KR100434542B1 - 근접장용 광 프로브 개구 측정장치 및 방법 - Google Patents

근접장용 광 프로브 개구 측정장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

근접장용 광 프로브의 개구측정장치 및 그 측정방법이 개시된다. 개시된 근접장용 광 프로브의 개구측정장치는, 광 프로브에 광을 조사하는 광원과, 광 프로브의 전방에 위치하며 광 프로브를 통과한 광을 수광하여 광 강도를 검출하는 광검출기 및, 광원과 광검출기 사이에 마련되며 광 프로브를 통과한 광을 투과시키는 필터를 구비한다. 광 프로브를 손상시키지 않고 실시간으로 정확히 광 프로브의 개구지름을 측정할 수 있다.

Description

근접장용 광 프로브 개구 측정장치 및 방법{Apparatus of measuring an aperture size of near-field optical probes and method thereof}
본 발명은 근접장용 광 프로브(optical probe)의 개구(aperture) 측정장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 필터(filter)를 사용하여 근접장용 광 프로브의 개구지름을 정확히 측정할 수 있는 측정장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 근접장용 광 프로브는 물질표면의 고분해능 측정장치 또는 초고밀도 기록장치와 같은 근접장 광학 마이크로스코피(microscopy)용 장치에 사용된다.
물질표면의 분해능 측정장치에서, 분해능(R)은 일반적으로 분해할 수 있는 두 점 사이의 거리로 정의되며, 파장(λ)에 비례하고 렌즈 또는 조리개의 개구지름에 반비례하는 수학식 1의 관계식을 가진다.
종래의 파필드(far-field) 광학 마이크로스코피에서는, 광의 파장이 짧아질수록 분해능이 작아져야 하나, 광의 회절로 인해 분해능이 더 이상 작아질 수 없는 한계가 있다. 이러한 종래의 파필드 광학 마이크로스코피의 파장에 의한 회절한계는 근접장 주사 광학 마이크로스코피(NSOM; Near-field scanning optical microscopy, 이하 NSOM이라 함)에서는 나타나지 않아 물질표면의 고분해능 측정장치의 제작이 가능하다.
NSOM에서, 근접장 광학 현미경(Near-field optical microscope)을 사용하여 파장보다 작은 크기, 즉 서브파장(Subwavelength) 크기의 광 프로브의 근접장에 위치하는 샘플의 고분해능 측정을 하기 위해서는 광 프로브 개구의 정확한 크기를 알아야 할 필요가 있다.
NSOM에서 광 프로브의 개구지름은 서브파장(subwavelength)의 크기를 가지며, 즉 파장(λ)이 400-1000nm인 가시광선을 사용하는 근접장 광학 현미경에서 50-300nm 정도의 지름(d)을 가진다. 이와 같은 서브파장 분해능은 샘플이 광 프로브의 근접장에 위치한 경우에 이루어질 수 있다.
종래의 NSOM에서는 광 프로브 개구의 지름을 구하기 위해 SEM(Scanning electron microscope; 주사형 전자 현미경)이나, 측정전용장치(미국특허 제5,663,798호)를 사용한다.
SEM은 전자총에서 생성되는 전자선속을 수 개의 전자렌즈를 사용하여 수 Å에서 수백 Å 지름의 전자선속으로 축소시켜 샘플에 조사한 다음, 샘플에서 방출되는 2차 전자 또는 샘플을 투과한 전자를 검출하여 오실로스코프상에서 시계열적으로 휘도를 변조하여 샘플의 표면을 측정하는 장치이다.
SEM은 정확하게 광 프로브의 개구를 측정할 수 있지만, 장치의 가격이 고가이며 측정시간이 길기 때문에 측정비용이 비싸다.
SEM을 사용하여 광 프로브의 개구 지름을 측정하기 위해서는 부도체인 광 프로브의 끝단에 도전성의 물질을 코팅해야 한다. 코팅이 된 광 프로브를 사용하여 측정을 한 후 측정이 끝난 광 프로브를 근접장 주사 현미경에 사용하면, 광 프로브의 끝단에 형성된 코팅으로 인해 이 근접장 주사 현미경은 성능이 떨어지게 된다. 따라서, SEM으로 측정을 한 광 프로브는 재사용이 어려우므로, 실제 사용되는 광 프로브의 정확한 개구지름을 측정하기가 어렵다.
도 1은 미국특허 제5,663,798호에 개시된 측정장치를 나타낸 도면이다. 도 1을 참조하면, 종래의 광 프로브 개구 측정장치는 광을 조사하는 광원(11)과, 상기 광을 편광시키는 편광기(13)와, 광 프로브(10)를 향해 상기 광을 집속시키는 집속렌즈(15)와, 광 프로브(10)를 통과한 광을 검출기(19)로 집속시키는 선형분석기(17)와, 상기 광을 광전변환하여 신호를 검출하는 광검출기(19)를 구비한다.
종래의 개구 측정장치에서는, 소정 각도에서 광 프로브(10) 개구를 통과한 광을 수광하여 광검출기(19)에서 광 강도에 해당하는 신호를 검출한 다음 상기 신호를 DAU(Data Acquisition Unit; 23)또는 컴퓨터(25)에 전송하여 분석함으로써 개구의 지름을 도출해낸다.
도시된 바와 같이, 종래의 개구 측정장치에는 선형분석기(17)와 광검출기(19)가 장착된 모터(21)가 광 프로브의 끝단을 중심으로 -165°에서 +165°까지 회전하면서 개구를 통과하여 전파되는 광 강도의 파필드에서의 각도에 따른 분포를 측정함으로써 광 프로브의 개구지름을 측정하는 방법을 제안한다.
도 2는 종래의 개구 측정장치를 사용하여 각도에 따른 광 강도의 분포를 나타낸 그래프이다. 도 2를 참조하면, 광원(11)에서 조사되는 광의 파장이 633nm 이며 편광각이 90도인 경우, 개구 지름이 각각 60nm, 380nm, 3.2μm(본 개구 지름은 SEM을 이용하여 미리 측정한 것이다)인 광 프로브를 통과하여 전파되는 광 강도의 파필드 분포는 0도에서 최고 광 강도값이 나타나며, ±180°에 가까워질수록 감소되는 가우션 분포형태를 보이고 있다.
