KR101901905B1 - 격자 결합기 어레이를 이용한 분광기 및 분광 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 격자 결합기 어레이를 이용한 분광기 및 분광 방법에 관한 것으로서, 주기가 각기 다른 여러 개의 격자 결합기를 어레이(array)로 배열시켜 구성하고, 분석 대상의 빛을 격자 결합기 어레이의 격자부분에 입사시켜 각각의 격자의 주기에 해당되는 파장대역(wavelength band)으로 빛을 분기시키고, 각 격자 결합기에 연결된 광도파로 (waveguide) 끝단에 배치된 광검출기(photodetector)에서 검출하여 분광된 스펙트럼(spectrum)을 분석함으로써, 분광기를 소형화할 수 있을 뿐만 아니라, 대량으로 생산할 수 있는 격자 결합기 어레이를 이용한 분광기 및 분광 방법에 관한 것이다.
Description
본 발명은 격자 결합기(grating coupler)를 이용한 분광기와, 분광기를 적용하여 빛의 파장에 따라 분리시키는 분광 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 주기가 각기 다른 여러 개의 격자 결합기를 어레이(array)로 배열시키고 입사광을 격자 결합기 어레이(grating coupler array)에 조사(illumination)시킴으로써 각 격자 결합기의 주기에 해당되는 파장대역(wavelength band)으로 빛을 분산시키며, 분산된 빛은 각각의 격자 결합기에 연결된 광도파로 (waveguide) 끝단에 배치된 광검출기(photodetector)에서 검출함으로써, 분광된 스펙트럼(spectrum)을 분석할 수 있는 격자 결합기 어레이를 이용한 분광기 및 분광 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 분광기(spectrometer)는 빛의 파장에 따라 빛을 분산(dispersion)시켜 파장에 따른 빛의 세기 분포, 즉, 스팩트럼을 분석하는 장치이다.
상기 분광기는 스펙트럼 정보로부터 시료의 화학적 성분을 추정할 수 있으므로, 분광기는 시료의 성분 분석에 널리 활용되고 있으며, 빛을 파장에 따라 분산시키는 수단으로 일반적으로 반사형(reflection type) 격자(grating)를 많이 사용하고 있다.
예컨대, 도 1에 도시한 바와 같이, 반사형 격자를 이용한 분광기의 분광 원리는 다음과 같다.
먼저, 넓은 파장대역을 갖는 광원(light source)(101)으로부터 빛(102)을 시료(sample)(103)에 조사(irradiation)시키고, 이 시료(103)로부터 재방사(re-radiation)되는 빛(104)을 반사형(reflection type) 격자(105)에 입사시킨다.
상기 반사형 격자(105)에 입사된 빛(104)은 회절(diffraction) 원리에 의하여 파장별로 다른 반사 각도로 분산되며, 이 분산된 빛(106)이 광검출기 어레이(107)에 입사된다.
파장에 따라 분산된 빛의 입사각이 다르고, 광검출기(108)의 위치가 다르므로, 각 광검출기(108)에서 검출되는 광전류(photo current)를 비교하여 시료(103)에서 재방사된 빛(104)에 대한 파장에 따른 광 세기의 분포, 즉, 스펙트럼의 정보를 얻어낼 수 있다.
이러한 분광기에서는 제한된 공간 내에서 공간 분해능을 높이기 위해, 도 1에 도시한 바와 같이, 거울(109,110)을 사용할 수 있다. 또한, 동일한 광검출기(108)를 사용하여 더 넓은 파장대역에서 스펙트럼을 분석하기 위하여 반사형 격자(105)를 회전시키는 방법을 사용하기도 한다.
