촬영 장치(OCT: optical coherence tomograph apparatus)를 개략적으로 보여준다.
도 7을 참조하면, 광 간섭성 단층 촬영 장치는, 광원 시스템과, 간섭 광학계(Interferometer: 220)와, 영상 신호 처리기(800)를 포함할 수 있다.
상기 광원 시스템으로는 도 1 내지 도 3, 도 6을 참조로 전술한 본 발명의 실시예에 따른 광대역 파장 가변광원 시스템이 적용될 수 있다. 이에 따라, 순간적으로는 좁은 파장 반치폭을 가지지만, 일정 시간 범위로는 광대역의 광을 출력할 수 있다. 도 7에서, A는 광원 시스템에서 출력되는 광이, 파장 가변(wavelength-swept) 및 결합에 따른 광대역 파장 가변광인 것을 나타낸다.
상기 간섭 광학계(220)는 예를 들어, 상기 광원 시스템에서 출력된 광을 측정광 및 참조광으로 분리하는 빔 분리기(610)와, 참조광을 반사시키는 반사 미러(630)와, 입력되는 광신호를 검출하는 검출기(650)를 구비하며, 빔 분리기(610)에 의해 분리된 측정광이 진행하는 쪽에 영상 신호를 획득하고자 하는 대상체(700)가 위치될 수 있다. 상기 빔 분리기(610)와 대상체(700) 사이에는, 측정광을 대상체에 포커싱하도록 포커싱 렌즈(670)가 더 구비될 수 있다. 도 7에서는 간섭 광학계(220)의 광학적 구성의 일예를 보여주는데, 본 발명의 실시예가 이에 한정되는 것은 아니며, 간섭 광학계(220)의 광학적 구성은 다양하게 변형될 수 있다.
상기 간섭 광학계(220)에 의해, 빔 분리기(610)에서 분리된 측정광은 대상체(700)에 조사되며, 대상체(700)에서 반사된 측정광과 상기 반사 미러(630)에 의해 반사된 참조광을 간섭시켜, 검출기(650)에서 검출하게 된다.
상기 영상 신호 처리기(800)는 상기 검출기(650)에서 검출된 간섭 신호를 이용하여, 상기 대상체(700)의 단층 촬영 영상을 생성하게 된다.
10,20…제1 및 제2이득매질 31,35,41,45…제1 내지 제4커플러
50,60…제1 및 제2파장 가변광 70…결합된 제3파장 가변광
100…파장 가변 필터부 110…분광기
120…릴레이 렌즈부 140…폴리곤 미러
150,160…제1 및 제2반사 미러

Claims (11)

  1. 광의 유도 방출과 증폭을 이용하여 서로 다른 중심 파장을 갖는 광을 방출하는 복수의 이득매질(gain medium);
    상기 복수의 이득매질을 병렬로 연결시키고, 상기 복수의 이득매질에서 광을 방출시키는 제1광 발생부;
    상기 복수의 이득매질에서 방출된 광의 파장을 가변(sweep)하며, 분광학적 광경로를 보완하도록 마련된 파장 가변 필터부;
    상기 제1광 발생부와 상기 파장 가변 필터부를 직렬로 연결시켜, 상기 파장 가변 필터로부터의 파장 가변광을 상기 복수의 이득매질로 피드백시키는 제2광 발생부; 및
    상기 복수의 이득매질에 의해 생성되는 복수의 파장 가변광을 결합시켜 하나의 파장 가변광으로 출력시키는 결합부;
    상기 복수의 이득매질 각각에 인가되는 전류의 크기 및 전류의 온/오프 시점 중 적어도 어느 하나를 제어함으로써 각 이득매질에서 피드백에 의해 얻어지는 파장 가변광의 출력 크기와 파장 영역을 제어하는 제어부;를 포함하는 광대역 파장 가변광원 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 파장 가변 필터부는,
    상기 복수의 이득매질에서 방출된 광을 파장에 따라 분광하는 분광기와;
    상기 분광된 광을 전달하여 포커싱하는 릴레이 렌즈부와;
    상기 릴레이 렌즈부에 의해 포커싱되는 광을 반사시키는 폴리곤 미러와;
    상기 폴리곤 미러에 의해 반사된 광을 폴리곤 미러로 되반사시켜 파장 가변광을 상기 복수의 이득매질로 피드백시키는 복수의 반사 미러;를 포함하는 광대역 파장 가변광원 시스템.
  3. 제2항에 있어서, 상기 복수의 반사 미러는, 분광학적 광경로를 보완하도록 배치된 광대역 파장 가변광원 시스템.
  4. 제3항에 있어서, 상기 복수의 반사 미러는 각각, 분광학적 광경로에 따른 광경로 길이 차이를 보완하여 시간축 상에서 복수의 이득매질에서의 파장 가변광의 발진 순서를 조정하도록 상기 폴리곤 미러로부터의 거리가 조정되는 광대역 파장 가변광원 시스템.
  5. 제2항에 있어서, 상기 분광기는 반사형 회절 격자인 광대역 파장 가변광원 시스템.
  6. 제1항에 있어서, 상기 복수의 이득매질 중 적어도 어느 하나에서 발생된 광의 공진 경로 상에 광경로 길이를 조정하는 지연기;를 더 포함하는 광대역 파장 가변광원 시스템.
  7. 제1항에 있어서, 상기 제어부는, 상기 복수의 이득매질에서 차례로 파장 가변이 이루어지도록 상기 복수의 이득매질에 인가되는 전류를 제어하는 광대역 파장 가변광원 시스템.
  8. 제7항에 있어서, 상기 파장 가변 필터부의 가변율과 상기 복수의 이득매질에 인가되는 전류가 동기화되는 광대역 파장 가변광원 시스템.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 결합된 파장 가변광으로부터 소정 파장 영역의 광신호를 추출하는 광신호 추출부와;
    상기 추출된 광신호에 기초하여 복수의 이득매질의 광을 유도 방출하고 증폭하는 동작과 파장 가변 필터부의 파장을 가변하는 동작을 동기화 하기 위한 동기신호를 생성하는 동기신호 생성부;를 더 포함하며,
    상기 제어부는 상기 동기신호에 기초하여 상기 복수의 이득매질에 인가되는 전류와 파장 가변 필터부의 제어신호를 생성하여, 상기 복수의 이득매질 및 파장 가변 필터부를 제어하는 광대역 파장 가변광원시스템.
  10. 청구항 1항 내지 8항 중 어느 한 항의 광대역 파장 가변광원 시스템을 구비하는 광 간섭성 단층 촬영 장치.
  11. 제10항에 있어서, 상기 광대역 파장 가변 시스템은,
    상기 결합된 파장 가변광으로부터 소정 파장 영역의 광신호를 추출하는 광신호 추출부와;
    상기 추출된 광신호에 기초하여 복수의 이득매질의 광을 유도 방출하고 증폭하는 동작과 파장 가변 필터부의 파장을 가변하는 동작을 동기화 하기 위한 동기신호를 생성하는 동기신호 생성부;를 더 포함하며,
    상기 제어부는 상기 동기신호에 기초하여 상기 복수의 이득매질에 인가되는 전류와 파장 가변 필터부의 제어신호를 생성하여, 상기 복수의 이득매질 및 파장 가변 필터부를 제어하는 광 간섭성 단층 촬영 장치.
KR1020130137107A 2013-11-12 2013-11-12 광대역 파장 가변광원 시스템 및 이를 적용한 장치 KR20150054542A (ko)

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