도시된 바와 같이, 개구 지름이 감소될수록 점차 FWHM(Full Width half Maximum)이 넓어지는 것을 알 수 있다. 여기서, FWHM은 최고 광 강도값의 절반의 광 강도값에 해당되는 두 각도 사이의 차를 의미하는 것이다.
도 2를 참조하면, 광 프로브의 개구지름 d(=2a)가 60nm인 경우 FWHM은 광 강도 0.5에 해당하는 두 각도 +60°와 -60°의 차, 즉 120°가 된다. 광 프로브의 개구지름 d(=2a)가 380nm인 경우, FWHM은 같은 원리로 +30°와 -30°의 차, 즉 60°가 된다.
도 2를 참조하여 도 3의 광 프로브의 개구 지름에 따른 FWHM의 그래프를 도시할 수 있다. 도 3에서 (a)는 키르히호프(Kirchoff)의 이론에 따른 그래프이며 (b)는 베스(Bethe)의 한계이론에 따른 그래프이며 (c)는 종래의 측정장치에 의한 그래프이다.
도 2의 그래프를 이용하여 임의의 개구지름을 가지는 광 프로브를 통과한 광의 광 강도 분포로부터 FWHM을 구한 다음, 도 3에서 대응하는 FWHM값을 찾아 광 프로브의 개구 지름을 구할 수 있다.
상기의 종래 개구 측정장치는, 광 프로브의 개구 지름을 측정하기 위해 회전을 하는 별도의 장치를 필요로 한다. 종래의 개구 측정장치는 광 프로브의 개구를 중심으로 회전을 하면서 광 프로브로부터 전파되는 광 강도를 측정하므로, 회전이 정밀하지 않은 경우 개구지름을 정확히 측정하기가 어렵다. 또한, 종래의 개구 측정장치에서는 광 프로브의 끝단을 회전중심에 정확히 위치시키는 것이 어려우므로 개구지름 측정시 에러가 발생하기 쉽다.
더욱이, 종래의 개구 측정장치는 모터를 회전시키면서 복수의 각도에서 측정을 하여 그래프화시켜야 하므로, 측정시간이 길며 측정장치 고유의 측정한계로 인해 λ/6 이하의 개구 지름을 측정하는 것이 어려운 단점이 있다.
따라서, 본 발명이 이루고자하는 기술적 과제는 상술한 종래 기술의 광 프로브 측정장치 및 방법과는 대별되는 것으로서, 광 프로브를 손상시키지 않고 측정을 정확히 할 수 있으며, 제조 및 구성이 간단한 광 프로브 개구 측정장치 및 방법을 제공함에 있다.
도 1은 종래의 광 프로브의 개구측정장치를 나타낸 단면도,
도 2는 종래의 광 프로브의 개구측정장치에서, 각도에 따른 광강도의 분포를 나타낸 그래프,
도 3은 종래의 광 프로브의 개구측정장치에서, 광 프로브의 개구지름에 따른 FWHM을 나타낸 그래프,
도 4는 본 발명의 제1실시예를 개략적으로 나타낸 단면도,
도 5는 본 발명의 제2실시예를 개략적으로 나타낸 단면도,
도 6은 본 발명의 제3실시예를 개략적으로 나타낸 단면도,
도 7은 본 발명의 제3실시예를 이용한 광프로브 개구측정장치를 나타낸 도면,
도 8은 본 발명의 제1실시예에 따른 서로 다른 굴절률을 가지는 매질에서 개구지름에 대한 모드강도의 비를 나타낸 그래프,
도 9는 본 발명의 제1실시예에 따른 서로 다른 모드 필터에서 개구지름에 대한 모드강도의 비를 나타낸 그래프,
도 10은 본 발명의 제2실시예에 따른 모드수에 대한 모드상수를 나타낸 그래프,
도 11은 본 발명의 제2실시예에 따른 개구지름의 비에 대한 모드강도의 비를 나타낸 그래프,
도 12는 본 발명의 제2실시예에 따른 개구지름의 비에 대한 모드강도의 비를 나타낸 그래프,
도 13은 본 발명의 제2실시예에 따른 개구지름에 대한 모드강도의 비를 나타낸 그래프,
도 14는 본 발명의 제2실시예에 따른 개구지름에 대한 모드강도의 비를 나타낸 그래프,
도 15는 본 발명의 제3실시예에 따른 개구 반지름에 대한 광강도의 비를 나타낸 그래프,
도 16은 본 발명의 제3실시예에 따른 광프로브 개구측정장치로 측정한 광프로브를 SEM으로 측정한 도면,
도 17은 본 발명의 제3실시예에 따른 개구지름에 대한 광강도의 비를 나타낸 그래프,
도 18은 본 발명의 제3실시예에 따른 서로 다른 입력 광강도에서, 광 프로브로부터의 거리에 대한 출력 광강도를 나타낸 그래프.
