KR101451176B1 - 광섬유 페룰 공진기를 이용한 스펙트럼 영역 간섭 장치 및 스펙트럼 영역 간섭 방법 - Google Patents

광섬유 페룰 공진기를 이용한 스펙트럼 영역 간섭 장치 및 스펙트럼 영역 간섭 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 스펙트럼 영역 간섭 장치 및 스펙트럼 영역 간섭 방법을 제공한다. 이 스펙트럼 영역 간섭 장치는 일정한 주파수 대역에서 일정한 종모드 주파수 간격을 가지고 발진하는 레이저 광원, 레이저 광원으로부터 광을 제공받아 종모드 주파수 간격보다 큰 자유 스펙트럴 레인지(free spectral range)를 가지고 선택된 종모드들을 투과시키는 광섬유 페룰 공진기(fiber-ferrule optical cavity), 광섬유 페룰 공진기로부터 광을 제공받아 서로 다른 광 경로에 의한 광 경로차를 가지는 간섭광을 제공하는 간섭계, 간섭계로부터 간섭광을 제공받아 주파수에 따라 간섭광을 분해하여 측정하는 스펙트럼 분석기, 및 스펙트럼 분석기의 간섭 신호를 이용하여 주파수에 따른 간섭 신호의 스펙트럼 주기를 추출하고, 스펙트럼 주기를 이용하여 간섭계가 제공한 광 경로차를 추출하는 신호 처리부를 포함한다.

Description

광섬유 페룰 공진기를 이용한 스펙트럼 영역 간섭 장치 및 스펙트럼 영역 간섭 방법{Spectrum Domain Interference Apparatus Using An Fiber-Ferrule Optical Cavity And The Method Of The Same}
본 발명은 광섬유 페룰 공진기를 이용한 스펙트럼 영역 간섭 장치 및 스펙트럼 영역 간섭 방법에 관한 것으로, 더 구체적으로, 광대역 광원의 출력을 패브리-페롯 공진기(Fabry-Perot Resonator) 구조를 가진 광섬유 페룰 공진기를 통과시켜 대역폭을 유지하면서 자유 스펙트럴 레인지 마다 종모드를 가지는 스펙트럼 영역 간섭 장치 및 스펙트럼 영역 간섭 방법에 관한 것이다.
최근, 액정 디스플레이(LCD), 실리콘 웨이퍼 등의 초미세 전자부품의 가공과 제조 상태를 확인하기 위해서 위 실리콘 웨이퍼 등의 초미세 전자부품의 두께, 위치, 내면 형상 등에 대한 정밀한 측정이 요구되고 있다.
특히, 다수의 웨이퍼 칩을 수직으로 적층하는 3D 반도체 패키징 공정에서, 웨이퍼 층간의 전기적 연결을 위해 실리콘 웨이퍼에는 TSV(Through Silicon Via )라는 가늘고 긴 구멍(이하, 비아홀 이라 한다)을 형성하고, 상기 비아홀에 도전물질을 채워 웨이퍼 층간의 회로를 연결한다. 상기 비아홀은 지름이 작고 깊이는 긴 구조를 가진다. 상기 비아홀이 원하는 소정의 깊이와 지름을 가지도록 정상적으로 형성되었는가 확인하기 어려웠다.
종래의 공초점 현미경(confocal microscope)을 이용한 측정법은 측정 대상물의 측면과 바닥면에서의 난반사 때문에 깊이 측정 오차가 심하여 정확한 깊이 판정이 곤란하다. 또한, 백색광 간섭계(white-light scanning interferometer)를 이용한 측정법은 빛이 측정 대상물의 바닥면까지 도달하지 못하거나, 측정 대상물의 표면 형상에 굴곡이 형성된 경우, 상기 굴곡에서 생기는 회절 현상으로 인해 정확한 측정 대상물의 두께를 측정하기 어려운 점이 있었다.
본 발명의 해결하고자 하는 일 기술적 과제는 광대역에서 안정적으로 동작하고 스펙트럼 분석기가 용이하게 분광할 수 있는 종모드 주파수 간격을 가지는 스펙트럼 영역 간섭 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 스펙트럼 영역 간섭 장치는 일정한 주파수 대역에서 일정한 종모드 주파수 간격을 가지고 발진하는 레이저 광원; 상기 레이저 광원으로부터 광을 제공받아 상기 종모드 주파수 간격보다 큰 자유 스펙트럴 레인지(free spectral range)를 가지고 선택된 종모드들을 투과시키는 광섬유 페룰 공진기(fiber-ferrule optical cavity); 상기 광섬유 페룰 공진기로부터 광을 제공받아 서로 다른 광 경로에 의한 광 경로차를 가지는 간섭광을 제공하는 간섭계; 상기 간섭계로부터 상기 간섭광을 제공받아 주파수에 따라 상기 간섭광을 분해하여 측정하는 스펙트럼 분석기; 및 상기 스펙트럼 분석기의 간섭 신호를 이용하여 주파수에 따른 상기 간섭 신호의 스펙트럼 주기를 추출하고, 상기 스펙트럼 주기를 이용하여 상기 간섭계가 제공한 상기 광 경로차를 추출하는 신호 처리부를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 레이저 광원은 파이버 링 공진기; 상기 파이버 링 공진기에 장착되어 펌프광을 제공하는 파장 분할 다중화 결합기(wavelength division multiplexing coupler; WDM coupler); 상기 펌프광을 출력하고 상기 펌프광을 상기 파중 분할 다중화 결합기를 통하여 상기 파이버 링 공진기에 제공하는 펌프 광원; 상기 파이버 링 공진기에 장착되고 상기 펌프 광을 통하여 펌핑되는 어븀 첨가 파이버; 상기 파이버 링 공진기에 장착되고 모드 잠금을 유도하는 한 쌍의 편광 조절기(polarization controller); 상기 파이버 링 공진기에 장착되고 상기 파이버 링 공진기 내부에 진행하는 광을 한 방향으로 진행하도록 분리기(isolator); 및 상기 파이버 링 공진기에서 일부의 출력을 추출하는 광 파이버 결합기를 포함할 수 있다. 상기 레이저 광원은 모드 잠김을 통하여 펄스열을 출력할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 광섬유 페룰 공진기는 소정의 길이의 파이버; 상기 파이버를 감싸고 상기 파이버의 양단과 정렬되는 페룰; 상기 페룰의 양단에 코팅된 반사 코팅막; 상기 펠룰의 일부를 감싸는 제1 커넥터; 및 상기 페룰의 나머지 부위를 감싸는 제2 커넥터를 포함하고, 상기 광섬유 페룰 공진기의 자유 스펙트럴 레인지(free spectral range;FSR)는 상기 스펙트럼 분석기의 주파수 분해능(Δ f s ) 이상이고, 상기 광섬유 페룰 공진기의 주파수 투과폭(transmission band width; TBW)은 상기 레이저 광원의 하나의 종모드 만을 투과시키도록 상기 주파수 모드 간격(fr) 이하이고, 하나의 종모드의 선폭 이상일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 간섭계는 기준면에서 반사되는 제1 반사광과 측정면에서 반사되는 제2 반사광을 이용하여 간섭광을 형성할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 간섭계는 2개의 입력 포트와 2개의 출력 포트를 포함하는 방향성 결합기를 포함하고, 제1 입력포트는 상기 광섬유 페룰 공진기로부터 제공된 광을 제공받아 광을 분배하여 2 개의 출력 포트에 제공하고, 제1 출력 포트는 기준면에 반사되는 제1 반사광을 제공받고, 제2 출력 포트는 측정면에서 반사되는 제2 반사광을 제공받고, 제2 입력포트는 상기 제1 출력 포트에서 제공되는 상기 제1 반사광 및 상기 제2 출력 포트에서 제공되는 상기 제2 반사광을 결합한 간섭광을 출력할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 간섭계는 상기 광섬유 페룰 공진기에서 출력되는 광을 평행광으로 변환하는 평행광 렌즈; 및 상기 평행광 렌즈를 통과한 광을 투과시켜 측정 대상에 제공하고, 상기 측정 대상의 기준면에서 반사된 제1 반사광과 상기 측정 대상의 측정면에서 반사된 제2 반사광을 반사시켜 스펙트럼 분석기에 제공하는 빔 스플릿터를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 간섭계는 슬릿을 더 포함하고, 상기 슬릿은 상기 빔 스플릿터로부터 상기 제1 반사광 및 제2 반사광을 제공받아 띠 형태의 빔을 상기 스펙트럼 분석기에 제공할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 스펙트럼 분석기는 상기 띠 형태의 빔을 제공받아 상기 빔의 위치마다 주파수에 따라 공간적으로 분해하여, 상기 빔의 위치 및 주파수에 따른 간섭광의 세기를 2차원적으로 측정할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 스펙트럼 분석기는 삼각 기둥 형상의 제1 프리즘 및 역삼각 기둥 형상의 제2 프리즘을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 