그런데, 종래의 일반적인 분광기는 별도의 거울(109,110)이나 반사형 격자(105)가 차지하는 공간으로 인하여 분광기의 크기가 커지는 문제점이 있었다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 격자 결합기(grating coupler), 광도파로(optical waveguide) 및, 광검출기(photo-detector)를 반도체 공정으로 제작될 수 있는 평면의 기판에 집적시켜 분광기의 크기를 소형화할 수 있을 뿐만 아니라 분광기를 대량 생산할 수 있는 격자 결합기 어레이를 이용한 분광기 및 분광 방법을 제공하는 데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 격자 주기에 따라 대응하는 중심 파장을 가지며 상기 격자 주기에 해당하는 여러 파장대역의 빛을 선별하기 위한 복수의 격자가 간격을 두고 배치된 격자 결합기 어레이; 상기 격자 결합기 어레이에서 선별된 빛의 중심 파장이 유도되는 복수의 광도파로가 구비된 광도파로 어레이; 및, 상기 광도파로 어레이의 각 파장대역의 빛을 검출하여 파장에 따른 분광 스펙트럼을 분석하는 광검출기 어레이를 포함하는 격자 결합기 어레이를 이용한 분광기를 제공하게 된다.
본 발명에 의하면, 상기 격자와 광도파로는 실리콘 반도체, 실리콘 질화물, 실리콘 산화물, 화합물 반도체 또는 유전체의 소재를 사용하게 된다.
본 발명에 의하면, 상기 광검출기 어레이는 pn 광다이오드, pin 광다이오드, CCD 검출기, CMOS image sensor, IR enhanced CMOS sensor, 광결정 기반 검출기, 플라즈모닉스 기반 검출기, 또는 나노 포토닉스 기반 검출기 소자를 사용하게 된다.
본 발명에 의하면, 상기 격자 결합기 어레이, 광도파로 어레이 및 광검출기 어레이는 전기적 배선이 형성된 기판에 배치되고, 상기 광검출기 어레이로부터 나오는 광전류를 전기적 배선으로 전달되게 연결하여 외부와 전기적 연결이 용이한 칩 형태로 패키징된다.
본 발명에 의하면, 상기 격자 결합기 어레이에 대해 격자 주기를 달리하고, 분석하고자 하는 빛을 평행광 형태의 광 빔으로 전환하여 광격자 결합기 어레이의 격자에 입사시키게 된다.
본 발명에 의하면, 상기 격자 결합기 어레이에 대해 격자 주기를 동일 하게 하되, 입사각을 적절히 선택함으로써 특정 파장의 빛을 선별할 수 있도록 광격자 결합기 어레이에 입사시키게 된다.
본 발명은, 넓은 파장대역의 빛을 발산하는 광원을 사용하여 분광 대상 시료에 빛을 조사하는 단계; 시료로부터 시료의 정보를 갖고 산란되어 나오는 빛을 집속하여 격자 결합기 어레이의 격자에 입사시키는 단계; 상기 격자 결합기에서 파장대역 별로 빛을 분기시키는 단계; 상기 격자 결합기에 연결된 해당 광검출기에서 분기된 파장대역 별로 빛의 세기를 측정하는 단계; 및, 시료로부터 나온 빛의 분광 스펙트럼을 분석하는 단계를 포함하는 격자 결합기 어레이를 이용한 분광기의 분광 방법을 제공하게 된다.
전술한 바와 같은 구성의 본 발명에 따른 격자 결합기 어레이를 이용한 분광기 및 분광 방법에 의하면, 격자 결합기와 광도파로로 구성되는 분광기를 실리콘 등의 반도체 소재 등을 이용하여 반도체 집적 공정으로 제작할 수 있으므로, 소형화와 대량 생산에 유리한 장점이 있다. 예컨대, 개별 광격자 결합기의 크기를 0.01mm x 2mm로 하고 어레이 개수를 200개로 한다면 격자 결합기의 전체 크기는 2mm x 2mm 규모로 구현이 가능하게 된다. 물론, 사용 목적에 따라 이보다 더 작은 크기로도 구현이 가능하다.
또한, 격자 결합기와 광도파로가 결합된 구조이므로 다양한 재료의 조합으로 제작 가능한 효과가 있다. 예컨대, Si, 실리콘 질화물(예, SiN), 실리콘 산화물(예, SiO2)과 같은 실리콘계 소재나 Ge, SiGe, SeSn과 같은 IV족계 반도체 소재들을 조합할 수 있다. 그리고 GaAs, InP와 같은 III-V계 화합물 반도체나 CdTe와 같은 II-VI계 화합물 반도체들을 조합할 수 있고, 반도체 소재 외에도 여러 가지 유전체(dielectric) 소재들을 조합할 수 있다. 이와 같은 여러 가지 소재들 중에서 선택하여, 격자 결합기와 광도파로 부분에 동일한 소재를 적용하거나 다른 소재로 조합하여 제작함으로써 여러 가지 분광 특성을 구현해 낼 수 있다.
