KR101716372B1 - 초광대역 광원 기반 파장 훑음 광원 - Google Patents

Abstract

본 발명은 파장 훑음 광원에 관한 것으로, 본 실시 예에 따른 초광대역 광원 기반 파장 훑음 광원(100)은 초단 광 펄스 레이저 펌프 빔을 발생하는 펌프부(110); 펌프부로부터 입사된 펄스 레이저 펌프 빔을 초 광대역 광으로 변환하여 출력하는, 비선형성을 갖는 광섬유(120); 및 광섬유에서 출력된 초 광대역 광의 파장을 주기적으로 가변시키는 파장 가변 필터(130)를 포함한다. 본 실시 예에 의하면, 고속으로 파장을 가변할 수 있고, 초 광대역의 넓은 파장 범위에서 원하는 파장 밴드를 선택할 수 있는 파장 훑음 광원이 제공된다.

Description

초광대역 광원 기반 파장 훑음 광원{wavelength-swept source based on super-continuum source}

본 발명은 파장 훑음 광원(wavelength-swept source)에 관한 것으로, 보다 상세하게는 초광대역 광원(super-continuum source) 기반 파장 훑음 광원에 관한 것이다.

파장 훑음 광원 장치는 각각 다른 주파수를 갖는 복수의 광들을 순차적으로 출사하는 장치이다. 파장 훑음 광원 장치는 산업 공정 감시용 실시간 OCT(Optical Coherent Tomography) 계측기, 의료용 3차원 OCT 계측기, 광 통신용 광원, 반도체 분석기, 고분자 물질 분석 분광기, 환경 가스 감시 장치용 광원 등 많은 분야에 사용되고 있다.

파장 훑음 광원 장치는 공진기(resonator)의 구현 형태에 따라 벌크 옵틱스(Bulk Optics)형, 반도체 집적 광소자형, 광섬유(Fiber Optics)형 등으로 분류될 수 있다. 벌크 옵틱스형 장치는 정밀한 광 정렬을 필요로 하고, 부피가 크다는 문제점을 갖고 있다. 또한, 벌크 옵틱스형 장치는 기계적인 진동이 커서 신뢰성이 낮은 단점을 갖는다. 반도체 집적 광소자형 장치는 파장 변경 작동 중 발진 모드가 불연속적으로 이동하는 모드 호핑(Mode Hopping) 현상이 생길 수 있으며, 주파수 변경 방식이 복잡한 단점을 갖는다.

광섬유형 장치의 경우, 광섬유의 선형 또는 비선형 특성에 따라 다양한 구성과 형태로 파장 훑음 광원을 구현할 수 있는 장점을 갖는다. 그런데, 기존의 광섬유형 파장 훑음 광원 장치는 이득매질의 종류에 따라 중심 파장이 정해지는 것으로써, 파장 훑음 광원 장치의 사용 용도에 따라 중심 파장을 용이하게 변화시키기 어려운 구조를 갖는다.

본 발명은 고속으로 파장을 가변할 수 있고, 초 광대역의 넓은 파장 범위에서 원하는 파장 밴드를 선택할 수 있는 파장 훑음 광원을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급된 과제로 제한되지 않는다. 언급되지 않은 다른 기술적 과제들은 이하의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 일 측면에 따른 초광대역 광원 기반 파장 훑음 광원은 초단 광 펄스 레이저 펌프 빔을 발생하는 펌프부; 상기 펌프부로부터 입사된 상기 펄스 레이저 펌프 빔을 초 광대역 광으로 변환하여 출력하는, 비선형성을 갖는 광섬유; 및 상기 광섬유에서 출력된 상기 초 광대역 광의 파장을 주기적으로 가변시키는 파장 가변 필터를 포함한다.

상기 광섬유는 광자 결정 광섬유 또는 분산 천이 광섬유를 포함할 수 있다.