<도면의 주요 부분에 대한 부호설명>
10, 33 : 광 프로브 11, 31 ; 광원
13 : 편광기 15 : 집속렌즈
17 : 선형 분석기 19 : 광검출기
21 : 모터 35a, 35b, 35c : 필터
37 : 광검출기 39... 마스크
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명에서는,근접장용 광 프로브의 개구를 측정하는 장치에 있어서,상기 광 프로브에 광을 조사하는 광원;상기 광 프로브의 전방에 위치하며, 상기 광 프로브를 통과한 광을 수광하여 광 강도를 검출하는 광검출기; 및상기 광원과 상기 광검출기 사이에 마련되며, 상기 광 프로브를 통과한 광 중 베셀 가우스 모드의 광만을 투과시키는 필터;를 구비하는 개구측정장치를 제공한다.본 발명에 있어서, 상기 광 프로브와 상기 필터사이에 배치되며, 굴절률이 균일한 매질을 더 구비하는 것을 특징으로 한다.그리고, 본 발명에서는 근접장용 광 프로브의 개구를 측정하는 장치에 있어서,상기 광 프로브에 광을 조사하는 광원;상기 광 프로브의 전방에 위치하며, 상기 광 프로브를 통과한 광을 수광하여 광 강도를 검출하는 광검출기;상기 광원과 상기 광검출기 사이에 마련되며, 상기 광 프로브를 통과한 광 중 허미트 가우스 모드의 광만을 투과하는 필터; 및상기 광 프로브와 상기 필터 사이에 배치되며, 상기 광을 전송하는 광도파관;을 구비하는 개구측정장치를 제공한다.여기서 상기 광도파관은 그레이디드 인덱스 웨이브 가이드인 것을 특징으로 한다.그리고, 본 발명에서는 근접장용 광 프로브의 개구를 측정하는 장치에 있어서,상기 광 프로브에 광을 조사하는 광원;상기 광 프로브의 전방에 위치하며, 상기 광 프로브를 통과한 광을 수광하여 광 강도를 검출하는 광검출기;상기 광원과 상기 광검출기 사이에 마련되며, 상기 광 프로브를 통과한 광 중 라구에르 가우스 모드의 광만을 투과하는 필터; 및상기 광 프로브와 상기 필터 사이에 배치되며, 상기 광을 전송하는 광도파관;을 구비하는 개구측정장치를 제공한다.본 발명에 있어서, 상기 광도파관은 그레이디드 인덱스 파이버인 것을 특징으로 한다.그리고, 본 발명에서는 근접장용 광 프로브의 개구를 측정하는 장치에 있어서,상기 광 프로브에 광을 조사하는 광원;상기 광 프로브의 전방에 위치하며, 상기 광 프로브를 통과한 광을 수광하여 광 강도를 검출하는 광검출기;상기 광원과 상기 광검출기 사이에 마련되며, 상기 광 프로브를 통과한 광 중 스텝 인덱스 웨이브가이드 모드 또는 스텝 인덱스 파이버 모드의 광만을 투과하는 필터; 및상기 광 프로브와 상기 필터 사이에 배치되며, 상기 광을 전송하는 광도파관;을 구비하는 개구측정장치를 제공한다.본 발명에 있어서, 상기 광도파관은 스텝 인덱스 웨이브가이드 또는 스텝 인덱스 파이버인 것을 특징으로 한다.그리고, 본 발명에서는 근접장용 광 프로브의 개구를 측정하는 장치에 있어서,상기 광 프로브에 광을 조사하는 광원;상기 광 프로브의 전방에 위치하며, 상기 광 프로브를 통과한 광을 수광하여 광 강도를 검출하는 광검출기;상기 광원과 상기 광검출기 사이에 마련되며, 상기 광 프로브를 통과한 광 중 마스크 모드의 광만을 투과하는 필터; 및상기 광원과 상기 필터 사이에 배치되며, 중심부에 상기 광의 일부를 통과시키는 공동이 형성된 마스크;를 구비하는 개구측정장치를 제공한다.또한, 본 발명에서는 필터를 사용하는 근접장용 광 프로브의 개구측정방법에서,(a)광을 광 프로브에 조사하는 단계;(b)상기 광 프로브로부터 입사되는 광을 상기 필터로 투과시키는 단계;(c)상기 필터를 통과한 광 중 모드수가 0인 광의 제1파필드 광 강도 분포로부터 제1광강도값을 검출하는 단계;(d)상기 필터를 통과한 광 중 모드수가 0이 아닌 광의 제2파필드 광 강도 분포로부터 제2광강도값을 검출하는 단계; 및(e)광 프로브 개구의 지름에 관한 소정의 관계식에 상기 제1 및 제2광강도값의 비를 대입하여 상기 광 프로브 개구의 지름을 구하는 단계;를 포함하는 개구측정방법을 제공한다.본 발명에 있어서, 상기 (b)단계에서 상기 필터를 투과한 광은 베셀 가우스 모드, 허미트 가우스 모드, 라구에르 가우스 모드, 스텝 인덱스 웨이브 가이드 모드 또는 스텝 인덱스 파이버 모드 중 어느 하나인 것을 특징으로 한다.본 발명에 있어서, 상기 (b)단계는 상기 광 프로브를 통과한 광을 매질을 더 통과시켜 상기 필터로 입사시키는 단계를 더 포함할 수 있다.본 발명에 있어서, 상기 매질이 균일한 굴절률을 가지는 경우, 상기 필터를 투과한 광은 베셀 가우스 모드인 것을 특징으로 한다.본 발명에 있어서, 상기 매질이 그레이디스 인덱스 웨이브 가이드인 경우, 상기 필터를 투과한 광은 허미트 가우스 모드인 것을 특징으로 한다.본 발명에 있어서, 상기 매질이 그레이디드 인덱스 파이버인 경우, 상기 필터를 투과한 광은 라구에르 가우스 모드인 것을 특징으로 한다.본 발명에 있어서, 상기 매질이 스텝 인덱스 웨이브 가이드 또는 스텝 인덱스 파이버인 경우, 상기 필터를 투과한 광은 스텝 인덱스 웨이브 가이드 모드 또는 스텝 인덱스 파이버 모드인 것을 특징으로 한다.본 발명에 있어서, 상기 (d)단계는 상기 필터를 통과한 광 중 모드수가 2인 광의 제2파필드 광 강도 분포로부터 제2광강도값을 구하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.본 발명에 있어서, 상기 (e)단계는,(e-1)매질에 따른 광 모드에 대응하는 모드해를 구하는 단계;(e-2)상기 모드해에 대응하는 커플링 상수를 산출하며, 상기 커플링 상수의 상기 광 프로브 개구지름에 관한 관계식을 구하는 단계; 및(e-3)(c)단계에서 측정한 제1광강도값과 (d)단계에서 측정한 제2광강도값의 비를 상기 관계식에 대입하여 상기 광 프로브의 개구지름을 도출하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.또한, 본 발명에서는 공동이 형성된 마스크를 사용하는 근접장용 광프로브의 개구측정방법에서,(a)광을 상기 광 프로브에 조사하는 단계;(b)상기 마스크를 투과한 광의 제1파필드 광 강도분포로부터 제1광강도값을 검출하는 단계;(c)상기 마스크를 투과한 광의 제2파필드 광 강도분포로부터 제2광강도값을 검출하는 단계; 및(d)광 강도와 광 프로브의 개구 지름에 관한 소정의 관계식에 상기 제1 및 제2광강도값을 대입하여 상기 광 프로브의 개구지름을 구하는 단계;를 포함하는 개구측정방법을 제공한다.