도 1은 종래의 기술에 따른 분광기를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 굴절형 격자와 평면형 광도파로로 구성된 격자 결합기의 기본 구조를 나타낸 단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 격자 결합기에서의 격자 주기와, 광도파로로 유도되는 빛의 중심 파장의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 격자 결합기 어레이를 이용하는 분광기의 구조를 나타낸 평면도로서, 격자 주기가 다른 격자 결합기 어레이가 사용되고 평행광이 입사되는 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 격자 결합기 어레이와 광검출기 어레이를 배치한 패키지 구조를 나타낸 평면도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 격자 결합기에 분광 대상 빛을 입사시키기 위한 광학계 구성을 나타낸 단면도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 격자 결합기 어레이를 이용하여 과일 당도의 측정을 위한 분광계를 나타내는 도면이다.
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도 6은 본 발명의 실시예에 따른 격자 결합기에 분광 대상 빛을 입사시키기 위한 광학계 구성을 나타낸 단면도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 격자 결합기 어레이를 이용하여 과일 당도의 측정을 위한 분광계를 나타내는 도면이다.
이하, 도 2 내지 도 7을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세하게 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 따르면, 격자에서 산란되는 빛의 일부를 광도파로로 유도하는 구조가 사용되며, 파장에 따라 광도파로 내로 입사되는 정도가 달라지는 특성이 있다.
도 2는 본 발명에 따른 격자 결합기로서, 상기 격자 결합기는 굴절형(refraction type) 격자(201)와 평면형 광도파로(plane waveguide, 202)가 연결되어 있다.
상기 평면형 광도파로(202)는 도파로 코어(core)(203)와, 클래드(clad)(204, 205)로 구성될 수 있다. 여기서, 상기 클래드(204, 205)는 도파로 코어(203)의 소재보다 굴절률이 낮은 소재로 구성되어야 광도파로(202)로 유도된 빛이 방사하지 않고 광도파로(202)를 따라 진행할 수 있다.
상기 도파로 코어(203)의 상부가 공기(air)에 노출되는 경우에는 상부 클래드(204)는 공기에 해당된다.
본 발명의 실시예에서, 상기 광도파로(202)는 도파로 코어(203) 층과 상부 클래드(204) 층, 하부 클래드(205) 층의 전체를 의미하나, 이후 설명에서는 편의상 도파로 코어(203) 층을 광도파로라고 칭하도록 한다. 상기 광도파로(202)는 대량생산에 적합한 소재로 된 기판(206) 상에 형성될 수 있다. 예컨대, 기판(206)의 소재는 실리콘(Si)과 같은 반도체 기판을 사용하고, 클래드(204, 205) 소재는 실리콘 산화물(SiO2)과 같은 소재나 실리콘 질화물(SiN)과 같은 소재 또는 공기를 사용하며, 도파로 코어(203) 소재는 실리콘과 같은 소재를 사용할 수 있다.
회절이론에 의하면, 빛(207)이 격자(201) 표면의 법선방향으로부터 특정 입사각 θ로 입사할 때, 광도파로(203) 내로 굴절되어 광도파로로 유도되는 빛(207)의 중심 파장 λ c 는 다음의 수식과 같이 주어질 수 있다. (참고문헌 예, IEEE Photonics Technology Letters, vol. 27, no. 21, pp. 2304-2307, 2015)
여기서 m은 정수, Λ는 격자 주기, n g 는 격자(201) 부분의 유효 굴절률, n clad 는 상부 클래드(204)의 유효 굴절률이다.
도면에서, 상기 격자(201)의 단면 형태는 사각 톱니형상인 것으로 한정하였으나, 격자(201)의 형태는 이에 국한하지 않고 삼각 톱니형상이나 다른 여러 가지 형상으로 제작할 수 있다.