상기 파장 가변 필터는 다면체 거울 스캐너; 상기 다면체 거울 스캐너에 광을 집속하여 제공하고, 상기 다면체 거울 스캐너로부터 반사된 광을 제공받아 집속하는 적어도 하나의 광집속렌즈; 상기 광집속렌즈에 광을 회절하여 제공하고, 상기 광집속렌즈로부터 광을 제공받아 회절시키는 회절 격자; 및 상기 광섬유의 출력단에 구비된 광선로의 광을 상기 회절 격자로 제공하고, 상기 회절 격자로부터 제공받은 광을 상기 광선로에 제공하는 콜리메이터를 포함할 수 있다.

상기 파장 훑음 광원의 중심 파장 대역은 상기 회절 격자의 중심 파장에 따라 선택될 수 있다.

본 발명의 다른 일 측면에 따르면, 상기 광대역 광원 기반 파장 훑음 광원을 포함하는 다이나믹 광섬유 센서가 제공된다.

본 발명의 또 다른 일 측면에 따르면, 상기 초광대역 광원 기반 파장 훑음 광원을 포함하는 광간섭 단층촬영장치가 제공된다.

본 발명의 또 다른 일 측면에 따르면, 초단 광 펄스 레이저 펌프 빔을 발생하는 단계; 비선형성을 갖는 광섬유를 이용하여 상기 펄스 레이저 펌프 빔을 초 광대역 광으로 변환하는 단계; 및 파장 가변 필터를 이용하여 상기 광섬유에서 출력된 상기 초 광대역 광의 파장을 주기적으로 가변시키는 단계를 포함하는 초광대역 광원 기반 파장 훑음 광원 생성 방법이 제공된다.

상기 초광대역 광원 기반 파장 훑음 광원 생성 방법은 상기 파장 가변 필터의 중심 파장에 따라 상기 파장 훑음 광원의 출력광의 중심 파장 대역이 선택될 수 있다.

본 발명의 실시 예에 의하면, 고속으로 파장을 가변할 수 있고, 초 광대역의 넓은 파장 범위에서 원하는 파장 밴드를 선택할 수 있는 파장 훑음 광원이 제공된다.

또한, 본 발명의 실시 예에 의하면, 파장 가변 필터의 중심 파장에 따라 파장 훑음 광원의 출력 광의 중심 파장 대역을 초 광대역의 넓은 파장 범위 내에서 용이하게 조절할 수 있다.

본 발명의 효과는 상술한 효과들로 제한되지 않는다. 언급되지 않은 효과들은 본 명세서 및 첨부된 도면으로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확히 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 초광대역 광원 기반 파장 훑음 광원을 개략적으로 보여주는 구성도이다.
도 2는 도 1에 도시된 'A'부분의 광, 즉 광섬유에서 출력된 초 광대역 광의 파장분포를 보여주는 예시도이다.
도 3은 도 1에 도시된 'B'부분의 광, 즉 파장 가변 필터에 의해 가변되는 파장을 갖는 광의 파장분포를 보여주는 예시도이다.
도 4는 도 1에 도시된 초광대역 광원 기반 파장 훑음 광원에서 파장 가변 필터의 실시 예를 보여주는 도면이다.
도 5는 도 4에 도시된 파장 가변 필터를 확대하여 보여주는 도면이다.

본 발명의 다른 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술하는 실시 예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되지 않으며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.