신호 처리부는 주파수에 따른 상기 간섭 신호를 실시간으로 푸리에 변환하여 적어도 하나의 스펙트럼 주기를 추출할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 스펙트럼 영역 간섭 장치는 넓은 주파수 대역을 가진 광원; 소정의 자유 스펙트럴 레인지(free spectral range) 마다 소정의 주파수 투과폭(transmission band width; TBW)으로 상기 광원으로부터 제공받은 광을 투과시키는 광섬유 페룰 공진기(fiber-ferrule optical cavity); 상기 광섬유 페룰 공진기로부터 광을 제공받아 서로 다른 광 경로에 의한 광 경로차를 가지는 간섭광을 제공하는 간섭계; 상기 간섭계로부터 상기 간섭광을 제공받아 주파수에 따라 상기 간섭광을 분해하여 측정하는 스펙트럼 분석기; 및 상기 스펙트럼 분석기의 간섭 신호를 이용하여 주파수에 따른 상기 간섭 신호의 스펙트럼 주기를 추출하고, 상기 스펙트럼 주기를 이용하여 상기 간섭계가 제공한 상기 광 경로차를 추출하는 신호 처리부를 포함하고, 상기 광섬유 페룰 공진기의 상기 자유 스펙트럴 레인지(free spectral range;FSR)는 상기 스펙트럼 분석기의 주파수 분해능(Δ f s ) 이상일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 광섬유 페룰 공진기는 소정의 길이의 파이버; 상기 파이버를 감싸고 상기 파이버의 양단과 정렬되는 페룰; 상기 페룰의 양단에 코팅된 반사 코팅막; 상기 펠룰의 일부를 감싸는 제1 커넥터; 및 상기 페룰의 나머지 부위를 감싸는 제2 커넥터를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 간섭계는 2개의 입력 포트와 2개의 출력 포트를 포함하는 방향성 결합기를 포함하고, 제1 입력포트는 상기 광섬유 페룰 공진기로부터 제공된 광을 제공받아 광을 분배하여 2 개의 출력 포트에 제공하고, 제1 출력 포트는 기준면에 반사되는 제1 반사광을 제공받고, 제2 출력 포트는 측정면에서 반사되는 제2 반사광을 제공받고, 제2 입력포트는 상기 제1 출력 포트에서 제공되는 상기 제1 반사광 및 상기 제2 출력 포트에서 제공되는 상기 제2 반사광을 출력할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 간섭계는 상기 광섬유 페룰 공진기에서 출력되는 광을 평행광으로 변환하는 평행광 렌즈; 및 상기 평행광 렌즈를 통과한 광을 투과시켜 측정 대상에 제공하고, 상기 측정 대상의 기준면에서 반사된 제1 반사광과 상기 측정 대상의 측정면에서 반사된 제2 반사광을 반사시켜 상기 스펙트럼 분석기에 제공하는 빔 스플릿터를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 신호 처리부는 주파수에 따른 상기 간섭 신호를 실시간으로 푸리에 변환하여 적어도 하나의 상기 스펙트럼 주기를 추출할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 스펙트럼 영역 간섭 방법은 일정한 주파수 대역에서 일정한 주파수 모드 간격을 가지고 발진하는 레이저 광원을 제공하는 단계; 광섬유 페룰 공진기(fiber-ferrule optical cavity)를 이용하여 상기 레이저 광원으로부터 광을 제공받아 상기 주파수 모드 간격보다 큰 자유 스펙트럴 레인지(free spectral range)를 가지고 선택된 종모드들을 투과시키는 필터링 단계; 상기 광섬유 페룰 공진기로부터 광을 제공받아 서로 다른 광 경로에 의한 광 경로차를 가지는 간섭광을 제공하는 단계; 상기 간섭광을 이용하여 주파수에 따라 상기 간섭광을 분해하여 측정하는 단계; 및 주파수에 따른 상기 간섭광의 세기의 스펙트럼 주기를 추출하고, 상기 스펙트럼 주기를 이용하여 상기 간섭계가 제공한 상기 광 경로차를 추출하는 단계를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 스펙트럼 영역 간섭 방법은 넓은 주파수 대역을 가진 광원을 제공하는 단계; 광섬유 페룰 공진기(fiber-ferrule optical cavity)를 이용하여 상기 광원으로부터 광을 제공받아 소정의 자유 스펙트럴 레인지(free spectral range) 마다 소정의 주파수 투과폭(transmission band width; TBW)으로 투과시키어 필터링하는 단계; 상기 광섬유 페룰 공진기로부터 광을 제공받아 서로 다른 광 경로에 의한 광 경로차를 가지는 간섭광을 제공하는 단계; 상기 간섭광을 제공받아 주파수에 따라 스펙트럼 분석기를 이용하여 상기 간섭광을 분해하여 측정하는 단계; 및 주파수에 따른 상기 간섭광의 세기의 스펙트럼 주기를 추출하고, 상기 스펙트럼 주기를 이용하여 상기 광 경로차를 추출하는 단계를 포함하고, 상기 광섬유 페룰 공진기의 자유 스펙트럴 레인지(free spectral range;FSR)는 상기 간섭광을 분해하는 상기 스펙트럼 분석기의 주파수 분해능(Δ f s ) 이상일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 스펙트럼 영역 간섭 장치는 파장 분해능이 상대적으로 낮은 혹은 제한되는 상용의 스펙트럼분석기를 이용한 스펙트럼 영역 간섭계에서 스펙트럼을 왜곡없이 획득하여 정밀한 광 위상차를 측정할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 스펙트럼 영역 간섭 장치를 설명하는 도면이다.
도 2는 스펙트럼 영역 간섭 장치를 구성하는 펄스 레이저 광원의 출력 특성을 나타내는 도면이다.
도 3은 도 1의 스펙트럼 영역 간섭 장치의 주파수에 따른 간섭 신호를 나타내는 도면이다.
도 4a는 본 발명의 실시예에 따른 광섬유 페룰 공진기를 설명하는 정면도이다.
도 4b는 도 4a의 I-I'선을 따라 자른 단면도이다.
도 4c는 도 4a의 II-II'선을 따라 자른 단면도이다.
도 5는 도 4의 광섬유 페룰 공진기의 특성을 나타내는 그래프이다.
도 6은 광섬유 페룰 공진기를 통과한 출력광의 특성을 나타내는 그래프이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 스펙트럼 영역 간섭 장치를 설명하는 도면이다.
도 8은 수퍼루미네슨트 다이오드(Superluminescent diode;SLD)의 주파수 특성을 나타내는 도면이다.
도 9는 광섬유 페룰 공진기를 통과한 광의 주파수 특성을 나타내는 도면이다.
도 10은 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 스펙트럼 영역 간섭 장치를 설명하는 도면이다.
도 11은 도 10의 스펙트럼 분석기를 나타내는 사시도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예들에 대하여 보다 상세히 설명한다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 스펙트럼 영역 간섭계의 동작 원리가 설명된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 스펙트럼 영역 간섭 장치를 설명하는 도면이다.
도 2는 스펙트럼 영역 간섭 장치를 구성하는 펄스 레이저 광원의 출력 특성을 나타내는 도면이다.
도 3은 도 1의 스펙트럼 영역 간섭 장치의 주파수에 따른 간섭 신호를 나타내는 도면이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 상기 스펙트럼 영역 간섭 장치(100)는 일정한 주파수 대역에서 일정한 종모드 주파수 간격을 가지고 발진하는 레이저 광원(110), 상기 레이저 광원(110)으로부터 광을 제공받아 상기 종모드 주파수 간격보다 큰 자유 스펙트럴 레인지(free spectral range)를 가지고 선택된 종모드들을 투과시키는 광섬유 페룰 공진기(fiber-ferrule optical cavity; 120), 상기 광섬유 페룰 공진기(120)로부터 광을 제공받아 서로 다른 광 경로에 의한 광 경로차를 가지는 간섭광을 제공하는 간섭계(130), 상기 간섭계로부터 상기 간섭광을 제공받아 주파수에 따라 상기 간섭광을 분해하여 측정하는 스펙트럼 분석기(140), 및 상기 스펙트럼 분석기(140)의 간섭 신호를 이용하여 주파수에 따른 상기 간섭 신호의 스펙트럼 주기를 추출하고, 상기 스펙트럼 주기를 이용하여 상기 간섭계가 제공한 상기 광 경로차를 추출하는 신호 처리부(160)를 포함한다.