또한, 본 발명에서는 하나의 격자 결합기에서 격자 주기가 균일한 구조를 예로 들었으나, 이에 한정하지 않고 격자 결합기에서 분기되는 빛의 파장 특성을 적절히 조절하기 위하여 격자 주기를 다양하게 변화시킨 구조로 제작할 수 있다.
도 3은 식(1)에 의해 계산되는 격자 주기와 중심 파장의 관계를 나타내고 있으며, m = 1 에 대해 세가지 입사각을 예로 들어 보여주고 있다. 이 계산에는 도파로 코어(203)의 소재로는 실리콘, 상부 클래드(204)의 소재로는 실리콘 산화물 소재를 대상으로 하여 n g 와 n clad 를 각각 2.65, 1 값을 예로 적용하여 계산한 것이다.
도 3에서 격자 주기 Λ가 커질수록 굴절되는 중심 파장 λ c 가 커지게 되므로, 이 결과로부터 격자 주기 Λ를 적절히 선택함으로써 특정 파장의 빛을 선별하여 광도파로(203) 내로 굴절시킬 수 있음을 알 수 있다.
한편, 같은 격자 주기 Λ에 대해 입사각 θ가 클수록 중심파장 λ c 은 작아지므로, 이 결과로부터 격자 주기를 동일하게 하되, 입사각을 적절히 선택함으로써 특정 파장의 빛을 선별하여 광도파로(203) 내로 굴절시킬 수 있음을 알 수 있다.
같은 격자 주기 또는 입사각에서 m의 값에 따라 굴절되는 파장은 달라질 수 있으나, m이 커질수록 일반적으로 굴절 효율이 떨어지므로, 효율을 높이기 위해서는 m = 1인 조건을 이용하는 것이 바람직하다.
도 4는 격자 주기가 다른 격자 결합기 어레이가 사용되고 평행광이 입사되는 도면으로서, 분광 기능을 얻기 위하여, 즉, 여러 파장대역의 빛을 선별하기 위하여 격자 주기가 다른 격자 결합기를 어레이로 구성한 일실시예를 보여주고 있다. 이 분광기의 기본 구조는 격자 결합기 어레이(401), 광도파로 어레이(402)와 광검출기 어레이(403)의 세부분으로 구성되어 있다.
먼저, 격자 결합기 어레이(401)는 격자 주기를 Λ1, Λ2, Λ3 .... ΛN과 같이 서로 다른 N개의 격자(401-1, 401-2, 401-3 .... 401-N)가 간격을 두고 배치된다. 그리고 각각의 격자(401)는 해당 광도파로(402-1, 402-2, 402-3 .... 402-N)에 각각 연결되며, 각각의 광도파로(402)의 끝단에는 해당 광검출기(403-1, 403-2, 403-3 .... 403-N)에 각각의 빛이 입사되도록 배치된다.
이와 같은 분광기를 이용하여 분광 특성을 분석하는 방법은 다음과 같다.
상기 분광기에서, 분광 특성을 분석할 광 빔(404)을 격자 결합기 어레이(401)의 격자(401) 부분에 조사키게 된다. 이 광 빔의 전체 조사면(405)이 격자 결합기 어레이의 격자 부분에 넓게 분포되도록 한다.
이와 같이 격자 결합기 어레이(401)의 격자 부분에 광 빔을 조사할 경우, 각 격자 결합기에서는 격자 주기에 해당되는 파장이 선별되어, 각각의 광도파로 어레이(402)로 전파된다.
이를 통해, 각 파장대역의 빛들을 각각의 광도파로 어레이(402)의 끝단에 있는 해당 광검출기 어레이(403)에서 검출함으로써, 파장에 따른 빛의 세기 분포에 대한 정보, 즉 분광 특성을 분석할 수 있게 된다.
도 4에 도시된 바와 같이, N개의 격자 결합기 어레이(401)에 식(1)을 적용하면, i번째 격자 결합기에서 광도파로 어레이(402)로 유도되는 빛의 중심 파장 λ ci 는 m=1 인 조건에서 다음 식으로 주어질 수 있다.
여기서 Λ i 는 i번째 격자 주기, n gi 는 i번째 격자의 유효 굴절률이며, θ i 는 i번째 격자에 입사되는 빛의 입사각이다.