만일 정의되지 않더라도, 여기서 사용되는 모든 용어들(기술 혹은 과학 용어들을 포함)은 이 발명이 속한 종래 기술에서 보편적 기술에 의해 일반적으로 수용되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 공지된 구성에 대한 일반적인 설명은 본 발명의 요지를 흐리지 않기 위해 생략될 수 있다. 본 발명의 도면에서 동일하거나 상응하는 구성에 대하여는 가급적 동일한 도면부호가 사용된다. 본 발명의 이해를 돕기 위하여, 도면에서 일부 구성은 다소 과장되거나 축소되어 도시될 수 있다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

본 출원에서, "포함하다", "가지다" 또는 "구비하다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

본 발명의 실시 예에 따른 초광대역 광원(super-continuum source) 기반 파장 훑음 광원(wavelength-swept source)은 초단 광 펄스 레이저 펌프 빔(super-continuum pulse laser pump beam)을 발생하는 펌프부; 펌프부로부터 입사된 펄스 레이저 펌프 빔을 초 광대역 광으로 변환하여 출력하는, 비선형성을 갖는 광섬유; 및 광섬유에서 출력된 초 광대역 광의 파장을 주기적으로 가변시키는 파장 가변 필터를 포함한다.

본 실시 예에 의하면, 고속의 주파수로 파장을 연속적이고 주기적으로 가변시킬 수 있고, 파장 가변 필터의 중심 파장에 따라 초 광대역의 넓은 파장 범위에서 원하는 파장 밴드를 선택할 수 있도록 하는 파장 훑음 광원이 제공된다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 초광대역 광원 기반 파장 훑음 광원(100)을 개략적으로 보여주는 구성도이다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 초광대역 광원 기반 파장 훑음 광원(100)은 펌프부(110), 광섬유(120), 파장 가변 필터(130), 광선로(140) 및 써큘레이터(150)를 포함한다.

본 실시 예에서, 넓은 파장 범위(> 수백 nm)에서 파장 훑음(파장 가변)을 구현하기 위하여, 먼저 펌프부(110), 광섬유(120)에 의하여 초 광대역 광원을 발생시킨다. 초 광대역 광원을 구현하기 위하여, 펌프부(110)로는 초단 광 펄스 레이저가 사용될 수 있다. 초 광대역 광원은 비선형성이 큰 광섬유(120)를 이용하여 구현할 수 있다.

이를 보다 상세히 설명하면, 펌프부(110)는 초 광대역 광원의 구현을 위해 우선 초단 광 펄스 레이저 펌프 빔(super-continuum pulse laser pump beam)을 발생한다. 일 실시 예로, 펌프부(110)는 모드락 광섬유 레이저(mode-locked fiber laser)로 제공될 수 있다.

이러한 모드락 광섬유 레이저로는 예를 들어, 이터븀(Yb) 첨가 광섬유 레이저, Ti:sappaire 레이저, 어븀(Er)이 첨가된 펄스형 광섬유 레이저 등의 극초단 펄스 레이저가 사용될 수 있다. 펌프부(110)에 의해 발생된 초단 광 펄스 레이저 펌프 빔은 광섬유(120)로 입사된다.

광섬유(120)는 펌프부(110)로부터 입사된 초단 광 펄스 레이저 펌프 빔을 초 광대역 광으로 변환하여 광선로(140)로 출력한다. 광섬유(120)는 비선형성을 갖는 광섬유로 제공될 수 있다.

일 실시 예로, 광섬유(120)로는 광자 결정 광섬유(photonic crystal fiber) 또는 분산 천이 광섬유(dispersion shifted fiber)가 사용될 수 있으며, 그 밖에 비선형 현상을 얻을 수 있는 비선형 광학 소자가 사용될 수 있다.

부언하면, 높은 첨두 출력을 갖는 초단 광 펄스 레이저(예를 들어, 펨토초 펄스 레이저)를 펌프 광으로 하여, 이를 비선형성이 높은 광섬유에 입사시키면, 비선형성이 높은 광섬유 내에서 비선형 광학 현상(예를 들어, 사광파 혼합, 교차위상변조, 자기위상변조 등)이 일어나게 된다.

이에 따라 광섬유의 출력을 통해 넓은 밴드 폭을 갖는 초 광대역 광원을 얻을 수 있다. 광섬유(120)의 출력단은 광선로(140)에 연결된다. 광섬유(120)에 의해 발생된 초 광대역 광원은 광선로(140)를 통해 진행하게 된다.