광의 파장보다 작은 개구지름을 가지는 광 프로브를 이용하여 광학적 정보저장을 하거나, 상기 광 프로브를 구비하는 현미경으로 샘플을 관찰하는 경우 기록된 정보를 재생하거나 샘플 표면의 이미지를 정확히 재생하기 위해서는 광 프로브의 개구지름을 정확히 알아야 할 필요가 있다.
본 발명은, 근접장용 광 프로브의 개구 지름을 측정하는 종래의 방법, 즉 SEM 또는 별도의 측정장치를 이용하는 방법에 비해 간단하게 개구 지름을 측정할 수 있으며, 광 프로브에 손상을 주지 않고 개구지름을 측정할 수 있어서, 측정 후 조건에 맞는 광 프로브를 선택해 사용할 수 있다. 또한 측정장치의 구성이 종래의 장치에 비해 간단하여 측정비용을 절감할 수 있으며, 기존 방법으로는 측정이 어려운 개구지름 λ/6 이하의 크기도 측정이 가능하다.
이하 본 발명에 따른 근접장용 광 프로브 개구지름 측정장치의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 4는 본 발명의 근접장용 광 프로브 개구 측정장치의 제1실시예를 개략적으로 나타낸 단면도이다. 도 4를 참조하면, 본 발명의 제1실시예는 광 프로브(33)에 광을 조사하는 광원(31)과, 광 프로브(33)의 전방에 위치하며 광 프로브(33)를 통과한 광을 수광하여 광 강도를 검출하는 광검출기(37)와, 광원(31)과 광검출기(37) 사이에 마련되며 광 프로브(33)를 통과한 광 중 특정 모드의 광만을 투과시키는 필터(35a)를 구비한다. 여기서, 광 프로브(33)와 필터(35a)사이에 굴절률이 일정한 균일한 매질이 더 구비될 수 있다.
광원(31)은 LD(Laser Diode)를 사용하며, 광 프로브의 개구 지름이 50~100nm 정도일 경우 630nm 정도의 파장을 가지는 레이저를 광원으로 한다.
광 프로브(33)는 광 파이버를 도시된 바와 같이 끝단이 뾰족한 원뿔형태로 제작하여 클래드층의 외부를 알루미늄으로 커버층을 코팅한 것이다. 근접장용 광 프로브(33)의 개구 지름은 광원(31)으로부터 조사되는 파장보다 작아야 하는데, 이는 광의 파장에 의한 회절 한계를 극복하기 위한 것이다. 즉 입자가 광의 파장보다 작은 경우 광의 파장에 의한 회절 한계에 의해 이러한 입자는 검출이 불가능하게 되므로, 광의 파장보다 작은 입자를 검출하기 위해서는 광의 파장보다 작은 개구 지름을 가진 광 프로브를 통해 광을 조사하여야만 한다.
이와 같은 광 프로브(33)는 근접장용 광학 마이크로스코피, 레이저, 광학적 정보 저장(Optical information storage) 및 광학적 트래핑(Optical trapping)등의 다양한 분야에 이용된다. 특히 광학적 정보 저장을 위한 광픽업 기술에 이러한 광 프로브(33)를 사용하는 경우, 광 스팟크기를 아주 작게 하여 기존의 광 프로브(33)의 정보기록 밀도보다 훨씬 높은 기록밀도를 가지는 광기록매체를 제조할 수 있다.
광검출기(37)는 일반 PD(Photo Detector)를 사용한다. 다만, 광 프로브(33)와 필터(35a)사이에 배치되는 매질의 종류에 따라 성능이 다른 광검출기(37)를 사용해야 할 필요가 있다. 예를 들어, 본 발명의 제1실시예에 따른 광 프로브 개구지름 측정장치에서는 광 프로브(33)와 필터(35a)사이가 자유공간(Free space)이므로 광의 전달효율이 웨이브가이드나 광 파이버를 배치하는 경우보다 높지 않아 성능이 더 좋은 광검출기(37)를 구비해야 할 필요가 있다.
필터(SMF;Spatial Mode Filter, 35a)는 광 프로브(33)와 필터(35a)사이에 배치되는 매질의 종류에 따라 특정 모드의 광만을 통과시키는 기능을 한다.
본 발명의 제1실시예에 따른 광 프로브 개구측정장치에서, 필터(35a)는 광 프로브(33)와 필터(35a)사이가 자유공간이거나 굴절률이 일정한 균일한 매질이 배치된 경우 베셀 가우스 모드(Bessel Gauss mode)를 가지는 광만을 투과시킨다.
일반적으로 매질속에서 전파되는 광의 전파 방정식은 수학식 2로 나타난다. 여기서, 매질은 균일한 매질(homogeneous medium)이나 굴절률이 점진적으로 변하는 불균일한 매질(inhomogeneous medium)이다.
수학식 3는 코팅되거나 코팅되지 않은 광 프로브에 의해 형성된 시작 평면 z=0에서 광의 파장보다 작은, 즉 서브파장(subwavelength) 크기의 스팟의 경우에 해당하는 헬름홀쯔 방정식이다.