상기 i번째 격자의 유효 굴절률 n gi 은 격자의 소자와 구조에 의해 결정되는 변수이다.
이와 같은 i번째 격자의 유효 굴절률 n gi 은 구조 관련 변수로써 격자 주기 Λ i 의 영향을 받고, 식 2에서 별도의 Λ i 항이 비례 상수로 들어가 있으므로, 격자 주기 Λ i 가 중심 파장 λ ci 를 결정하는 가장 중요한 변수가 된다.
따라서 도 4의 격자 결합기를 동일한 격자 소재와 광도파로 소재로 구성할 경우에 각각의 격자 결합기 별로 격자 주기를 달리하여 중심 파장을 다르게 설정할 수 있다.
도 4에 도시한 바와 같이, 격자 주기가 다른 격자 결합기에 조사되는 광 빔(404)은 각각의 격자 결합기에 입사하는 광선의 입사각 θ i 가 동일한 평행광을 입사시키는 것이 바람직하다.
이와 같이 각 격자 결합기 별로 중심 파장이 다르게 설정된 격자 결합기(401)를 구성하고, 격자 결합기의 각 광도파로(402) 끝단에 개별 광검출기(403)가 각각 연결된 광검출기(403) 어레이를 배치하게 된다.
이와 같은 분광기를 이용하여 분광 특성을 분석하는 방법에 대해 설명하면, 각 분광 특성을 분석할 광 빔(404)을 격자 결합기 어레이에 조사시킨다.
광 빔의 조사면(405)이 어레이의 격자 부분에 넓게 분포되도록 조사시키면, 각 격자 결합기에서는 격자 주기에 해당되는 파장대역의 빛, 즉 중심 파장이 식(2)로 주어지는 파장대역의 빛이 선별되어, 각각의 광도파로(402)로 전파된다.
따라서, 각 파장대역의 빛들이 각각의 광도파로(402)의 끝단에 있는 해당 광검출기에서 검출됨으로써, 파장에 따른 빛의 세기 분포에 대한 정보, 즉 분광 특성을 분석할 수 있게 된다.
상기 분광기로 달성 가능한 분광 기능에 대한 구체적인 예시를 위하여 도 3의 m = 1에 대한 자료를 활용하면 다음과 같은 성능을 예상할 수 있다.
격자 주기를 250nm에서 410nm까지 5nm 간격으로 설정하면, N = 33의 격자 결합기 어레이를 구성할 수 있다. 그러면 입사각 θ가 15도인 경우, 중심 파장을 600nm에서 1000nm까지 약 12.1nm 간격으로 분기된 광검출 특성을 얻을 수 있다.
그리고 나서 각 격자 결합기의 격자(401) 부분에 입사되는 광 빔의 세기 분포, 각 결합기의 결합효율, 각 광검출기(403)의 검출효율로 광검출 특성을 보정하면 조사된 광 빔(404)에 대한 분광 스펙트럼을 12.1nm 파장 간격으로 얻을 수 있다.
상기와 같이 예시한 600nm ~ 1000nm 파장 범위의 분광 스펙트럼은 격자 결합기와 광도파로(402)의 소재를 실리콘 질화물, 실리콘 산화물 등의 Si계 소재를 사용하여 구현할 수 있다.
이와 같이, 격자 결합기와 광도파로(402)의 소재를 적절히 선택하고 격자 결합기의 격자 주기를 적절히 선택하여, 중적외선(mid IR), 근적외선(near IR), 가시광선 영역을 비롯한 다양한 파장대역에 대한 분광 기능을 구현할 수 있다.
도 5는 격자 결합기와 광검출기 어레이를 배치한 패키지 구조에 대한 평면도로서, 격자 결합기 어레이(501)와 광검출기 어레이(502)는 각 격자 결합기의 광도파로(402) 끝단에 개별 광검출기(403)가 연결되어 배치된다.
그리고 광검출기로(403)부터 광전류를 측정하기 위한 전기적 배선(503)을 전극(electrode, 504)에 연결하게 된다.