상기 레이저 광원(110)은 펨토 초(femto second) 펄스 레이저일 수 있다. 상기 펨토 초(femto second) 펄스 레이저는 펄스 열(pulse train)을 출력하고, 상기 펄스 열의 반복률은 수십 MHz에서 수백 MH일 수 있다. 상기 반복률은 공진기 내부에서 한 바퀴 왕복하는 시간(round trip time)의 역수로 주어진다. 즉, 상기 레이저 광원(110)의 출력은 주파수 영역에서 수십 MHz 내지 수백 MHz의 종모드 주파수 간격(longitudinal mode frequency width;fr)을 갖은 복수의 종모드들을 포함한다. 상기 반복률은 상기 종모드 주파수 간격(fr)과 동일하다. 상기 레이저 광원(110)의 대역폭(BW)는 수 nm 내지 수백 nm 일 수 있다. 상기 레이저 광원(110)의 대역폭은 이득 곡선(gain curce)의 전반치폭(full width half maximum; FWHM)으로 결정될 수 있다.
상기 펨토 초(femto second) 펄스 레이저는 스펙트럼 영역 OCT(optical coherent tomography)나 파장 영역 간섭계(spectral domain interferometry)를 구현을 위하여 사용될 수 있다. 그러나, 상기 펨토 초 펄스 레이저에서 종모드들 사이의 종모드 주파수 간격(fr)은 수십 MHz 내지 수백 MHz 범위를 가지고 있어 좁다. 따라서, 상기 스펙트럼 분석기는 상기 종모드들을 분해하기 어렵다.
펄스 레이저의 반복률이 100 MHz인 경우, 100 MHz의 반복률을 파장으로 변환하면, 종모드 파장 간격(fr)은 약 0.0008 nm ( 또는 0.8 fm)이다. 따라서, 파장 분해능(Δλs)이 0.02 nm인 스펙트럼 분석기는 각각의 종모드를 분해할 수 없다.
상기 스펙트럼 분석기(140)가 각각의 종모드를 분해하기 위하여, 종모드들 사이의 파장 간격 또는 주파수 간격은 상기 스펙트럼 분석기가 분해할 수 있도록 증가될 필요가 있다.
상기 스펙트럼 영역 간섭계(100)는 다파장 간섭계와 유사하게 복수 개의 파장을 사용하여 위상차, 광 경로차, 또는 절대 거리를 측정할 수 있다. 다파장 간섭계는 수 개의 셀 수 있는 파장을 사용한다. 그러나, 상기 스펙트럼 영역 간섭계(100)는 수 개 이상의 많은 파장을 사용한다. 이에 따라, 간섭 신호의 분석 방법이 서로 다르다.
상기 스펙트럼 영역 간섭계(100)는 간섭 신호(I(f))의 스펙트럼을 획득하여 분석한다. 상기 레이저 광원(110)의 파장 대역폭(wavelength bandwidth; wavelength BW)은 수 nm 내지 수백 nm 일 수 있다. 상기 스펙트럼 간섭계의 간섭 신호는 광경로차(optical path difference)에 의존한다. 주파수에 따라 간섭광의 세기가 변하지 않고, 두 개의 전자기파가 간섭하는 경우, 상기 스펙트럼 영역 간섭계의 간섭 신호(I(f))는 파장 또는 주파수에 따라 다음과 같이 주어진다.
Figure 112013019133937-pat00001
여기서, L은 스펙트럼 영역 간섭계의 광 경로차이며, f는 광의 주파수이고, c는 빛의 속도이고, γ는 간섭 신호의 가시도(상수)이고, I 0 는 배경광의 크기(상수)이다.
따라서, 상기 간섭 신호(I(f))의 주파수(f)에 대한 스펙트럼 주기는 c/L이다. 따라서, 주파수(f)에 대한 상기 간섭신호(I(f))의 스펙트럼을 분석하면, 상기 스펙트럼 주기(c/L)가 추출될 수 있다. 따라서, 상기 스펙트럼 주기(c/L)를 이용하면, 상기 광경로차(L)는 구해질 수 있다.
한편, 상기 스펙트럼 주기(c/L)를 구하기 위하여, 주파수에 대한 간섭 신호(I(f))는 푸리에 변환(Fourier Transformation)을 통하여 변환될 수 있다. 푸리에 영역(또는 시간 영역)에서, 진폭이 최대인 위치가 추출될 수 있다. 이에 따라, 상기 스펙트럼 주기(c/L)가 결정될 수 있다.
한편, 3 개의 전자기파가 간섭하여 간섭 신호를 형성하는 경우, 상기 스펙트럼 주기는 3개일 수 있다.
다파장 간섭계와 달리, 상기 스펙트럼 영역 간섭계(100)는 파장을 변경시키는 것을 요구하지 않는다. 따라서, 상기 스펙트럼 영역 간섭계(100)는 간섭 스펙트럼의 획득하여 실시간 정밀한 측정을 제공할 수 있다. 그러나, 상기 스펙트럼 영역 간섭계(100)는 통상적으로 수 nm 내지 수백 nm 범위의 파장 대역폭을 가진 광원을 요구한다. 따라서, 상기 스펙트럼 영역 간섭계(100)에 사용되는 광원이 제한적이다. 또한, 광대역의 광원이 있는 경우에도, 종모드 주파수 간격(fr)이 문제될 수 있다.
상기 스펙트럼 영역 간섭계(100)에서는 상기 레이저 광원(110)의 파장 대역폭(wavelength bandwidth; BW) 및 상기 스펙트럼 분석기(140)의 파장 분해능(Δλ s )에 의해 측정 영역이 결정될 수 있다.
구체적으로, 광경로차(L)가 큰 경우, 상기 간섭 신호(I(f))의 스펙트럼 주기(c/L)가 짧아진다. 따라서, 상기 간섭 신호(I(f))를 파장에 따라 공간적으로 분해할 수 있는 상기 스펙트럼 분석기(140)의 파장 분해능(Δλ s )에 의하여 최대 광경로차(L max)가 결정될 수 있다. 나이퀴스트 샘플링 이론에 의하면, 샘플링하고자 하는 신호의 주파수의 최소 2 배로 샘플링하여야 원 신호의 복원이 가능하다. 따라서, 상기 최대 광 경로차(L max)는 다음과 같이 주어질 수 있다.
Figure 112013019133937-pat00002
여기서, Δ f s 는 상기 스펙트럼 분석기의 주파수 분해능이고, Δλs는 상기 스펙트럼 분석기(140)의 파장 분해능이다.
한편, 광경로차(L)가 짧아지는 경우, 상기 스펙트럼 주기(c/L)는 증가한다. 즉, 상기 레이저 광원(110)의 파장 대역폭은 긴 스펙트럼 주기(c/L)를 제공할 수 있다. 따라서, 상기 광원의 파장 대역폭이 증가함에 따라, 측정할 수 있는 광경로차(L)는 감소할 수 있다. 측정할 수 있는 최소 광 경로차(L min)는 다음과 같이 주어진다.
Figure 112013019133937-pat00003
또한, 상기 간섭 신호(I(f))의 스펙트럼 분석을 위하여, 스펙트럼 분석기(140) 사용된다. 그러나, 상기 스펙트럼 분석기(140)는 고정된 소정의 파장 분해능(Δλ s )을 가진다. 상기 스펙트럼 분석기(140)에 따라 사용될 수 있는 상기 레이저 광원(110)이 결정될 수 있다. 소정의 파장 분해능(Δλ s )을 가진 스펙트럼 분석기(140)가 서로 다른 인접한 종모드를 분해할 수 있도록, 상기 레이저 광원의 출력에서 불필요한 종모드들을 제거하는 필터가 요구된다. 상기 필터는 광섬유 페룰 공진기(fiber-ferrule optical cavity)일 수 있다.
상기 레이저 광원(110)은 펄스 레이저 광원일 수 있다. 상기 레이저 광원(110)은 파이버 링 공진기(fiber ring resonaor; 117), 상기 파이버 링 공진기(117)에 장착되어 펌프광(1)을 상기 파이버 링 공진기(117)에 제공하는 파장 분할 다중화 결합기(wavelength division multiplexing coupler; WDM coupler; 112), 상기 펌프광(1)을 출력하는 펌프 광원(111), 상기 파이버 링 공진기(117)에 장착되고 상기 펌프 광을 통하여 펌핑되는 어븀 첨가 파이버(113), 상기 파이버 링 공진기(117)에 장착되고 모드 잠금(mode locking)을 유도하는 한 쌍의 편광 조절기(polarization controller, 114a,114b), 상기 파이버 링 공진기(117)에 장착되고 상기 파이버 링 공진기(117) 내부에 진행하는 광을 한 방향으로 진행하도록 분리기(isolator; 116), 및 상기 파이버 링 공진기(117)에서 일부의 출력을 추출하는 광 파이버 결합기(116)를 포함할 수 있다. 상기 레이저 광원(110)은 모드 잠김을 통하여 펄스열을 출력할 수 있다. 편광기(115)는 상기 한 쌍의 편광 조절기(polarization controller, 114a,114b) 사이에 추가적으로 배치되어 상기 모드 잠김을 유도할 수 있다.