여기서, 광 프로브로부터 출사되는 광은 특성이 알려진 매질, 예를 들어 자유공간, 스텝 인덱스 웨이브가이드 또는 스텝 인덱스 파이버, 그레이디드 인덱스 웨이브가이드 또는 그레이디드 인덱스 파이버 등을 통해 전파해가므로, 정확한 파동방정식의 해를 알 수 있다.
여기서, cm은 모드 상수이며, ψm은 모드해이다. 매질에서 전기장은 z 방향으로 진행하므로, 이 때 전파 방정식은 수학식 4와 같이 나타난다.
자유공간의 경우 필터에서 선택되는 베셀 가우스 모드의 광은 수학식 4와 같은 모드해로 나타난다. 여기서 Jm은 베셀 함수(Bessel function)이다.
여기서, 모드 상수 cm은 수학식 6과 같이 주어진다.
여기서, γm0는 Jm(x)=0 에서의 근이며, R은 자유공간에서 필터의 반경이다.수학식 6의 커플링 상수 cm과 광검출기에서 검출되는 광의 강도값 사이의 관계로부터 광 프로브의 개구지름에 관한 소정의 관계식을 도출하여 광 프로브의 개구지름을 구할 수 있다.
도 8은 굴절률(n)이 1인 자유공간 또는 굴절률(n)이 2인 매질에서 개구지름(wa)에 대한 모드강도(q) 비의 그래프를 도시하고 있다. 사용한 광의 파장(λ)은 650nm이다. 여기서, R은 5μm이다.
도시된 바와 같이, 개구지름(wa)가 0인 경우 상대적인 모드강도(q)는 1이 되며, 개구수가 증가할수록 모드강도(q)의 비의 값은 점차로 감소하다가 굴절률(n)이 1인 자유공간에서는 개구지름이 0.7μm에서 거의 0에 가까운 값을 가지며, 굴절률(n)이 2인 매질에서는 개구지름이 0.5μm에서 거의 0에 가까운 값을 가진다. 즉, 굴절률이 클수록 모드강도(q) 비의 값의 감소기울기가 더 큰 것을 알 수 있다.
도 9는 상이한 모드상수의 비에서 개구지름(wa)에 대한 모드강도(q) 비의 그래프를 나타내고 있다. 여기서, 굴절률(n)은 1이며 R은 5μm 이다. 그래프의 형태는 도 8과 유사하며, 모드상수비가 c5/c1인 경우의 그래프가 모드상수비가 c2/c1인 경우보다 감소기울기가 더 크다. 감소기울기가 클수록 감도(sensitivity)가 더 커진다.
도 5는 본 발명의 제2실시예에 따른 광 프로브의 개구지름 측정장치를 개략적으로 나타낸 단면도이다. 도 5를 참조하면, 본 발명의 제2실시예에 따른 광 프로브의 개구 측정장치는, 광 프로브(33)에 광을 조사하는 광원(31)과, 광 프로브(33)의 전방에 위치하며 상기 광 프로브를 통과한 광을 수광하여 광 강도를 검출하는 광검출기(37)와, 광원(31)과 광검출기(37) 사이에 마련되며 광 프로브(33)를 통과한 광 중 특정 모드의 광만을 투과하는 필터(35b)와 광 프로브(33)와 필터(35b) 사이에 배치되며, 광을 전송하는 광도파관(37)을 구비한다.
여기서, 광원(31) 및 광검출기(37)는 본 발명의 제1실시예에 따른 광 프로브 개구측정장치의 광원(31) 및 광검출기(37)와 그 구조와 기능이 동일하므로 이에 대한 설명은 생략한다.
본 발명의 제2실시예에 따른 광 프로브 개구측정장치에 구비되는 광도파관(39)으로 그레이디드 인덱스 웨이브가이드(Graded-index waveguide), 그레이디드 인덱스 파이버(Graded-index fiber), 스텝 인덱스 웨이브가이드(Step-index waveguide) 또는 스텝 인덱스 파이버(Step-index fiber)를 사용할 수 있다.
그레이디드 인덱스 웨이브가이드의 굴절률은 수학식 7을 만족한다. 여기서, n0는 웨이브가이드의 축상의 굴절률이며, ω는 단위거리에 대한 굴절률이다.
본 발명의 제2실시예에 따른 광 프로브 개구측정장치에 구비되는 광도파관(39)으로 그레이디드 인덱스 웨이브가이드를 구비하는 경우, 필터(37)는 허미트 가우스 모드(Hermite-Gauss mode)의 광만을 투과시킨다.
이 때 허미트 가우스 모드의 모드해는 수학식 8로 주어진다.
상기 모드해에 대응하는 커플링 상수 cm은 가우션 강도분포를 가지는 스팟에 대해 수학식 9처럼 구해진다.
제1 및 제2차수에서 c0와 c2값은 수학식 10으로 주어진다.
수학식 10의 c0와 c2값으로부터 q 값을 수학식 11에서 구할 수 있다.
광 프로브의 개구지름(wa)에 대한 식으로 수학식 11을 다시 정리하면 수학식 12와 같이 나타낼 수 있다.
도 10은 모드수(n)에 대한 함수로서 모드상수(c2n)의 그래프를 도시하고 있다. 모드상수(c2n)은 n이 10보다 작은 값에서 그 값이 현저히 감소하는 것을 알 수 있으며, 따라서 모드상수비(q)를 구하는 경우 1차상수(c0)에 대해 n이 10보다 큰 값의 비를 구하는 것은 큰 의미가 없음을 알 수 있다.
도 11은 개구지름비(wa/w0)에 대한 함수로서 q가 c2/c0인 경우의 그래프를 도시하고 있다. wa가 0인 경우 q는 0.7이며 wa값이 점차 w0값에 다가갈수록 q값이 줄어들어 wa와 w0값이 같아지는 경우 q값이 0이 되는 것을 알 수 있다.
본 발명의 제2실시예에 따른 광 프로브 개구측정장치에 구비되는 광도파관(39)으로 그레이디드 인덱스 파이버를 구비하는 경우, 필터(37)는 라구에르 가우스 모드(Laguerre-Gauss mode)의 광만을 투과시킨다.
