KR101997895B1 - 주파수 천이 쓸림 광원 시스템 및 이를 적용한 장치 - Google Patents

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Abstract

주파수 천이 쓸림 광원 시스템이 개시된다. 주파수 천이 쓸림 광원 시스템은, 광을 출력하는 광원, 광원에서 출력된 광을 증폭하는 증폭부와, 증폭부에서 증폭된 광의 주파수 천이 및 스펙트럼 압축이 이루어지는 광 변환부와, 광원에서 출력되는 광의 반복률이 조절되도록 상기 광원에 인가되는 전류 신호를 제어하여 증폭부에서 증폭되어 출력되는 광의 세기가 조절됨으로써 설정된 주파수 대역 부근에서 압축된 스펙트럼의 위치가 조절되도록 하는 제어부를 포함한다.

Description

주파수 천이 쓸림 광원 시스템 및 이를 적용한 장치{frequency shifting optical swept source system and apparatus applied the same}
광원 시스템 및 이를 적용한 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 주파수 천이 쓸림 광원 시스템 및 이를 적용한 장치에 관한 것이다.
레이저 광은 단색성(monochromaticity), 간섭성(coherence), 직진성(directionality) 등의 특성을 가져, 다양한 분야에서 활용되고 있다. 바이오 분야 및 의료 분야 등에서, 레이저광은 조직 및 세포의 관찰, 병의 진단 또는 레이저 시술 등에 다양하게 활용되고 있다.
특히, 의료 분야에서, 레이저 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. 레이저 광원 기술 발달에 따라, 광 투과 깊이 등이 개선되어, 실시간으로 살아있는 조직 또는 세포의 단층 영상을 획득하는 분야에도 적용되고 있다.
현재 일반적으로 이용되는 광섬유 레이저의 동작 파장 대역은 도핑된 희토류 물질에 의존해, 800 nm 부근, 1.06 μm 부근, 1.55 μm 부근 등으로 매우 제한적이다. 이러한 광섬유 레이저를 희토류 물질의 방사 파장에서 벗어난 파장 대역이 필요한 분야에 사용하기 위하여, 주파수 천이를 이용한 광원 시스템이 개발되고 있다.
희토류 물질의 방사 파장 대역에서 벗어난 파장 대역의 광원으로 이용할 수 있는 주파수 천이 쓸림 광원 시스템 및 이를 적용한 장치를 제공한다.
본 발명의 실시예에 따른 주파수 천이 쓸림 광원 시스템은, 광을 출력하는 광원; 상기 광원에서 출력된 광을 증폭하는 증폭부와; 상기 증폭부에서 증폭된 광의 주파수 천이 및 스펙트럼 압축이 이루어지는 광 변환부와; 상기 광원에서 출력되는 광의 반복률이 조절되도록 상기 광원에 인가되는 전류 신호를 제어하여, 상기 증폭부에서 증폭되어 출력되는 광의 세기가 조절됨으로써, 설정된 주파수 대역 부근에서 압축된 스펙트럼의 위치가 조절되도록 하는 제어부;를 포함한다.
상기 광 변환부는, 상기 증폭부에서 출력되는 광의 파장 대역을 긴 파장 대역으로 천이시키는 주파수 천이부와; 상기 주파수 천이부를 경유한 광을 시간 축 상에서 분산시키는 이차 분산부와; 상기 분사부로부터 입력되는 광의 스펙트럼을 압축하는 자기 위상 변조부;를 포함한다.
상기 주파수 천이부는, 솔리톤 자기 주파수 천이가 이루어지도록 마련될 수 있다.
상기 주파수 천이부는 음분산 고비선형 광섬유를 포함할 수 있다.
상기 이차 분산부는, 음분산 저비선형 광섬유를 포함할 수 있다.
상기 자기 위상 변조부는, 저분산 고비선형 광섬유를 포함할 수 있다.
상기 광 변환부는, 상기 주파수 천이부와 이차 분산부 사이나 상기 이차 분산부와 자기 위상 변조부 사이에 특정 주파수 대역만을 통과시키는 필터;를 더 포함할 수 있다.
상기 필터는, 특정 주파수 성분에 대한 밴드 패스 필터로서 작동하는 광섬유 그레이팅을 포함할 수 있다.