상기 레이저 광원(110)은 일정한 종모드 주파수 간격(fr)을 가지고 복수의 종모드로 발진할 수 있다. 상기 종모드 주파수 간격(fr)은 fr = c/(2nd)로 주어진다. 여기서, c는 빛의 속도이고, n은 매질의 굴절률이고, d는 상기 파이버 링 공진기(117)의 길이이다. 상기 레이저 광원(110)의 중심 주파수는 1550 nm일 수 있다.
상기 종모드들은 독립적으로 진동하지만, 모드 잠금 수단에 의하여 상기 종모드들의 위상은 서로 동기화될 수 있다. 이에 따라, 모드 잠금된 레이저 광원은 주기적인 펄스열(pulse train)을 생성할 수 있다.
상기 펌프 광원(111)은 980 nm에서 동작하는 레이저 다이오드일 수 있다. 상기 펌프 광원이 출력하는 펌프광(1)은 상기 파장 분할 다중화 결합기(112)를 통하여 상기 광섬유 링 공진기(117)에 제공될 수 있다.
상기 어븀 첨가 광섬유(113)는 상기 광섬유 링 공진기에 결합되어 1500 nm 내지 1600 nm에 이르는 광대역 광(2)을 증폭할 수 있다. 이에 따라, 상기 광 섬유 링 공진기(117)는 1550 nm을 중심으로 광대역 광(2)을 발진시킬 수 있다.
상기 광대역 광(2)은 이득 곡선(gain curve) 내에 복수의 종모드들(longitudinal modes)을 가진다. 상기 광대역 광(2)은 분리기(isolator;116)를 통하여 한 방향으로 진행할 수 있다. 또한, 펄스 형태의 발진을 위해서는 모드 잠김(mode-locking)이 필요하다. 상기 모드 잠김은 한 쌍의 편광 조절기(114a,114b)를 이용하여 구현할 수 있다. 상기 펌프 광의 세기가 충분히 큰 경우, 상기 레이저 광원(110)은 펄스 동작할 수 있다.
상기 모드 잠김을 통하여 형성된 펄스 광의 일부는 광 방향성 결합기(116)를 통하여 출력 포트를 통하여 출력되고, 나머지 광은 다시 상기 광섬유 링 공진기(117)에 제공된다. 상기 레이저 광원(110)의 출력은 광 빗(optical comb)를 제공할 수 있다. 상기 종모드들 각각의 선폭(Linewidth;LW)는 상기 종모드 주파수 간격(fr)보다 작을 수 있다.
상기 종모드 주파수 간격(fr)은 통상적으로 수십 MHz 내지 수백 MHz이다. 예를 들어, 1550 nm를 중심으로 100 nm의 대역폭(BW)을 가진 경우, 종모드의 개수는 대략 수십 만개 정도일 수 있다. 100 MHz의 상기 종모드 주파수 간격(fr)을 파장으로 환산하면, 종모드 파장 간격(λr)은 대략 0.0008 nm 이다. 따라서, 상기 종모드 주파수 간격(fr) 또는 종모드 파장 간격(λr)은 통상적인 스펙트럼 분석기로 분해하기 어렵다. 통상적인 스펙트럼 분석기의 파장 분해능은 0.02 nm 정도이다. 따라서, 스페트럼 영역 간섭계를 구현하기 위하여, 종모드 주파수 간격의 변경 또는 불필요한 종모드의 제거가 요구된다.
따라서, 좁은 종모드 주파수 간격을 가진 레이저 광원의 출력광에서 불필요한 종모드들을 제거하기 위한 필터가 필요하다. 그러나, 상기 광섬유 페룰 공진기가 상기 광섬유 링 공진기 내부에 배치되는 경우, 상기 광섬유 페룰 공진기에 의하여 상기 레이저 광원의 안정성이 저하될 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 광섬유 페룰 공진기는 상기 파이버 링 공진기(117) 외부에 별도로 배치될 수 있다.
도 4a는 본 발명의 실시예에 따른 광섬유 페룰 공진기를 설명하는 정면도이다.
도 4b는 도 4a의 I-I'선을 따라 자른 단면도이다.
도 4c는 도 4a의 II-II'선을 따라 자른 단면도이다.
도 5는 도 4의 광섬유 페룰 공진기의 특성을 나타내는 그래프이다.
도 6은 광섬유 페룰 공진기를 통과한 출력광의 특성을 나타내는 그래프이다.
도 4 내지 도 6을 참조하면, 상기 광섬유 페룰 공진기(120)는 스펙트럼 분석기(140)가 제공된 종모드들을 서로 분해할 수 있도록 넓은 종모드 주파수 간격을 가진 필터된 광(4)을 제공할 수 있다.
상기 광섬유 페룰 공진기(120)는 소정의 길이의 파이버(123), 상기 파이버(123)를 감싸고 상기 파이버(123)의 양단과 정렬되는 페룰(124), 상기 페룰(124)의 양단에 코팅된 반사 코팅막(125), 상기 페룰(124)의 일부를 감싸는 제1 커넥터(122a), 및 상기 페룰(124)의 나머지 부위를 감싸는 제2 커넥터(122b)를 포함할 수 있다.
상기 광섬유 페룰 공진기(120)의 자유 스펙트럴 레인지(free spectral range;FSR)는 상기 스펙트럼 분석기의 주파수 분해능(Δ f s ) 이상일 수 있다. 상기 광섬유 페룰 공진기(120)의 주파수 투과폭(transmission band width; TBW)은 상기 레이저 광원의 하나의 종모드 만을 투과시키도록 상기 주파수 모드 간격(fr) 이하이고, 하나의 종모드의 선폭 이상일 수 있다.
상기 파이버(123)의 길이는 수 mm 내지 수십 mm일 수 있다. 상기 파이버(123)의 양단은 반사막으로 코팅되어, 상기 파이버(123)는 페브리-페럿 에탈론(Fabry-Perot Etalon)의 기능을 수행할 수 있다. 상기 파이버(123)를 고정시키고, 상기 파이버(123)의 양단에 반사 코팅을 위하여, 상기 파이버(123)는 페룰(124)에 삽입될 수 있다. 상기 반사 코팅막(125)은 유전체로 형성된 다층 박막일 수 있다.
상기 파이버(123)가 삽입된 페룰(124)의 양단은 평면으로 연마될 수 있다. 이에 따라, 상기 페룰(124)의 길이와 상기 파이버(123)의 길이는 동일할 수 있다. 연마되는 정도에 따라, 상기 페룰(124)의 길이가 정해질 수 있다. 이에 따라, 공진기의 길이가 정해질 수 있다. 이어서, 상기 페룰(124)의 양면은 반사막으로 코팅될 수 있다. 상기 페룰(124)의 재질은 플라스틱 재질일 수 있다. 상기 플라스틱 재질의 페룰은 상기 파이버에 상처 발생을 억제할 수 있다.
상기 페룰(124)은 커넥터의 중심축에 장착될 수 있다. 상기 제1 커넥터(122a) 및 상기 제2 커넥터(122b)의 중심에는 관통홀(128)이 형성될 수 있다. 구체적으로, 상기 페룰(124)의 좌측 절반 부위는 제1 커넥터(122a)의 관통홀(128)에 삽입되고, 상기 페룰(124)의 우측 절반 부위는 제2 커넥터(122b)의 관통홀(128)에 삽입될 수 있다. 상기 관통홀(128)의 직경은 실질적으로 상기 페룰(124)의 직경과 동일할 수 있다.
이어서, 에폭시 등의 접착제를 사용하여, 상기 페룰(124)은 상기 제1 커넥터(122a)와 제2 커넥터(122b)와 결합할 수 있다. 또한, 상기 제1 커넥터(122a)와 상기 제2 커넥터(122b)는 결합 수단(129)을 통하여 서로 고정될 수 있다.
상기 제1 커넥터(122a)는 외부 입력 파이버 커넥터(220)와 결합할 수 있는 구조를 가질 수 있다. 상기 제2 커넥터(122b)는 실질적으로 상기 제1 커넥터와 동일한 구조를 가질 수 있다. 이에 따라, 상기 제2 커넥터(122b)는 외부 출력 파이버 커넥터(320)와 결합할 수 있다.