여기서, 그레이디드 인덱스 파이버는 광 파이버의 코어 부분의 굴절률이 단면 내 위치의 완만한 함수로 되는 광섬유를 총칭하는 것이다. 그레이디드 인덱스 파이버의 굴절률(n)도 수학식 6과 같이 주어진다.
라구에르 가우스 모드의 모드해는 수학식 13와 같다.
수학식 13와 같은 모드해에서 구해질 수 있는 모드상수 c는 1차 및 2차에 대해 수학식 14와 같이 주어진다.
상기의 제1 및 제2차수의 모드상수비는 수학식 15와 같이 주어진다.
광 프로브의 개구지름(wa)에 대한 식으로 수학식 15를 다시 정리하면 수학식 16와 같이 주어진다.
도 12는 개구지름에 대한 함수로서 모드강도비 q(=c2/c0)를 나타낸 그래프이다.
본 발명의 제2실시예에 따른 광 프로브 개구측정장치에 구비되는 광도파관(39)으로 스텝 인덱스 웨이브가이드 또는 스텝 인덱스 파이버를 구비하는경우, 필터(37)는 스텝 모드의 광만을 투과시킨다.
여기서, 스텝 인덱스 웨이브가이드는 굴절률이 계단형으로 변하는 평판 광도파관을 의미하며, 스텝 인덱스 파이버는 코어와 클래드의 굴절률이 일정하며 클래드의 굴절률이 코어보다 높은 광 파이버를 말한다.
스텝모드의 모드해는 수학식 17처럼 구해질 수 있다. 여기서, βm은 전파상수이며, d는 웨이브가이드의 두께이며, n1은 코어의 굴절률이고, n2는 커버의 굴절률이다.
여기서, 수평 공간 주파수 k1은 수학식 18로 주어진다.
수학식 17 및 18을 만족하는 커플링 상수 cm은 수학식 19로 주어진다.
도 13 및 도 14는 스텝모드의 개구지름(wa)에 대한 함수로서 모드강도비(q)를 나타낸 그래프이다. 도 13은 웨이브가이드의 두께(d)가 3μm인 경우이며, 도 14는 웨이브가이드의 두께(d)가 5μm인 경우이다. 커버의 굴절률(n2)가 1.5로 일정할 경우 코어의 굴절률 n1이 각각 1.6과 2.0인 경우의 그래프가 각각 도시되어 있다. 코어의 굴절률(n1)이 2.0일 경우의 그래프의 감소기울기가 코어의 굴절률(n1)이 1.6인 경우의 그래프의 감소기울기보다 다소 큰 것을 알 수 있다.
상기의 본 발명의 제1 및 제2실시예에 따른 광 프로브의 개구측정장치를 이용한 특정 모드의 광을 투과시키는 필터를 사용하는 근접장용 광 프로브의 개구측정방법은, (a)소정 파장의 광을 광 프로브에 조사하는 단계와, (b)상기 광 프로브로부터 입사되는 광 중 상기 필터를 사용하여 특정모드의 광만을 투과시키는 단계와, (c)상기 필터를 통과한 광 중 모드수가 0인 광의 제1파필드 광 강도 분포로부터 제1광강도값을 검출하는 단계와, (d)상기 필터를 통과한 광 중 모드수가 0이 아닌 광의 제2파필드 광 강도 분포로부터 제2광강도값을 검출하는 단계 및 (e)광 프로브 개구의 지름에 관한 소정의 관계식에 상기 제1 및 제2강도값의 비를 대입하여 상기 광 프로브 개구의 지름을 구하는 단계;를 포함한다.
(e)단계는, (e-1)특정 매질에 따른 특정 모드에 대응하는 모드해를 구하는 단계와, (e-2)상기 모드해에 대응하는 커플링 상수를 산출하며, 상기 커플링 상수의 상기 광 프로브 개구지름에 관한 관계식을 구하는 단계; 및 (e-3)(c)단계에서 측정한 제1광강도값과 (d)단계에서 측정한 제2광강도값의 비를 상기 관계식에 대입하여 상기 광 프로브 개구지름을 도출하는 단계를 포함한다.
도 6은 본 발명의 제3실시예에 따른 광 프로브의 개구측정장치를 개략적으로 나타낸 단면도이다. 본 발명의 제1 및 제2실시예에 따른 광 프로브의 개구측정장치에서 개구지름을 측정하는 방법은 개구지름에 대한 모드강도의 함수를 구하는 방법이었으나, 본 발명의 제3실시예에 따른 광 프로브의 개구측정장치에서 개구지름을 측정하는 방법은 개구지름에 대한 축상의 광강도의 감소율의 함수로부터 결정하는 방법이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 제3실시예에 따른 광 프로브의 개구측정장치는, 광 프로브(33)에 광을 조사하는 광원(31)과, 광 프로브(33)의 전방에 위치하며 광 프로브(33)를 통과한 광을 수광하여 광 강도를 검출하는 광검출기(37)와, 광 프로브(33)를 통과한 광 중 특정 모드의 광만을 투과시키는 필터(35c)가 광원(31)과 광검출기(37) 사이에 배치되며, 중심부에 상기 광의 일부를 통과시키는 공동이 형성된 마스크(39)를 구비한다.
여기서, 광원(31) 및 광검출기(37)는 본 발명의 제1실시예에 따른 광 프로브 개구측정장치의 광원(31) 및 광검출기(37)와 그 구조와 기능이 동일하므로 이에 대한 설명은 생략한다.
본 발명의 제3실시예에 따른 광 프로브의 개구측정장치에서, 개구측정방법은 (a)소정 파장의 광을 광 프로브에 조사하는 단계와, (b)상기 마스크를 투과한 광의 제1파필드 광 강도분포로부터 제1광강도값을 검출하는 단계와, (c)상기 마스크를 투과한 광의 제2파필드 광 강도분포로부터 제2광강도값을 검출하는 단계 및 (d)광강도와 광 프로브의 개구 지름에 관한 소정의 관계식에 상기 제1 및 제2광강도값을 대입하여 상기 광 프로브의 개구 지름을 구하는 단계를 포함한다. 여기서 마스크(39)는 중심부에 공동이 형성되어 있는데 공동의 크기( s)는 6μm 정도이다.