여기서, 격자 결합기 어레이(501), 광검출기 어레이(502), 전극(504)은 반도체 기판 상에 반도체 공정을 이용하여 집적시켜 반도체 칩(505)으로 구성될 수 있다.
이러한 반도체 칩(505)은 세라믹(ceramic) 등의 소재로 된 패키지(506) 위에 패키징 되고, 상기 패키지(506)에는 외부와 전기적 연결을 위한 금속 전극(507)을 설치할 수도 있다.
이러한 패키지 구조에서 광검출기(403)로는 일반적인 반도체 광검출기, 즉, pn 또는 pin 광다이오드, CCD (charge coupled device) 검출기, CMOS image sensor, IR enhanced CMOS sensor 등을 사용할 수 있다. 또한 집적도를 높이거나 특정한 광검출 성능을 얻기 위하여 광결정(photonic crystal), 플라즈모닉스(plasmonics), 또는 나노포토닉스(nanophotonics)의 원리를 이용한 광검출 소자들을 사용할 수도 있다.
본 발명의 일실시예로 광검출기를 IR enhanced CMOS 검출기를 사용하는 경우에 대략 640nm ~ 1040nm 파장범위의 분광 스펙트럼을 측정할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예로 Si pin 다이오드를 사용할 경우에 400nm ~ 1000nm 파장범위의 분광 스펙트럼을 측정할 수 있고, Ge 광검출기를 사용할 경우에 800nm ~ 1800nm 파장범위의 분광 스펙트럼을 측정할 수 있고, GaAs pin 다이오드를 사용할 경우에 800nm ~ 1700nm 파장범위의 분광 스펙트럼을 측정할 수 있다.
상기한 실시예와 같이 반도체 기반의 광검출 소자를 사용할 경우에 도 4에서 예시한 반도체 격자 결합기 어레이와 함께 집적할 수 있고, 어레이 간격을 0.01 mm 이내로 좁힐 수 있으므로, 어레이 수를 수십 ~ 수백 개로 집적하여도 수 mm 이내의 너비의 칩으로 집적시킬 수 있다.
따라서 본 발명에 따른 격자 결합기 어레이와 광검출기 어레이를 이용한 분광기 구조는 반도체 기반의 소재와 공정을 사용하여 구현할 경우에 소형화와 대량생산화의 장점을 확보할 수 있다.
도 6은 격자 결합기에 분광 대상의 빛을 입사시키기 위한 광학계 구성을 나타내는 단면도로서, 시료로부터 방출된 분광 대상의 광 빔(601)은 볼록 렌즈 등의 적절한 광학부품으로 구성된 광학계(602)를 통과하여 진행하게 된다.
상기 광학계(602)를 통과한 광 빔(603)은 격자 결합기 어레이의 격자(604)에 입사하게 된다.
여기서 격자(604)에 굴절되어 광도파로로 유도되는 빛의 중심 파장 λ c 는, 식 (1)과 (2)에서 설명한 바와 같이, 입사각 θ에 민감하므로, 특정 파장에 대해 결합효율을 높이기 위해서는 광 빔(603)은 평행광(collimated ray), 즉, 각 광선의 진행방향이 평행한 빔으로 입사되는 것이 바람직하다.
도 6은 도 5의 패키지 구조와 결합되어 각 부품의 단면상의 배치 구조도 함께 보여주고 있다. 격자 결합기 어레이, 광검출기 어레이, 전극이 집적된 분광기 칩(605)을 패키지(606) 위에 패키징시키고, 이 패키지(606)에 외부와 전기적 연결을 위한 금속 전극(607)을 설치한 예시를 나타내고 있다.
도 7은 본 발명에서 제안한 방식의 광격자 결합기 어레이를 이용하여 과일 당도를 측정을 위한 분광계 구성을 나타내는 도면으로서, 비교적 넓은 파장대역의 빛을 발산하는 광원(701)으로부터 발산된 빛(702)은 측정 대상 시료인 과일(703)의 껍질을 투과하여 과일 내부로 침투된다. 이때, 과일 표면에서 반사하는 빛(704)은 과일의 당분 정보를 포함하지 않으면서 그 세기가 강하므로, 이러한 빛(704)을 차단하기 위하여 광 차단기(706)가 설치된다.