상기 광 변환부는, 상기 증폭부에서 출력되는 광의 파장 대역을 긴 파장 대역으로, 솔리톤 상태로 주파수 천이가 이루어지는 솔리톤 자기 주파수 천이부와; 상기 솔리톤 자기 주파수 천이부로부터 입사되는 솔리톤 성분을 시간축 상에서 분산시키며 음의 처핑을 인가하는 이차 분산부와; 상기 이차 분산부에서 인가된 음의 처핑의 일부를 자기 위상 변조에 의해 상쇄하여, 주파수 도메인 상에서 처핑이 상쇄된 주파수 대역을 중심으로 스펙트럼 압축을 야기하는 자기 위상 변조부;를 포함할 수 있다.
상기 증폭부는, 적어도 이중 증폭 구조로 이루어질 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 광 간섭 단층 촬영 장치는 전술한 특징점을 갖는 주파수 천이 쓸림 광원 시스템을 적용하는 광대역 쓸림 광원 시스템과; 상기 광원 시스템에서 출력된 광을 측정광 및 참조광으로 분리하고, 상기 측정광을 대상체에 조사하고, 상기 대상체에서 반사된 측정광과 상기 참조광을 간섭시켜, 간섭 신호를 검출하는 간섭 광학계와; 상기 검출된 간섭 신호를 이용하여, 상기 대상체의 단층 촬영 영상을 생성하는 영상 신호 처리기;를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 주파수 천이 쓸림 광원 시스템에 따르면, 솔리톤 자기 주파수 천이 현상에 이은 스펙트럼 압축을 통해 희토류 물질의 방사 파장 대역에서 벗어난 파장 대역이 필요한 다양한 분야에 광원으로 활용될 수 있다. 또한, 시드 광의 반복률 조절을 통해 설정된 주파수 대역 부분에서 압축된 스펙트럼의 위치가 조절되어 광섬유화된 쓸림 광원 시스템을 구현할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 주파수 천이 쓸림 광원 시스템을 개략적으로 보여주는 블록도이다.
도 2는 솔리톤 자기 주파수 천이 양상을 예시적으로 보여준다.
도 3은 파장에 따른 광섬유 이차 분산 계수 분포를 보여준다.
도 4 및 도 5는 이러한 의존성을 보여주며 각각 시드광의 세기(펌프 파워), 분산 계수의 기울기에 따른 솔리콘 자기 주파수 천이를 보여준다.
도 6은 도 2의 출력 광의 필터 통과 전후를 보여준다.
도 7 내지 도 9는 도 6에 표시된 필터링된 솔리톤 성분이 낮은 비선형계수와 음의 분산 계수를 갖는 광섬유를 통과하며 보이는 시간상의 세기, 스펙트럼, 처핑의 변화를 보여준다.
도 10 내지 도 12는 수학식 6의 조건을 만족하는 광섬유를 통과하며 자기 위상 변조에 의한 시간상의 세기, 스펙트럼, 처핑의 변화를 나타낸다.
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 광원 시스템의 광 변환부에서 입력된 시드광을 긴 파장 대역으로 천이시켜 압축된 스펙트럼을 출력하는 것을 보여준다.
도 14는 본 발명의 실시예에 따른 주파수 천이 쓸림 광원 시스템에서의 반복률 조절시 출력되는 쓸림 광을 보여준다.