도 7은 본 발명의 제3실시예에 따른 개구측정장치를 나타낸 구성도이다. 도 7을 참조하면, 광원(31)에서 조사된 광은 렌즈(32)와 커플러(34)를 통과하여 광섬유(36)를 통해 광 프로브(33)로 전달된다. 광프로브(33)를 통과한 광은 공동이 형성된 필터(35c)를 통과하면서 마스크 모드에 해당하는 특정 광만이 출사되어 광검출기에 수광된 후 검출된다. 여기서 참조번호 38은 광프로브(33)와 필터(35c) 및 광검출기(37)가 장착되는 스테이지를 나타낸다.
필터를 구비하지 않을 경우의 출력 광강도가 21.3mW 일 때, 광원(31)으로 650nm 파장을 가지는 레이저 다이오드를 설치하고 95mA 의 전류를 인가하며, 필터에 형성된 공동이 1.20mm*1.01mm 의 크기의 사각형인 조건으로 실험한 결과를 나타내는 그래프가 도 15에 도시되어 있다.
도 15를 참조하면, 광프로브(33)와 필터(35c)사이의 거리(z)가 5mm 인 경우와 20mm인 경우의 광강도의 비(I)를 광 프로브의 개구지름(wa)에 대해 그래프화 하면, I 값이 13일 때 개구지름(wa)는 1.66μm 인 것을 알 수 있다.
본 발명의 제3실시예에 따른 개구측정장치로 측정한 광 프로브의 개구지름을 SEM으로 재측정한 광프로브가 도 16에 도시되어 있다. 도 16에 도시된 광 프로브는 그 개구지름이 1.62μm로 본 발명의 제3실시예에 따른 개구측정장치로 측정한 개구지름과 거의 일치한다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따른 개구측정장치는 정확히 개구지름을 측정할 수 있다는 것을 알 수 있다.
도 17은 광강도 I1 및 I2를 수학식 20과 같이 정의했을 때 개구지름(wa)에 대한 광 강도의 상대적인 비(γ=I2/I1)를 나타낸 그래프이다. 여기서, 윈도우의 공동의 크기 w는 6μm 이며 광 프로브의 개구로부터 윈도우까지의 거리 z는 300μm 이다.
도 17을 참조하면, 개구지름(wa)가 0일 때 광강도의 비(γ)는 15정도에서 개구지름(wa)가 증가함에 따라 점차 감소하는 것을 알 수 있다.
예를 들어, 광강도의 상대적인 비(γ)값이 7인 경우 광 프로브의 개구지름(wa)는 0.27μm 정도가 되는 것을 알 수 있다.
도 18은 상이한 입력 광 강도에서 광 프로브로부터 윈도우까지의 거리(z)에 대한 함수로서 축상의 출력 광강도(Iout)를 나타낸 그래프이다. 이 경우 윈도우 공동의 크기는 9mm*9mm이다. 입력 광 강도가 클수록 출력 광강도의 값이 큰 것을 알 수 있다. 입력 광 강도가 가장 큰 경우가 g1이며 차례로 g2, g3, g4로 갈수록 감소된다. 또한 입력 광 강도에 관계없이 z가 커질수록 g1, g2, g3 및 g4의 그래프에서출력 광강도가 작아지는 것을 알 수 있다.
본 발명에 따른 근접장용 광 프로브의 개구측정장치는 그 구성이 간단하며, 광 프로브의 손상없이 광 프로브의 개구지름을 정확히 측정할 수 있다.
상기한 설명에서 많은 사항이 구체적으로 기재되어 있으나, 그들은 발명의 범위를 한정하는 것이라기보다, 바람직한 실시예의 예시로서 해석되어야 한다.
예를 들어 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상에 의해 광 프로브와 광검출기 사이에 소정의 광학소자와 이에 따른 필터를 마련할 수 있을 것이다. 때문에 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정하여 질 것이 아니고 특허 청구범위에 기재된 기술적 사상에 의해 정하여져야 한다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 광프로브의 개구측정장치 및 측정방법의 장점은, 제작이 간단한 개구측정장치를 제공하며, 광 프로브의 손상없이 광 프로브의 개구의 지름을 정확히 측정할 수 있는 광 프로브의 개구측정방법을 제공한다는 것이다.

Claims (25)

  1. 근접장용 광 프로브의 개구를 측정하는 장치에 있어서,
    상기 광 프로브에 광을 조사하는 광원;
    상기 광 프로브의 전방에 위치하며, 상기 광 프로브를 통과한 광을 수광하여 광 강도를 검출하는 광검출기; 및
    상기 광원과 상기 광검출기 사이에 마련되며, 상기 광 프로브를 통과한 광 중 베셀 가우스 모드의 광만을 투과시키는 필터;를 구비하는 것을 특징으로 하는 개구측정장치.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 광 프로브와 상기 필터사이에 배치되며, 굴절률이 균일한 매질을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 개구측정장치.
  4. 근접장용 광 프로브의 개구를 측정하는 장치에 있어서,
    상기 광 프로브에 광을 조사하는 광원;
    상기 광 프로브의 전방에 위치하며, 상기 광 프로브를 통과한 광을 수광하여 광 강도를 검출하는 광검출기;
    상기 광원과 상기 광검출기 사이에 마련되며, 상기 광 프로브를 통과한 광 중 허미트 가우스 모드의 광만을 투과하는 필터; 및
    상기 광 프로브와 상기 필터 사이에 배치되며, 상기 광을 전송하는 광도파관;을 구비하는 것을 특징으로 하는 개구측정장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 광도파관은 그레이디드 인덱스 웨이브 가이드인 것을 특징으로 하는 개구측정장치.