과일 내부에서 산란되어 렌즈로 돌아오는 빛(705)은 과일 당분에 의하여 흡수 스펙트럼 정보를 가지고 있는 빛이므로 이러한 빛(705)은 광학계(707)를 통과하여 진행하게 된다.
상기 광학계(707)를 통과하는 광 빔(708)은 격자 결합기 어레이의 격자(709)에 입사되어, 각 격자 결합기의 광도파로 끝단에 위치한 광검출기(710)에 전달됨에 따라 해당하는 파장의 빛을 검출할 수 있다.
여기서, 상기 광 빔(708)이 격자 결합기 어레이에 대해서 일정한 입사각을 갖도록 하기 위하여 슬릿(711)을 설치 할 수도 있다.
도 7의 분광계 구성에서 과일 표면에서 반사하는 빛을 차단하기 위한 광 차단기(706)는 광학계(707)의 전방에 위치되는 것으로 한정하지 않고, 광학계(707)의 후방에 위치될 수도 있다.
상기 광학계(707)는 하나 이상의 렌즈 또는 반사경으로 구성할 수도 있다.
한편, 광학계(707)를 통과한 광 빔(708)은 평행광으로 집속된 빔에 제한하지 않고, 여러 방향의 광선으로 구성된 방사광일 수 있으며, 이 경우에 격자(709)의 표면에 입사하는 각 광선의 입사각이 다를 수 있으므로 이를 보정할 수 있게 설계된 격자 구조를 사용할 수 있다.
식 (1)과 (2)에서 격자의 유효 굴절률(n g )과 상부 클래드의 유효 굴절률(n clad )은 온도에 민감하므로, 온도 변화가 심한 환경에 대비하여 도 7의 분광계 구성에 격자(709) 부분의 온도를 일정하게 유지시키기 위하여 열전 냉각기(thermos electric cooler; TEC) 등을 추가하여 구성할 수도 있다.
온도 변화에 대비하는 다른 실시예로, TEC 대신에 격자(709) 부분에 온도 센서를 추가하여 실제 온도를 측정하고, 광검출기로 얻어지는 분광 스펙트럼에서 온도 변화의 영향을 보정하는 방식을 적용할 수도 있다.
도 7의 분광계 구성에서 광원(701)은 텅스텐 할로겐 램프를 사용할 수도 있고, 측정하고자 하는 파장 대역의 발광 스펙트럼을 갖는 LED를 사용할 수도 있다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예의 기재에 한정되지 않으며, 본 발명의 특허청구범위의 기재를 벗어나지 않는 한 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의한 다양한 변형 실시 또한 본 발명의 보호범위 내에 있는 것으로 해석되어야 한다.
401,501 : 격자 결합기 어레이 402, 502 : 광도파로 어레이
403, 503 : 광검출기 어레이
403, 503 : 광검출기 어레이
Claims (7)
- 격자 주기에 따라 대응하는 중심 파장을 가지며 상기 격자 주기에 해당하는 여러 파장대역의 빛을 선별하기 위한 복수의 격자가 간격을 두고 배치된 격자 결합기 어레이;
상기 격자 결합기 어레이에서 선별된 빛의 중심 파장이 유도되는 복수의 광도파로가 구비된 광도파로 어레이; 및,
상기 광도파로 어레이의 각 파장대역의 빛을 검출하여 파장에 따른 분광 스펙트럼을 분석하는 광검출기 어레이를 포함하며,
상기 격자 결합기 어레이에 대해 격자 주기를 동일하게 하되, 입사각을 선택함으로써 특정 파장의 빛을 선별할 수 있도록 광격자 결합기 어레이에 입사시키는 것을 특징으로 하는 격자 결합기 어레이를 이용한 분광기.
- 제1항에 있어서,
상기 격자와 광도파로는 실리콘 반도체, 실리콘 질화물, 실리콘 산화물, 화합물 반도체 또는 유전체의 소재를 사용하는 것을 특징으로 하는 격자 결합기 어레이를 이용한 분광기.