파장 가변 필터(130)는 광섬유(120)에서 출력된 초 광대역 광의 파장을 주기적으로 가변시킨다. 파장 가변 필터(130)는 광섬유(120)의 출력단에 구비된 광선로(140)에 결합될 수 있다. 파장 가변 필터(130)는 광선로(140)의 초 광대역 광의 파장이 고속으로 가변되도록 광의 경로를 시간에 따라 변화시킬 수 있다.

본 실시 예에 의하면, 펌프부(110)와 광섬유(120)에 의해 얻은 초 광대역 광원을 기반으로, 고속의 주파수로 파장을 가변시킬 수 있는 파장 가변 필터를 광선로(140)에 연결함으로써, 빛의 파장을 고속으로 가변시켜 줄 수 있는 파장 훑음 광원을 얻을 수 있다.

써큘레이터(circulator)(150)는 광선로(140) 상에 구비되고, 파장 가변 필터(130)와 연결된다. 써큘레이터(150)는 광선로(140)에서 광이 한쪽 방향으로 흐르도록 광의 방향을 제한한다.

도 2는 도 1에 도시된 'A'부분의 광, 즉 광섬유(120)에서 출력된 초 광대역 광의 파장분포를 보여주는 예시도이고, 도 3은 도 1에 도시된 'B'부분의 광, 즉 파장 가변 필터(130)에 의해 가변되는 파장을 갖는 광의 파장분포를 보여주는 예시도이다.

광섬유(120)에서 출력된 초 광대역 광은 도 2에 도시된 바와 같이 초 광대역의 파장범위를 갖는다. 광선로(140)에서 써큘레이터(150)를 통과한 광은 도 3에 도시된 바와 같이 파장이 고속으로 가변된다. 이때, 광의 중심 파장 대역은 파장 가변 필터(130)에서의 중심 파장에 따라 조절될 수 있다

도 4는 도 1에 도시된 초광대역 광원 기반 파장 훑음 광원(100)에서 파장 가변 필터(130)의 실시 예를 보여주는 도면이고, 도 5는 도 4에 도시된 파장 가변 필터(130)를 확대하여 보여주는 도면이다.

도 4 및 도 5를 참조하면, 파장 가변 필터(130)는 다면체 거울 스캐너(131), 적어도 하나의 광집속렌즈(132,133), 회절 격자(134) 및 콜리메이터(135)를 포함할 수 있다.

다면체 거울 스캐너(131)는 다면체 구조의 거울로 제공될 수 있다. 다면체 거울 스캐너(131)의 회전에 따라 파장 가변 필터(130)에서의 광 경로가 변화되고, 그에 따라 초 광대역 광의 파장이 가변된다.

광집속렌즈(132,133)는 다면체 거울 스캐너(131)에 광을 집속하여 제공하고, 다면체 거울 스캐너(131)로부터 반사된 광을 제공받아 집속한다. 광집속렌즈(132,133)는 하나 또는 복수 개로 제공될 수 있다.

회절 격자(134)는 광집속렌즈(132,133)에 광을 회절하여 제공하고, 광집속렌즈(132,133)로부터 광을 제공받아 회절시킨다. 파장 훑음 광원(100)의 출력 광의 중심 파장 대역은 회절 격자(134)의 중심 파장에 따라 선택될 수 있다. 따라서 회절 격자(134)의 중심 파장을 조절하여 파장 훑음 광원(100)의 출력 광의 파장 대역을 조절할 수 있다.

콜리메이터(collimator)(135)는 써큘레이터(150)를 통하여 제공된 광선로(140)의 광을 회절 격자(134)로 제공하고, 회절 격자(134)로부터 제공받은 광을 써큘레이터(150)를 통해 광선로(140)에 제공한다.