상기 제1 커넥터(120)의 단면 형상은 사각형일 수 있다. 상기 제1 커넥터(122a)의 중심 축에 형성된 관통홀(128)에 상기 페룰(124)이 배치될 수 있다. 상기 제1 커넥터(122a)는 중심축 방향으로 돌출된 원통 형상의 슬리브(127)를 포함할 수 있다. 상기 슬리브(127)의 내경은 상기 페룰(124)의 외경과 실질적으로 일치할 수 있다. 상기 슬리브(127)의 외측에는 상기 슬리브(127)의 외경보다 큰 원통 형상의 결합 슬리브(126)가 배치될 수 있다. 상기 결합 슬리브(126)의 외측면에는 나사 산이 형성될 수 있다.
외부 입력 파이버 커넥터(220)는 입력 파이버(223)를 감싸는 입력 페룰(221), 및 상기 입력 페룰(221)을 감싸는 원통 형상의 입력 슬리브(222), 및 상기 입력 슬리브(222)의 외경보다 큰 직경을 가진 원통 형상의 입력 결합 슬리브(224)를 포함할 수 있다. 상기 입력 결합 슬리브(224)는 중심축 방향으로 이동할 수 있으며, 그 내측면에 나사홈이 형성될 수 있다. 상기 입력 페룰(221)의 직경과 상기 페룰(124)의 직경은 동일할 수 있다.
상기 입력 페룰(221)은 상기 페룰(124)과 정렬하고, 상기 입력 슬리브(222)는 상기 슬리브(127)와 상기 결합 슬리브(126) 사이에 삽입되고, 상기 결합 슬리브(126)와 상기 입력 결합 슬리브(224)는 서로 나사 결합할 수 있다.
상기 외부 입력 파이버 커넥터(220)와 상기 외부 출력 파이버 커넥터(330)는 동일한 구조를 가질 수 있다. 이에 따라, 상기 제2 커넥터(122b)와 상기 외부 출력 파이버 커넥터(330)는 서로 결합할 수 있다.
커넥터의 구조는 스프링 부하 방식의 ST형 커넥터, 또는 면접촉(face contact;FC) 커넥터, 사각형 구조의 SC 커넥터로 변형될 수 있다.
본 발명의 변형된 실시예에 따르면, 상기 제1 커넥터와 제2 커넥터는 일체형으로 생성될 수 있다.
상기 광섬유 페룰 공진기(120)는 페브리-페럿 에탈론(Fabry-Perot Etalon)의 기능을 수행할 수 있다. 상기 파이버(122)의 길이가 P인 경우, 상기 페룰 파이버 필터(120)의 자유 스펙트럴 레인지(free spectral range;FSR)는 FSR= c/(2nP) 과 같이 주어질 수 있다. 여기서, n은 상기 코어의 굴절률이다.
상기 광섬유 페룰 공진기(120)의 예리도(finesse;F) 및 주파수 투과폭(transmission bandwidth; TBW)은 반사율(R)의 함수로 다음과 같이 주어진다.
Figure 112013019133937-pat00004
즉, 상기 광섬유 페룰 공진기(120)의 반사율(R)은 코팅된 반사 코팅막(125)의 특성에 의존할 수 있다. 상기 반사율(R)은 0.9 내지 0.99의 범위 일 수 있다.
따라서, 상기 광섬유 페룰 공진기(120)는 상기 레이저 광원(110)의 종모드들 제공받아 자유 스펙트럴 레인지의 간격으로 상기 일정한 간격을 두고 걸러낼 수 있다. 도 5를 참조하면, 예시적으로 10개의 종모드 주파수 간격마다 하나의 종모드가 선택되었다.
구체적으로, 상기 레이저 광원(110)의 중심 파장이 1550 nm이고, 상기 레이저 광원의 종모드 주파수 간격(fr)이 250 MHz이고, 상기 스펙트럼 분석기(140)의 파장 분해능(Δλ s )이 0.02 nm ( 2.5 GHz에 대응)인 경우, 상기 광섬유 페룰 공진기의 자유 스펙트럴 레인지(free spectral range;FSR)는 상기 스펙트럼 분석기(140)의 파장 분해능(Δλ s )에 대응하는 2.5 GHz가 되도록, 상기 파이버(123)의 길이(P)는 대략 40 mm가 되도록 설계될 수 있다.
또한, 상기 광섬유 페룰 공진기(120)의 주파수 투과폭(transmission bandwidth; TBW)은 상기 레이저 광원의 하나의 종모드 만을 투과시키도록 상기 종모드 주파수 간격(fr)인 250 MHz로 설계될 수 있다. 이에 따라, TBW=250 MHz를 만족하도록, 상기 광섬유 페룰 공진기의 예리도(finesse;F)는 10으로 선택될 수 있다. 또한, F=10의 조건을 충족하기 위하여, 상기 코팅된 반사막의 반사율(R)이 70 퍼센트 이상이 되도록 설계될 수 있다.
상기 광섬유 페룰 공진기의 자유 스펙트럴 레인지(free spectral range;FSR)는 상기 스펙트럼 분석기의 주파수 분해능(Δ f s ) 이상일 수 있다. 또한, 상기 광섬유 페룰 공진기의 주파수 투과폭(transmission band width; TBW)은 상기 레이저 광원의 하나의 종모드 만을 투과시키도록 상기 주파수 모드 간격(fr) 이하일 수 있다. 상기 광섬유 페룰 공진기의 주파수 투과폭(transmission band width; TBW)은 충분한 신호를 얻기 위하여 하나의 종모드의 선폭(LW; linewidth) 이상일 수 있다.
상기 광섬유 페룰 공진기(120)의 길이를 변형하기 위하여, 다양한 길이의 페룰이 준비될 수 있다. 이에 따라, 소정의 길이를 가진 페룰이 선택될 수 있다.
이에 따라, 상기 페룰의 길이를 선택함에 따라, 상기 광섬유 페룰 공진기(120)의 자유 스펙트럴 레인지(free spectral range;FSR)는 조절될 수 있다.
다시, 도 1을 참조하면, 상기 간섭계(130)는 상기 간섭계는 2개의 입력 포트(137a,137b)와 2개의 출력 포트(138a,138b)를 포함하는 방향성 결합기를 포함할 수 있다. 상기 방향성 결합기는 2 개의 파이버를 서로 접합하여 형성할 수 있다. 입력 포트(137a,137b)와 2개의 출력 포트(138a,138b)는 서로 기능이 바뀔 수 있다.
제1 입력포트(137a)는 상기 광섬유 페룰 공진기로부터 제공된 광을 제공받아 광을 분배하여 2 개의 출력 포트(138a,138b)에 제공한다. 제1 출력 포트(138a)는 기준면(134)에 반사되는 제1 반사광을 제공받는다. 제2 출력 포트(138b)는 측정면(136)에서 반사되는 제2 반사광을 제공받는다. 제2 입력포트(137b)는 상기 제1 출력 포트(138a)에서 제공되는 상기 제1 반사광 및 상기 제2 출력 포트(138b)에서 제공되는 상기 제2 반사광을 결합하여 간섭광(6)을 출력할 수 있다. 상기 기준면 또는 상기 측정면은 측정 대상이 제공할 수 있다.
본 발명의 변형된 실시예에 따르면, 상기 간섭계(130)는 간섭을 형성할 수 있는 한 다양하게 변형될 수 있다. 상기 간섭계는 측정 대상의 구조에 의존할 수 있다.
상기 스펙트럼 분석기(140)는 상기 간섭광(6)을 파장에 따라 공간적으로 분해할 수 있다. 상기 스펙트럼 분석기(140)는 빛의 스펙트럼을 계측하는 장치로서, 간섭 분광기, 프리즘 분광기, 필터 분광기, 회절격자 분광기, 및 이들의 조합일 수 있다.
구체적으로, 상기 스펙트럼 분석기(140)는 프리즘 분광기로 삼각기둥 형상의 프리즘을 포함할 수 있다. 상기 프리즘은 파장에 따라 서로 다른 각도로 굴절시킬 수 있다. 이에 따라, 상기 간섭광은 파장에 따라 공간적으로 분해될 수 있다. 주파수에 따라 공간적으로 분해된 간섭광은 검출기(146)를 통하여 측정될 수 있다. 상기 검출기(146)는 주파수에 따라 공간적으로 분해된 간섭광을 각각 측정하여 간섭 신호(I(f))를 출력할 수 있다. 이에 따라, 주파수 또는 파장에 따른 상기 간섭 신호가 측정될 수 있다.