- 제1항에 있어서,
상기 광검출기 어레이는 pn 광다이오드, pin 광다이오드, CCD 검출기, CMOS image sensor, IR enhanced CMOS sensor, 광결정 기반 검출기, 플라즈모닉스 기반 검출기, 또는 나노 포토닉스 기반 검출기 소자를 사용하는 것을 특징으로 하는 격자 결합기 어레이를 이용한 분광기.
- 제1항에 있어서,
상기 격자 결합기 어레이, 광도파로 어레이 및 광검출기 어레이는 전기적 배선이 형성된 기판에 배치되고,
상기 광검출기 어레이로부터 나오는 광전류를 전기적 배선으로 전달되게 연결하여 외부와 전기적 연결이 용이한 칩 형태로 패키징된 것을 특징으로 하는 격자 결합기 어레이를 이용한 분광기.
- 제1항에 있어서,
상기 격자 결합기 어레이에 대해 격자 주기를 달리하고,
분석하고자 하는 빛을 평행광 형태의 광 빔으로 전환하여 광격자 결합기 어레이의 격자에 입사시키는 것을 특징으로 하는 격자 결합기 어레이를 이용한 분광기.
- 삭제
- 제1항, 제5항 중 어느 한 항에 의한 분광기를 이용한 분광 방법은,
넓은 파장대역의 빛을 발산하는 광원을 사용하여 분광 대상 시료에 빛을 조사하는 단계;
시료로부터 시료의 정보를 갖고 산란되어 나오는 빛을 집속하여 격자 결합기 어레이의 격자에 입사시키는 단계;
상기 격자 결합기에서 파장대역 별로 빛을 분기시키는 단계;
상기 격자 결합기에 연결된 해당 광검출기에서 분기된 파장대역 별로 빛의 세기를 측정하는 단계; 및,
시료로부터 나온 빛의 분광 스펙트럼을 분석하는 단계를 포함하며,
상기 격자 결합기 어레이에 대해 격자 주기를 동일하게 하되, 입사각을 선택함으로써 특정 파장의 빛을 선별할 수 있도록 광격자 결합기 어레이에 입사시키는 것을 특징으로 하는 격자 결합기 어레이를 이용한 분광기의 분광 방법.
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Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113835152A (zh) * | 2021-09-30 | 2021-12-24 | 上海交通大学烟台信息技术研究院 | 一种波导光栅以及一种量程可调的光栅光谱仪 |
| CN113847985A (zh) * | 2021-09-30 | 2021-12-28 | 上海交通大学烟台信息技术研究院 | 一种二维光栅三量程光栅光谱仪 |
| WO2024119653A1 (zh) * | 2022-12-06 | 2024-06-13 | 暨南大学 | 一种片上分光中红外探测装置、设备及成像方法 |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2009198826A (ja) | 2008-02-21 | 2009-09-03 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | 光信号処理装置 |
| JP2012013527A (ja) | 2010-06-30 | 2012-01-19 | Keio Gijuku | 分光光度計 |
-
2017
- 2017-07-03 KR KR1020170084307A patent/KR101901905B1/ko active IP Right Grant
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2009198826A (ja) | 2008-02-21 | 2009-09-03 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | 光信号処理装置 |
| JP2012013527A (ja) | 2010-06-30 | 2012-01-19 | Keio Gijuku | 分光光度計 |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113835152A (zh) * | 2021-09-30 | 2021-12-24 | 上海交通大学烟台信息技术研究院 | 一种波导光栅以及一种量程可调的光栅光谱仪 |
| CN113847985A (zh) * | 2021-09-30 | 2021-12-28 | 上海交通大学烟台信息技术研究院 | 一种二维光栅三量程光栅光谱仪 |
| CN113847985B (zh) * | 2021-09-30 | 2024-03-12 | 上海交通大学烟台信息技术研究院 | 一种二维光栅三量程光栅光谱仪 |
| CN113835152B (zh) * | 2021-09-30 | 2024-03-12 | 上海交通大学烟台信息技术研究院 | 一种波导光栅以及一种量程可调的光栅光谱仪 |
| WO2024119653A1 (zh) * | 2022-12-06 | 2024-06-13 | 暨南大学 | 一种片上分光中红外探测装置、设备及成像方法 |
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