본 실시 예에 의하면, 초단 광 펄스 레이저를 펌프 빔으로 사용하여, 비선형성이 높은 광섬유에 입사시킴으로써 초 광대역 광원을 얻고, 이 초 광대역 광원을 입사광으로 다면체 거울 파장 필터와 같은 파장 가변 필터에 의해 파장을 가변시켜 줌으로써, 최종적으로 좁은 발진 선폭을 갖는 빛의 파장을 주기적/연속적으로 가변시켜 줄 수 있으며, 넓은 범위에서 고속의 주파수로 파장을 가변시킬 수 있다.

또한 파장 훑음 광원(100)의 구성요소인 파장 가변 필터(130)의 중심 파장을 그 용도에 따라 800 nm, 1060 nm, 1300 nm, 1500 nm 등으로 선택하여 사용함으로써, 파장 훑음 광원(100)의 중심 파장을 800 nm, 1060 nm, 1300 nm, 1500 nm 로 선택할 수 있는 파장 선택형 파장 훑음 광원을 구현할 수 있다.

즉 원하는 대역폭(예를 들어, 800 nm ±50 nm인 밴드)에 따라 파장 가변 필터(130)에서 회절 격자(134)의 중심 파장(800 nm 대역, 1060 nm 대역, 1300 nm 대역, 1500 nm 대역 등)을 변경함으로써, 파장 훑음 광원의 중심 파장을 가변시킬 수 있다.

한편, 파장 훑음 광원에서 고속의 주파수로 파장을 가변할 수 있는 파장 가변 필터의 예로서, 도시된 다면체 거울 필터 구조 외에 파브리-페롯 파장 가변 필터, MEMS 파장 가변 필터, 회절 격자와 갈보 스캔 거울로 구성된 파장 가변 필터 등이 사용될 수도 있다.

이상과 같이, 본 실시 예에 의하면, 높은 첨두치를 갖는 초단 광 펄스 레이저를 펌프 광으로 사용하여, 비선형성이 높은 광섬유에 입사시킨 후, 이로부터 발생되는 초 광대역 광원을 고속의 주파수로 파장을 가변시켜 줄 수 있는 파장 가변 필터와 결합함으로써, 파장 대역 밴드 선택형 파장 훑음 광원을 구현할 수 있다.

본 발명의 실시 예에 의하면, 초 광대역(super-continuum) 광원과, 고속의 주파수로 가변되는 파장 가변 필터를 결합하여 파장 훑음 광원을 구현할 수 있다. 특히 초 광대역이 갖는 넓은 밴드 폭(> 수백 nm)의 특성과, 파장 가변 필터의 회절 격자의 중심 파장 조절을 이용하여, 광대역 내에서 파장 밴드 폭(~수십 nm 이상)을 선택적으로 이용할 수 있는 파장 대역 선택형 파장 훑음 광원을 구현할 수 있다.

즉 중심 파장이 서로 다른 파장 가변 필터를 사용하면, 초 광대역 광원 밴드 내에서 특정 파장 훑음 밴드를 선택할 수 있으며, 수백 nm 영역에 걸쳐 빛을 발생하는 초 광대역 광원을 파장 가변 필터에 입사하여 넓은 영역에서 파장을 가변시켜 주는 파장 훑음 레이저를 구현할 수 있다.

본 실시 예에 따른 파장 훑음 광원은 고속 다이나믹 광섬유 센서, 광간섭 단층촬영장치(optical coherence tomography), 광 통신기기, 반도체 분석기, 고분자 물질 분석 분광기, 환경 가스 감시 장치의 광원 등의 다양한 분야에 응용될 수 있다.