상기 스펙트럼 분석기(140)는 제1 프리즘 및 제2 프리즘을 포함할 수 있다. 상기 제1 프리즘(142)은 간섭광을 처음 입력받는 프리즘으로, 삼각기둥 형상일 수 있다. 상기 제2 프리즘(144)은 제1프리즘(142)을 통과한 간섭광을 입력받는 프리즘으로 역삼각기둥 형상일 수 있다. 상기 제1 프리즘(142)은 간섭광을 파장에 따라 서로 다른 굴절각을 갖도록 공간적으로 분해할 수 있다. 상기 제2 프리즘(144)은 서로 다른 입사각을 갖는 파장들을 같은 굴절각을 갖도록 공간적으로 분해할 수 있다. 이에 따라, 상기 스펙트럼 분석기(140)는 위치와 파장이 서로 비례하도록 공간적으로 파장을 분해할 수 있다.
상기 검출기(146)는 파장에 따른 간섭광을 측정할 수 있다. 이에 따라, 상기 검출기(146)는 상기 레이저 광원의 대역폭(BW)에 대하여 측정하기 위하여 1차원 광 센서 에레이 또는 2차원 광 센서 어레이일 수 있다. 하나의 광 센서는 하나의 파장만을 검출할 수 있다. 각 광 센서의 측정 파장은 이미 결정될 수 있다. 따라서, 상기 레이저 광원의 대역폭(BW)에 대하여 스펙트럼 주기를 확인하기 위하여, 상기 광 센서의 개수는 충분히 클 수 있다. 상기 검출기는 복수의 채널의 간섭 신호를 신호 처리부에 제공할 수 있다.
상기 검출기(146)의 출력 신호인 간섭 신호(I(f))는 신호 처리부에 실시간으로 제공될 수 있다. 이에 따라, 상기 신호 처리부는 다채널의 상기 간섭 신호를 디지털 신호로 변환하여 메모리에 저장할 수 있다. 동시에 측정된 파장에 따른 간섭 신호는 조합될 수 있다. 상기 신호 처리부(160)는 조합된 간섭 신호를 푸리에 변환 또는 곡선 맞춤을 통하여 스펙트럼 주기(c/L)를 추출할 수 있다. 상기 신호 처리부(160)는 상기 스펙트럼 주기(c/L)를 이용하여 광 경로차(L) 또는 측정 대상의 두께를 산출할 수 있다.
본 발명의 변형된 실시예에 따르면, 별도의 광 증폭기가 상기 광섬유 페룰 공진기의 후단에 장착될 수 있다.
도 7은 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 스펙트럼 영역 간섭 장치를 설명하는 도면이다.
도 8은 수퍼루미네슨트 다이오드(Superluminescent diode;SLD)의 주파수 특성을 나타내는 도면이다.
도 9는 광섬유 페룰 공진기를 통과한 광의 주파수 특성을 나타내는 도면이다.
도 7 내지 도 9를 참조하면, 스펙트럼 영역 간섭 장치(300)는 넓은 주파수 대역을 가진 광원(310), 소정의 자유 스펙트럴 레인지(free spectral range) 마다 소정의 주파수 투과폭(transmission band width; TBW)으로 상기 광원으로부터 제공받은 광을 투과시키는 광섬유 페룰 공진기(fiber-ferrule optical cavity; 120), 상기 광섬유 페룰 공진기(120)로부터 광을 제공받아 서로 다른 광 경로에 의한 광 경로차를 가지는 간섭광을 제공하는 간섭계(330), 상기 간섭계(330)로부터 상기 간섭광을 제공받아 주파수에 따라 상기 간섭광을 분해하여 측정하는 스펙트럼 분석기(140), 및 상기 스펙트럼 분석기(140)의 간섭 신호를 이용하여 주파수에 따른 상기 간섭 신호의 스펙트럼 주기를 추출하고, 상기 스펙트럼 주기를 이용하여 상기 간섭계가 제공한 상기 광 경로차를 추출하는 신호 처리부(160)를 포함한다. 상기 광섬유 페룰 공진기의 상기 자유 스펙트럴 레인지(free spectral range;FSR)는 상기 스펙트럼 분석기의 주파수 분해능(Δ f s ) 이상이다.
상기 광섬유 페룰 공진기(120)는 소정의 길이의 파이버(123), 상기 파이버(123)를 감싸고 상기 파이버(123)의 양단과 정렬되는 페룰(124), 상기 페룰(124)의 양단에 코팅된 반사 코팅막, 상기 페룰(124)의 일부를 감싸는 제1 커넥터(122a), 및 상기 페룰(124)의 나머지 부위를 감싸는 제2 커넥터(122b)를 포함할 수 있다.
상기 광원(310)은 수퍼루미네슨트 다이오드(Superluminescent diode;SLD)일 수 있다. 상기 수퍼루미네슨트 다이오드의 특성은 레이저 다이오드(LD)와 LED의 중간의 특성을 가질 수 있다. 상기 광원(310)의 대역폭은 수 nm 내지 수백 nm일 수 있다. 상기 광원(310)은 종모드를 포함하지 않고, 발진(lasing)하지 않을 수 있다.
본 발명의 변형된 실시예에 따르면, 상기 광원(310)은 LED, 또는 백색광원일 수 있다.
연속 스펙트럼을 가진 상기 광원(310)이 상기 광섬유 페룰 공진기(120)를 거치지 않고 간섭계를 거쳐 스펙트럼 분석기에 제공되는 경우, 스펙트럼 분석기에서 하나의 검출기 픽셀은 복수의 파장에 대하여 평균된 간섭광을 검출한다. 하나의 검출기 픽셀은 입사하는 모든 대역의 간섭 신호를 측정한다. 따라서, 파장 평균된 간섭 신호는 측정 정밀도를 악화시킬 수 있다. 따라서, 상기 광원(310)의 스펙트럼을 일정한 간격으로 분리할 필요가 있다.
상기 광섬유 페룰 공진기(120)는 상기 광원(310)으로부터 광대역 광(32)을 제공받아 소정의 자유 스펙트럴 레인지(free spectral range) 마다 소정의 주파수 투과폭(transmission band width; TBW)을 선폭(linewidth)으로 가지도록 광을 투과시킬 수 있다. 이에 따라, 상기 광섬유 페룰 공진기(120)를 통과한 필터된 광(34)은 레이저 광원의 종모드와 유사한 스펙트럼이 생성될 수 있다.
상기 자유 스펙트럴 레인지(free spectral range)는 스펙트럼 분석기(140)의 주파수 분해능(Δ f s ) 이상일 수 있다. 이에 따라, 상기 스펙트럼 분석기(140)는 간섭계가 생성한 간섭광을 파장에 따라 측정할 수 있다.
상기 간섭계(330)는 평행광 렌즈( collimation lens; 332), 빔 스플릿터(beam splitter; 334), 및 집속 렌즈(338)를 포함할 수 있다. 상기 평행광 렌즈(332)는 상기 광섬유 페룰 공진기(120)에서 출력되는 광(34)을 평행광으로 변환할 수 있다. 상기 평행광 렌즈(332)는 볼록 렌즈일 수 있다.
상기 빔 스플릿터(334)는 상기 평행광 렌즈(332)를 통과한 광을 투과시켜 측정 대상(336)에 제공하고, 상기 측정 대상(336)의 기준면(336a)에서 반사된 제1 반사광(E1)과 상기 측정 대상(336)의 측정면(336b,336c)에서 반사된 반사광(E2,E3)을 반사시켜 스펙트럼 분석기(140)에 제공할 수 있다.
상기 측정 대상(336)은 반도체 소자가 형성된 실리콘 기판일 수 있다. 상기 실리콘 기판은 TSV(Through Silicon Via )라는 가늘고 깊은 비아홀(337)이 형성될 수 있다. 상기 비아홀(337)의 깊이는 수 마이크로미터 내지 수백 마이크로미터일 수 있다.
상기 필터된 광(34)은 상기 평행광 렌즈(332) 및 상기 빔 스플릿터(334)를 통과하여 상기 측정 대상(336)에 입사한다. 상기 측정 대상(336)의 기준면(336a)은 평면이고, 상기 측정 대상(336)의 측정면(336b,336c)은 상기 비아홀(337)이 형성된 면일 수 있다. 상기 필터된 광의 일부는 상기 기준면(336a)에서 반사되어 제1 반사광(E1)을 제공할 수 있다. 또한, 상기 비아홀(337)의 바닦면(336b)에서 반사된 광은 제2 반사광(E2)을 제공할 수 있다. 또한, 상기 측정면(336c)에서 반사된 광은 제3 반사광(E3)을 형성할 수 있다. 상기 제1 내지 제3 반사광은 상기 빔 스플릿터(334)에 의하여 반사되어 집속 렌즈(338)에 제공될 수 있다. 상기 제1 내지 제3 반사광(E1~E3)은 상기 집속 렌즈를 통과하여 간섭광을 형성할 수 있다. 상기 간섭광은 상기 측정 대상에 대하여 공간적으로 평균될 수 있다. 공간 평균된 간섭광은 상기 스펙트럼 분석기를 통하여 파장에 따라 공간적으로 분해되어 측정될 수 있다. 이에 따라, 스펙트럼 주기는 3개일 수 있다. 상기 스펙트럼 주기를 이용하여 상기 비아홀(337)의 깊이가 산출될 수 있다.