도 15는 본 발명의 실시예에 따른 주파수 천이 쓸림 광원 시스템을 적용한 장치의 예로서, 광 간섭성 단층 촬영 장치(optical coherence tomograph apparatus)를 개략적으로 보여준다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하면서, 본 발명의 실시예에 따른 주파수 천이(frequency shift) 쓸림(swept) 광원 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.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 주파수 천이 쓸림 광원 시스템을 개략적으로 보여주는 블록도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 주파수 천이 쓸림 광원 시스템(100)은 광을 출력하는 광원(30), 상기 광원(30)에서 출력된 광을 증폭하는 증폭부(50), 상기 증폭부(50)에서 증폭된 광의 주파수 천이 및 스펙트럼 압축이 이루어지는 광 변환부(70), 상기 광원(30)에서 출력되는 광의 반복률이 조절되도록 상기 광원(30)에 인가되는 전류 신호를 제어하는 제어부(10)를 포함한다. 본 발명의 실시예에 따른 주파수 천이 쓸림 광원 시스템(100)에 따르면, 상기 제어부(10)의 제어에 따라 증폭부(50)에서 증폭되어 출력되는 광의 세기가 조절됨으로써, 상기 광 변환부(70)에서 주파수 천이 및 스펙트럼 압축이 이루어지는 광에 대해 설정된 주파수 대역 부근에서 압축된 스펙트럼의 위치가 조절될 수 있으며, 이에 의해 순간적으로는 좁은 파장 반치폭의 광의 파장이 소정 범위내에서 가변되어 일정 시간으로는 광대역 광을 형성하므로, 광대역 쓸림(broadband swept) 광원을 구현할 수 있다.
상기 광원(30)은 펄스 형태로 레이저 광을 출력하도록 마련될 수 있다. 상기 광원(30)에서 출력되는 레이저 광은 시드광(seed light) 또는 펌핑광(pumping light)으로서, 상기 제어부(10)의 제어에 따라 인가되는 전류를 조절함으로써, 상기 광원(30)에서 출력되는 광의 반복률이 조절될 수 있다. 이하의 설명에서는 편의상 상기 광원(30)에서 출력된 광을 상기 증폭부(50)에서 증폭된 광 및 상기 광 변형부에 변형된 광과 구분이 용이하도록, "시드광"으로 표현한다.
상기 광원(30)은, 예를 들어, 그 중심 파장이 약 1.064μm인 시드 광을 펄스 형태로 출력하도록 마련될 수 있다. 이 경우, 후술하는 바와 같이, 증폭부(50)에 이터븀 도핑 광섬유(YDF: Ytterbium Doped Fiber)를 사용하는 경우, 상기 증폭부(50)는 약 1.064 μm 대역의 증폭된 광을 출력할 수 있다.
상기 증폭부(50)는 높은 이득율을 얻을 수 있도록, 적어도 이중 증폭 구조로 구성될 수 있다. 예를 들어, 증폭부(50)는 복수의 증폭기(53)(57)를 포함할 수 있으며, 후방으로 산란된 광의 전파를 방지하기 위해 증폭기(53)(57) 앞,뒤에 아이솔레이터(isolator:51,55,59)를 더 구비할 수 있다. 도 1에서는 증폭부(50)가 두개의 증폭기(53)(57) 및 3개의 아이솔레이터(51)(55)(59)를 구비한 예를 보여주는데, 증폭부(50)의 구성은 이에 한정되지 않으며, 다양하게 변형될 수 있다. 예를 들어, 상기 증폭부(50)는 삼중 또는 그 이상의 증폭 구조를 가지며, 복수의 아이솔레이터를 포함하도록 구성될 수 있다.
상기와 같은 증폭부(50)는 광섬유 레이저로서, 증폭기(53)(57)에 도핑된 희토류 물질에 따라 그 증폭된 광의 파장이 달라질 수 있다.
예를 들어, 상기 증폭기(53)(57)로 이터븀 도핑 광섬유(YDF: Ytterbium Doped Fiber)를 사용할 수 있다. 이 경우, 상기 증폭부(50)는, 적어도 이중 증폭 구조로 배열된 복수의 증폭기(53)(57)에 의해 입력되는 시드광을 증폭시켜 예를 들어, 약 1.064 μm 대역의 증폭된 광을 출력할 수 있다.
한편, 상기 시드광의 피크 파워(peak power), 펄스 지속 기간(pulse duration), 반복률(repetition rate) 등을 조절하면, 증폭부(50)에 입력하는 에너지를 변화시킬 수 있다. 특히, 증폭부(50)의 이득률은 입력 시드광의 반복률에 따라 달라질 수 있다. 이는 반복률이 높을수록 같은 시간동안 더 많은 펄스 광들이 증폭부(50)에서 제공하는 한정된 에너지를 나눠 공급받기 때문에, 증폭이 덜 되는 것으로 이해할 수 있다. 그러므로, 입력 시드광의 반복률 조절을 통해 증폭부(50)에서 출력되는 증폭된 광의 세기를 조절할 수 있다. 상기 증폭부(50)에서 증폭된 광은 광 변환부(70)로 전달된다.