특히 광간섭 단층촬영장치는 생체 조직의 영상 이미지를 얻는 기술로, 얻고자 하는 생체 조직에 따라 사용하는 광원의 밴드를 달리하게 된다. 본 실시 예에 따른 파장 훑음 광원은 초 광대역 광원을 기반으로 구현되기 때문에, 파장 가변 필터의 밴드 영역을 선택함으로써 파장 훑음 광원의 중심 파장(예컨대, 800 nm, 1060 nm, 1300 nm, 1500 nm 등)을 선택적으로 이용하여 그 용도에 따라 활용이 가능하다.

즉 기존의 파장 훑음 광원은 사용하는 이득매질의 종류에 따라 중심 파장이 정해지나, 본 발명의 실시 예에 따른 파장 훑음 광원은 초 광대역 광원을 기반으로 구현되기 때문에, 사용하는 파장 가변 필터의 중심 파장을 바꾸어 주어 선택적으로 원하는 파장 밴드에서 파장 훑음 광원을 구현할 수 있으며, 그 사용 용도에 따라 하나의 파장 훑음 레이저로부터 원하는 파장 대역(800nm, 1060nm, 1300nm, 1500nm 등)을 선택하여 이용할 수 있다.

이상의 실시 예들은 본 발명의 이해를 돕기 위하여 제시된 것으로, 본 발명의 범위를 제한하지 않으며, 이로부터 다양한 변형 가능한 실시 예들도 본 발명의 범위에 속하는 것임을 이해하여야 한다. 본 발명의 기술적 보호범위는 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이며, 본 발명의 기술적 보호범위는 특허청구범위의 문언적 기재 그 자체로 한정되는 것이 아니라 실질적으로는 기술적 가치가 균등한 범주의 발명에 대하여까지 미치는 것임을 이해하여야 한다.

100: 파장 훑음 광원
110: 펌프부
120: 광섬유
130: 파장 가변 필터
131: 다면체 거울 스캐너
132,133: 광집속렌즈
134: 회절 격자
135: 콜리메이터
140: 광선로
150: 써큘레이터

Claims (9)

1. 초단 광 펄스 레이저 펌프 빔을 발생하는 펌프부;
   상기 펌프부로부터 입사된 상기 펄스 레이저 펌프 빔을 초 광대역 광으로 변환하여 출력하는, 비선형성을 갖는 광섬유; 및
   상기 광섬유에서 출력된 상기 초 광대역 광의 파장을 주기적으로 가변시키는 파장 가변 필터를 포함하고,
   상기 파장 가변 필터는,
   상기 파장 가변 필터의 광 경로를 변화시키는 다면체 거울 스캐너;
   상기 다면체 거울 스캐너에 광을 집속하여 제공하고, 상기 다면체 거울 스캐너로부터 반사된 광을 제공받아 집속하는 적어도 하나의 광집속렌즈;
   상기 광집속렌즈에 광을 회절하여 제공하고, 상기 광집속렌즈로부터 광을 제공받아 회절시키는 회절 격자; 및
   상기 광섬유의 출력단에 구비된 광선로의 광을 상기 회절 격자로 제공하고, 상기 회절 격자로부터 제공받은 광을 상기 광선로에 제공하는 콜리메이터를 포함하는 초광대역 광원 기반 파장 훑음 광원.
2. 제1 항에 있어서,
   상기 광섬유는 광자 결정 광섬유 또는 분산 천이 광섬유를 포함하는 초광대역 광원 기반 파장 훑음 광원.
3. 삭제
4. 제1 항에 있어서,
   상기 회절 격자의 중심 파장에 따라 상기 파장 훑음 광원의 중심 파장 대역이 선택되는 초광대역 광원 기반 파장 훑음 광원.
5. 제1 항, 제2 항 및 제4 항 중 어느 한 항의 초광대역 광원 기반 파장 훑음 광원을 포함하는 다이나믹 광섬유 센서.
6. 제1 항, 제2 항 및 제4 항 중 어느 한 항의 초광대역 광원 기반 파장 훑음 광원을 포함하는 광간섭 단층촬영장치.
   
7. 삭제
8. 삭제
9. 삭제

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