도 10은 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 스펙트럼 영역 간섭 장치를 설명하는 도면이다.
도 11은 도 10의 스펙트럼 분석기를 나타내는 사시도이다.
도 10 및 도 11을 참조하면, 스펙트럼 영역 간섭 장치(400)는 넓은 주파수 대역을 가진 광원(310), 소정의 자유 스펙트럴 레인지(free spectral range) 마다 소정의 주파수 투과폭(transmission band width; TBW)으로 상기 광원으로부터 제공받은 광을 투과시키는 광섬유 페룰 공진기(fiber-ferrule optical cavity; 120), 상기 광섬유 페룰 공진기(120)로부터 광을 제공받아 서로 다른 광 경로에 의한 광 경로차를 가지는 간섭광을 제공하는 간섭계(430), 상기 간섭계(430)로부터 상기 간섭광을 제공받아 주파수에 따라 상기 간섭광을 분해하여 측정하는 스펙트럼 분석기(140), 및 상기 스펙트럼 분석기(140)의 간섭 신호를 이용하여 주파수에 따른 상기 간섭 신호의 스펙트럼 주기를 추출하고, 상기 스펙트럼 주기를 이용하여 상기 간섭계가 제공한 상기 광 경로차를 추출하는 신호 처리부(160)를 포함한다. 상기 광섬유 페룰 공진기(120)의 자유 스펙트럴 레인지(free spectral range;FSR)는 상기 스펙트럼 분석기(140)의 주파수 분해능(Δ f s ) 이상일 수 있다.
상기 광섬유 페룰 공진기(120)는 상기 광원(310)으로부터 광대역 광(32)을 제공받아 소정의 자유 스펙트럴 레인지(free spectral range) 마다 소정의 주파수 투과폭(transmission band width; TBW)을 선폭(linewidth)으로 가지도록 광을 투과시킬 수 있다. 이에 따라, 상기 광섬유 페룰 공진기(120)를 통과한 필터된 광(34)은 레이저 광원의 종모드와 유사한 스펙트럼이 생성될 수 있다.
상기 간섭계(430)는 평행광 렌즈( collimation lens; 432), 빔 스플릿터(beam splitter; 434), 및 슬릿(439)를 포함할 수 있다. 상기 평행광 렌즈(432)는 상기 광섬유 페룰 공진기(120)에서 출력되는 광을 평행광으로 변환할 수 있다. 상기 평행광 렌즈(432)는 볼록 렌즈일 수 있다.
상기 빔 스플릿터(434)는 상기 평행광 렌즈(432)를 통과한 광을 투과시켜 측정 대상(436)에 제공하고, 상기 측정 대상(436)의 기준면(336a)에서 반사된 제1 반사광(E1)과 상기 측정 대상(436)의 측정면(436b,436c)에서 반사된 반사광(E2,E3)을 반사시켜 스펙트럼 분석기(140)에 제공할 수 있다.
상기 측정 대상(436)은 반도체 소자가 형성된 실리콘 기판일 수 있다. 상기 실리콘 기판은 TSV(Through Silicon Via )라는 가늘고 깊은 비아홀(437)이 형성될 수 있다. 상기 비아홀(437)의 깊이는 수 마이크로미터 내지 수백 마이크로미터일 수 있다.
상기 필터된 광은 상기 평행광 렌즈(432) 및 상기 빔 스플릿터(434)를 통과하여 상기 측정 대상(436)에 입사한다. 상기 측정 대상(436)의 기준면(436a)은 평면이고, 상기 측정 대상(436)의 측정면(436b,436c)은 상기 비아홀(437)이 형성된 면일 수 있다. 상기 필터된 광의 일부는 상기 기준면(436a)에서 반사되어 제1 반사광(E1)을 제공할 수 있다. 또한, 상기 비아홀(437)의 바닦면(436b)에서 반사된 광은 제2 반사광(E2)을 제공할 수 있다. 또한, 상기 측정면(436c)에서 반사된 광은 제3 반사광(E3)을 형성할 수 있다. 상기 비아홀의 깊이는 위치에 따라 서로 다를 수 있다. 따라서, 위치에 따른 상기 비아홀의 깊이는 측정될 수 있다. 상기 제1 반사광과 제2 반사광은 제1 간섭광을 형성하고, 제1 반사광과 제3 반사광은 제2 간섭광을 형성할 수 있다.
상기 슬릿(439)은 y축 방향으로 연장될 수 있다. 이에 따라, x축 방향에 따른 간섭광은 제거될 수 있다. 상기 슬릿을 통과한 광(B1)은 y축 방향으로 띠 형상을 가질 수 있다. 상기 슬릿을 통과한 광(B1)은 y축을 따른 위치에 따라, B11 내지 B14를 포함할 수 있다. B11은 상기 스펙트럼 분석기를 통하여 파장에 따라 공간적(x축 방향)으로 분해되어 측정될 수 있다. 이에 따라, 검출기(146)은 주파수와 파장에서 따른 간섭 신호를 출력할 수 있다. 동일한 y위치를 가진 간섭신호(I(f1,y1), I(f2,y1), I(f3,y1))는 스펙트럼 주기를 제공할 수 있다. 상기 스펙트럼 주기는 측정 대상의 특정한 위치에서 상기 비아홀(337)의 깊이로 변환될 수 있다.
본 발명의 변형된 실시예에 따르면, 상기 슬릿(439)은 간섭계에서 제거되어 스펙트럼 분석기에 장착될 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
100: 스펙트럼 영역 간섭 장치
110: 레이저 광원
120: 광섬유 페룰 공진기(fiber-ferrule optical cavity)
130: 간섭계
140: 스펙트럼 분석기
160: 신호 처리부

Claims (17)

  1. 일정한 주파수 대역에서 일정한 종모드 주파수 간격을 가지고 발진하는 레이저 광원;
    상기 레이저 광원으로부터 광을 제공받아 상기 종모드 주파수 간격보다 큰 자유 스펙트럴 레인지(free spectral range)를 가지고 선택된 종모드들을 투과시키는 광섬유 페룰 공진기(fiber-ferrule optical cavity);
    상기 광섬유 페룰 공진기로부터 광을 제공받아 서로 다른 광 경로에 의한 광 경로차를 가지는 간섭광을 제공하는 간섭계;
    상기 간섭계로부터 상기 간섭광을 제공받아 주파수에 따라 상기 간섭광을 분해하여 측정하는 스펙트럼 분석기; 및
    상기 스펙트럼 분석기의 간섭 신호를 이용하여 주파수에 따른 상기 간섭 신호의 스펙트럼 주기를 추출하고, 상기 스펙트럼 주기를 이용하여 상기 간섭계가 제공한 상기 광 경로차를 추출하는 신호 처리부를 포함하는 것을 특징으로 하는 스펙트럼 영역 간섭 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 레이저 광원은:
    파이버 링 공진기;
    상기 파이버 링 공진기에 장착되어 펌프광을 제공하는 파장 분할 다중화 결합기(wavelength division multiplexing coupler; WDM coupler);
    상기 펌프광을 출력하고 상기 펌프광을 상기 파장 분할 다중화 결합기를 통하여 상기 파이버 링 공진기에 제공하는 펌프 광원;
    상기 파이버 링 공진기에 장착되고 상기 펌프 광을 통하여 펌핑되는 어븀 첨가 파이버;
    상기 파이버 링 공진기에 장착되고 모드 잠금을 유도하는 한 쌍의 편광 조절기(polarization controller);
    상기 파이버 링 공진기에 장착되고 상기 파이버 링 공진기 내부에 진행하는 광을 한 방향으로 진행하도록 분리기(isolator); 및
    상기 파이버 링 공진기에서 일부의 출력을 추출하는 광 파이버 결합기를 포함하고,
    상기 레이저 광원은 모드 잠김을 통하여 펄스열을 출력하는 것을 특징으로 하는 스펙트럼 영역 간섭 장치.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 광섬유 페룰 공진기는:
    소정의 길이의 파이버;
    상기 파이버를 감싸고 상기 파이버의 양단과 정렬되는 페룰;
    상기 페룰의 양단에 코팅된 반사 코팅막;
    상기 페룰의 일부를 감싸는 제1 커넥터; 및
    상기 페룰의 나머지 부위를 감싸는 제2 커넥터를 포함하고,
    상기 광섬유 페룰 공진기의 자유 스펙트럴 레인지(free spectral range;FSR)는 상기 스펙트럼 분석기의 주파수 분해능(Δfs ) 이상이고,
    상기 광섬유 페룰 공진기의 주파수 투과폭(transmission band width; TBW)은 상기 레이저 광원의 하나의 종모드 만을 투과시키도록 상기 주파수 모드 간격(fr) 이하이고, 하나의 종모드의 선폭 이상인 것을 특징으로 하는 스펙트럼 영역 간섭 장치.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 간섭계는 기준면에서 반사되는 제1 반사광과 측정면에서 반사되는 제2 반사광을 이용하여 간섭광을 형성하는 것을 특징으로 하는 스펙트럼 영역 간섭 장치.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 간섭계는 2개의 입력 포트와 2개의 출력 포트를 포함하는 방향성 결합기를 포함하고,
    제1 입력포트는 상기 광섬유 페룰 공진기로부터 제공된 광을 제공받아 광을 분배하여 2 개의 출력 포트에 제공하고,
    제1 출력 포트는 기준면에 반사되는 제1 반사광을 제공받고,
    제2 출력 포트는 측정면에서 반사되는 제2 반사광을 제공받고,
    제2 입력포트는 상기 제1 출력 포트에서 제공되는 상기 제1 반사광 및 상기 제2 출력 포트에서 제공되는 상기 제2 반사광을 결합한 간섭광을 출력하는 것을 특징으로 하는 스펙트럼 영역 간섭 장치.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 간섭계는:
    상기 광섬유 페룰 공진기에서 출력되는 광을 평행광으로 변환하는 평행광 렌즈; 및
    상기 평행광 렌즈를 통과한 광을 투과시켜 측정 대상에 제공하고, 상기 측정 대상의 기준면에서 반사된 제1 반사광과 상기 측정 대상의 측정면에서 반사된 제2 반사광을 반사시켜 스펙트럼 분석기에 제공하는 빔 스플릿터를 포함하는 것을 특징으로 하는 스펙트럼 영역 간섭 장치.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 간섭계는 슬릿을 더 포함하고,
    상기 슬릿은 상기 빔 스플릿터로부터 상기 제1 반사광 및 제2 반사광을 제공받아 띠 형태의 빔을 상기 스펙트럼 분석기에 제공하는 것을 특징으로 하는 스펙트럼 영역 간섭 장치.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 스펙트럼 분석기는 상기 띠 형태의 빔을 제공받아 상기 빔의 위치마다 주파수에 따라 공간적으로 분해하여, 상기 빔의 위치 및 주파수에 따른 간섭광의 세기를 2차원적으로 측정하는 것을 특징으로 하는 스펙트럼 영역 간섭 장치.