상기 광 변환부(70)는, 상기 증폭부(50)에서 증폭된 광의 주파수 천이 및 스펙트럼 압축이 이루어지는 것으로, 증폭된 광의 파장 대역을 보다 긴 파장 대역으로 천이시키는 주파수 천이부(71)와, 이 주파수 천이부(71)를 경유한 광을 시간 축 상에서 분산시키는 이차 분산부(75)와, 상기 이차 분산부(75)로부터 입력되는 광의 스펙트럼을 압축하는 자기 위상 변조부(77)를 포함한다. 상기 광 변환부(70)는, 필터(73)를 더 포함할 수 있다. 상기 광 변환부(70)는 광섬유 연결부로 구성될 수 있다. 즉, 상기 주파수 천이부(71), 필터(73), 이차 분산부(75) 및 자기 위상 변조부(77) 각각이 광섬유로 구성되고, 광학적으로 연결된 구조로 이루어질 수 있다.
상기 주파수 천이부(71)는, 라만 산란에 의해 솔리톤 자기 주파수 천이(soliton self frequency shift)가 이루어지도록 마련될 수 있다. 즉, 주파수 천이부(71)는, 솔리톤 자기 주파수 천이부(71)로서, 증폭부(50)에서 출력되는 광의 파장 대역을 긴 파장 대역으로, 모양이 그대로 유지되는 솔리톤 상태로 주파수 천이를 겪게 된다. 이러한 솔리톤 자기 주파수 천이부(71)로 예를 들어, 음분산 고비선형 광섬유를 사용할 수 있다. 주파수 천이의 정도는 광의 세기에 의존하기 때문에, 증폭부(50)에서 반복률 조절에 의한 광의 세기 변화는 스펙트럼의 위치 변화로 이어질 수 있다.
상기 주파수 천이부(71)에서 출력되는 주파수 천이된 솔리톤 성분을 포함하는 광범위한 파장 대역에 걸친 주파수 천이 단계의 광은, 필터(73)에서 필터링되어 솔리톤을 포함하는 해당 주파수 대역 성분만 남게 된다.
상기 필터(73)는 상기 솔리톤 성분을 포함하는 주변 주파수 대역만을 통과시키도록 된 것으로, 주파수 천이부(71)와 이차 분산부(75) 사이 또는 이차 분산부(75)와 자기 위상 변조부(77) 사이에 위치될 수 있다. 상기 필터(73)로는 예를 들어, 특정 주파수 성분에 대한 밴드 패스 필터(band pass filter)로서 작동하는 광섬유 그레이팅(fiber grating)을 사용할 수 있다. 광섬유 그레이팅은 광섬유에 굴절율이 주기적으로 변하는 격자를 설정한 것으로, 격자의 간격과 굴절율 분포에 의존해 특정 주파수 성분에 대한 밴드 패스 필터로서 작동할 수 있다.
후술하는 자기 위상 변조부(77)에서의 위상 변조 단계에서, 일반적인 경우, 필터(73)가 없거나 광 변환부(70)의 마지막 단계에 필터(73)가 위치해도 목표한 파장 대역에서 압축된 스펙트럼을 얻을 수 있다. 하지만, 영분산 파장보다 낮은 파장대역의 주파수 성분은 솔리톤 성분에 교차 위상 변조(cross phase modulation)를 야기할 수 있다. 상기 필터(73)를 자기 위상 변조부(77)에 앞서 위치시키는 경우, 위상 변조시 솔리톤 성분에 교차 위상 변조가 야기되는 것을 방지할 수 있다. 상기 필터(73)의 통과폭(pass bandwidth)이 좁을수록 솔리톤을 제외한 잔여 광 성분에 대한 차단이 증가하나 최종 쓸림 광의 대역 자체를 제한하므로 이를 고려해 적절한 수준으로 설정할 필요가 있다. 상기 필터(73)를 통과한 뒤 남겨진 솔리톤은 처핑(chirping)이 없는 변환 제한된 펄스(transform-limited pulse)이다.