  6. 삭제
  7. 근접장용 광 프로브의 개구를 측정하는 장치에 있어서,
    상기 광 프로브에 광을 조사하는 광원;
    상기 광 프로브의 전방에 위치하며, 상기 광 프로브를 통과한 광을 수광하여 광 강도를 검출하는 광검출기;
    상기 광원과 상기 광검출기 사이에 마련되며, 상기 광 프로브를 통과한 광 중 라구에르 가우스 모드의 광만을 투과하는 필터; 및
    상기 광 프로브와 상기 필터 사이에 배치되며, 상기 광을 전송하는 광도파관;을 구비하는 것을 특징으로 하는 개구측정장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 광도파관은 그레이디드 인덱스 파이버인 것을 특징으로 하는 개구측정장치.
  9. 근접장용 광 프로브의 개구를 측정하는 장치에 있어서,
    상기 광 프로브에 광을 조사하는 광원;
    상기 광 프로브의 전방에 위치하며, 상기 광 프로브를 통과한 광을 수광하여 광 강도를 검출하는 광검출기;
    상기 광원과 상기 광검출기 사이에 마련되며, 상기 광 프로브를 통과한 광 중 스텝 인덱스 웨이브가이드 모드 또는 스텝 인덱스 파이버 모드의 광만을 투과하는 필터; 및
    상기 광 프로브와 상기 필터 사이에 배치되며, 상기 광을 전송하는 광도파관;을 구비하는 것을 특징으로 하는 개구측정장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 광도파관은 스텝 인덱스 웨이브가이드 또는 스텝 인덱스 파이버인 것을 특징으로 하는 개구측정장치.
  11. 근접장용 광 프로브의 개구를 측정하는 장치에 있어서,
    상기 광 프로브에 광을 조사하는 광원;
    상기 광 프로브의 전방에 위치하며, 상기 광 프로브를 통과한 광을 수광하여 광 강도를 검출하는 광검출기;
    상기 광원과 상기 광검출기 사이에 마련되며, 상기 광 프로브를 통과한 광 중 마스크 모드의 광만을 투과하는 필터; 및
    상기 광원과 상기 필터 사이에 배치되며, 중심부에 상기 광의 일부를 통과시키는 공동이 형성된 마스크;를 구비하는 것을 특징으로 하는 개구측정장치.
  12. 삭제
  13. 필터를 사용하는 근접장용 광 프로브의 개구측정방법에서,
    (a)광을 광 프로브에 조사하는 단계;
    (b)상기 광 프로브로부터 입사되는 광을 상기 필터로 투과시키는 단계;
    (c)상기 필터를 통과한 광 중 모드수가 0인 광의 제1파필드 광 강도 분포로부터 제1광강도값을 검출하는 단계;
    (d)상기 필터를 통과한 광 중 모드수가 0이 아닌 광의 제2파필드 광 강도 분포로부터 제2광강도값을 검출하는 단계; 및
    (e)광 프로브 개구의 지름에 관한 소정의 관계식에 상기 제1 및 제2광강도값의 비를 대입하여 상기 광 프로브 개구의 지름을 구하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 개구측정방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 (b)단계에서 상기 필터를 투과한 광은 베셀 가우스 모드, 허미트 가우스 모드, 라구에르 가우스 모드, 스텝 인덱스 웨이브 가이드 모드 또는 스텝 인덱스 파이버 모드 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 개구측정방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 (b)단계는 상기 광 프로브를 통과한 광을 매질을 더 통과시켜 상기 필터로 입사시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 개구측정방법.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 매질이 균일한 굴절률을 가지는 경우, 상기 필터를 투과한 광은 베셀 가우스 모드인 것을 특징으로 하는 개구측정방법.
  17. 제 15 항에 있어서,
    상기 매질이 그레이디스 인덱스 웨이브 가이드인 경우, 상기 필터를 투과한 광은 허미트 가우스 모드인 것을 특징으로 하는 개구측정방법.
  18. 제 15 항에 있어서,
    상기 매질이 그레이디드 인덱스 파이버인 경우, 상기 필터를 투과한 광은 라구에르 가우스 모드인 것을 특징으로 하는 개구측정방법.
  19. 제 15항에 있어서,
    상기 매질이 스텝 인덱스 웨이브 가이드 또는 스텝 인덱스 파이버인 경우, 상기 필터를 투과한 광은 스텝 인덱스 웨이브 가이드 모드 또는 스텝 인덱스 파이버 모드인 것을 특징으로 하는 개구측정방법.
  20. 삭제
  21. 삭제
  22. 삭제
  23. 제 13 항에 있어서,
    상기 (d)단계는 상기 필터를 통과한 광 중 모드수가 2인 광의 제2파필드 광 강도 분포로부터 제2광강도값을 구하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 개구측정방법.
  24. 제 13 항에 있어서,
    상기 (e)단계는,
    (e-1)매질에 따른 광 모드에 대응하는 모드해를 구하는 단계;
    (e-2)상기 모드해에 대응하는 커플링 상수를 산출하며, 상기 커플링 상수의 상기 광 프로브 개구지름에 관한 관계식을 구하는 단계; 및
    (e-3)(c)단계에서 측정한 제1광강도값과 (d)단계에서 측정한 제2광강도값의 비를 상기 관계식에 대입하여 상기 광 프로브의 개구지름을 도출하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 개구측정방법.
  25. 공동이 형성된 마스크를 사용하는 근접장용 광프로브의 개구측정방법에서,
    (a)광을 상기 광 프로브에 조사하는 단계;
    (b)상기 마스크를 투과한 광의 제1파필드 광 강도분포로부터 제1광강도값을 검출하는 단계;
    (c)상기 마스크를 투과한 광의 제2파필드 광 강도분포로부터 제2광강도값을 검출하는 단계; 및
    (d)광 강도와 광 프로브의 개구 지름에 관한 소정의 관계식에 상기 제1 및 제2광강도값을 대입하여 상기 광 프로브의 개구지름을 구하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 개구측정방법.
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