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 스펙트럼 분석기는 삼각 기둥 형상의 제1 프리즘 및 역삼각 기둥 형상의 제2 프리즘을 포함하는 것을 특징으로 하는 스펙트럼 영역 간섭 장치.
  10. 제1 항에 있어서,
    상기 신호 처리부는 주파수에 따른 상기 간섭 신호를 실시간으로 푸리에 변환하여 적어도 하나의 스펙트럼 주기를 추출하는 것을 특징으로 하는 스펙트럼 영역 간섭 장치.
  11. 넓은 주파수 대역을 가진 광원;
    소정의 자유 스펙트럴 레인지(free spectral range) 마다 소정의 주파수 투과폭(transmission band width; TBW)으로 상기 광원으로부터 제공받은 광을 투과시키는 광섬유 페룰 공진기(fiber-ferrule optical cavity);
    상기 광섬유 페룰 공진기로부터 광을 제공받아 서로 다른 광 경로에 의한 광 경로차를 가지는 간섭광을 제공하는 간섭계;
    상기 간섭계로부터 상기 간섭광을 제공받아 주파수에 따라 상기 간섭광을 분해하여 측정하는 스펙트럼 분석기; 및
    상기 스펙트럼 분석기의 간섭 신호를 이용하여 주파수에 따른 상기 간섭 신호의 스펙트럼 주기를 추출하고, 상기 스펙트럼 주기를 이용하여 상기 간섭계가 제공한 상기 광 경로차를 추출하는 신호 처리부를 포함하고,
    상기 광섬유 페룰 공진기의 상기 자유 스펙트럴 레인지(free spectral range;FSR)는 상기 스펙트럼 분석기의 주파수 분해능(Δ f s ) 이상인 것을 특징으로 하는 스펙트럼 영역 간섭 장치.
  12. 제11 항에 있어서,
    상기 광섬유 페룰 공진기는:
    소정의 길이의 파이버;
    상기 파이버를 감싸고 상기 파이버의 양단과 정렬되는 페룰;
    상기 페룰의 양단에 코팅된 반사 코팅막;
    상기 페룰의 일부를 감싸는 제1 커넥터; 및
    상기 페룰의 나머지 부위를 감싸는 제2 커넥터를 포함하는 것을 특징으로 하는 스펙트럼 영역 간섭 장치.
  13. 제11 항에 있어서,
    상기 간섭계는 2개의 입력 포트와 2개의 출력 포트를 포함하는 방향성 결합기를 포함하고,
    제1 입력포트는 상기 광섬유 페룰 공진기로부터 제공된 광을 제공받아 광을 분배하여 2 개의 출력 포트에 제공하고,
    제1 출력 포트는 기준면에 반사되는 제1 반사광을 제공받고,
    제2 출력 포트는 측정면에서 반사되는 제2 반사광을 제공받고,
    제2 입력포트는 상기 제1 출력 포트에서 제공되는 상기 제1 반사광 및 상기 제2 출력 포트에서 제공되는 상기 제2 반사광을 출력하는 것을 특징으로 하는 스펙트럼 영역 간섭 장치.
  14. 제11 항에 있어서,
    상기 간섭계는:
    상기 광섬유 페룰 공진기에서 출력되는 광을 평행광으로 변환하는 평행광 렌즈; 및
    상기 평행광 렌즈를 통과한 광을 투과시켜 측정 대상에 제공하고, 상기 측정 대상의 기준면에서 반사된 제1 반사광과 상기 측정 대상의 측정면에서 반사된 제2 반사광을 반사시켜 상기 스펙트럼 분석기에 제공하는 빔 스플릿터를 포함하는 것을 특징으로 하는 스펙트럼 영역 간섭 장치.
  15. 제11 항에 있어서,
    상기 신호 처리부는 주파수에 따른 상기 간섭 신호를 실시간으로 푸리에 변환하여 적어도 하나의 상기 스펙트럼 주기를 추출하는 것을 특징으로 하는 스펙트럼 영역 간섭 장치.
  16. 일정한 주파수 대역에서 일정한 주파수 모드 간격을 가지고 발진하는 레이저 광원을 제공하는 단계;
    광섬유 페룰 공진기(fiber-ferrule optical cavity)를 이용하여 상기 레이저 광원으로부터 광을 제공받아 상기 주파수 모드 간격보다 큰 자유 스펙트럴 레인지(free spectral range)를 가지고 선택된 종모드들을 투과시키는 필터링 단계;
    상기 광섬유 페룰 공진기로부터 광을 제공받아 서로 다른 광 경로에 의한 광 경로차를 가지는 간섭광을 제공하는 단계;
    상기 간섭광을 이용하여 주파수에 따라 상기 간섭광을 분해하여 측정하는 단계; 및
    주파수에 따른 상기 간섭광의 세기의 스펙트럼 주기를 추출하고, 상기 스펙트럼 주기를 이용하여 상기 간섭광이 제공한 상기 광 경로차를 추출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 스펙트럼 영역 간섭 방법.
  17. 넓은 주파수 대역을 가진 광원을 제공하는 단계;
    광섬유 페룰 공진기(fiber-ferrule optical cavity)를 이용하여 상기 광원으로부터 광을 제공받아 소정의 자유 스펙트럴 레인지(free spectral range) 마다 소정의 주파수 투과폭(transmission band width; TBW)으로 투과시키어 필터링하는 단계;
    상기 광섬유 페룰 공진기로부터 광을 제공받아 서로 다른 광 경로에 의한 광 경로차를 가지는 간섭광을 제공하는 단계;
    상기 간섭광을 제공받아 주파수에 따라 스펙트럼 분석기를 이용하여 상기 간섭광을 분해하여 측정하는 단계; 및
    주파수에 따른 상기 간섭광의 세기의 스펙트럼 주기를 추출하고, 상기 스펙트럼 주기를 이용하여 상기 광 경로차를 추출하는 단계를 포함하고,
    상기 광섬유 페룰 공진기의 자유 스펙트럴 레인지(free spectral range;FSR)는 상기 간섭광을 분해하는 상기 스펙트럼 분석기의 주파수 분해능(Δ f s ) 이상인 것을 특징으로 하는 스펙트럼 영역 간섭 방법.
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