상기 이차 분산부(75)는, 상기 필터(73)를 통과한 솔리톤 성분을 시간축 상에서 분산 예컨대, 이차 분산(group velocity dispersion)시키며, 솔리톤에 의도적으로 음의 처핑을 인가하도록 마련될 수 있다.
이를 위하여, 상기 이차 분산부(75)에는 음분산 저비선형 광섬유를 사용할 수 있다. 이러한 음분산 저비선형 광섬유를 사용하여, 분산 계수가 솔리톤이 위치한 파장 대역에서 음수일 경우, 광의 스펙트럼의 거의 동일하게 유지되는 반면, 시간상에서 광의 세기가 분산되며, 음의 처핑이 인가될 수 있다.
상기 자기 위상 변조부(77)는 상기 이차 분산부(75)로부터 입력되는 광의 스펙트럼을 압축하기 위한 것으로, 분산에 의해 인가된 음의 처핑의 일부가 이러한 자기 위상 변조에 의해 상쇄될 수 있다. 이는 주파수 도메인 상에서 처핑이 상쇄된 주파수 대역을 중심으로 한 스펙트럼의 압축을 야기한다. 그러므로, 자기 위상 변조부(77)에서는, 자기 위상 변조 위주의 변화를 위해, 이차 분산 단계와는 반대로 높은 비선형 계수와 해당 주파수 대역에서 작은 분산 계수를 갖는 저분산 고비선형 광섬유를 사용할 수 있다.
상기와 같은 광 변환부(70)에서 광신호의 변화를 야기하는 현상들에 대한 보다 구체적인 설명은 아래와 같다.
이차 분산은 광을 구성하고 있는 다양한 주파수 성분들의 속도가 다름으로 인해 시간상에서 광이 분산되는 현상이다. 결과적으로 시간상에서 분산된 광의 주파수는 속도 순으로 정렬이 되며, 이를 주파수 처핑 (chirping)이라 한다.
이차 분산이 유의미 하게 일어나기 위해 필요한 광섬유의 길이를 분산 길이 (dispersion length)라 하며, 광신호의 폭과 광섬유의 분산 계수에 의존한다. 분산 길이는 수식적으로 다음과 같이 표현된다.
Figure 112013022930510-pat00001
여기서, LD는 분산 길이, β2는 광섬유의 분산 계수, T0는 광신호의 초기 반치폭 (FWHM)이다. 수학식 1에서 볼 수 있듯이 분산 계수가 크고 광신호의 폭이 작을 때 분산 길이가 짧다. 일반적으로 분산 계수는 수십 ps2/km 이며, km 미만 수준의 분산 길이를 얻기 위해서는 펄스의 반치폭이 수 ps, 또는 fs 수준일 필요가 있다.
한편 자기 위상 변조는 광섬유의 굴절률이 광의 세기에 비례해 바뀌는 광학적 커 효과(optical Kerr effect)에 기인한 현상으로, 광의 세기에 비례하는 위상이 인가된다. 자기 위상 변조는 광의 세기가 센 중심 부분에서 양의 처핑을 인가하며, 이차 분산과 달리 주파수 도메인 상에서 광신호 스펙트럼의 분산을 야기한다. 자기 위상 변조가 유의미 하게 일어나기 위한 광섬유의 길이를 비선형 길이 (nonlinear length)라 하며, 광신호의 세기와 광섬유의 비선형 계수에 의존한다. 비선형 길이는 수식적으로 다음과 같다.
Figure 112013022930510-pat00002
수학식 2에서, LNL은 비선형 길이, γ는 광섬유의 비선형 계수, P0는 광신호의 피크 출력 (peak power)을 의미한다. 광섬유의 비선형 계수는 분산 계수와 달리 크기 수준이 광섬유의 종류에 따라 다양하므로 광섬유의 비선형 길이는 분산 길이에 비해 설정이 용이하다. 이차 분산과 자기 위상 변조는 광신호가 광섬유 내에서 전파되어감에 따라 겪는 가장 기본적인 현상들로, 이들을 포함해 광신호의 변화를 설명하는 기본적인 비선형 슈뢰딩거 방정식은 다음과 같다.
Figure 112013022930510-pat00003
수학식 3에서 A는 광신호의 엔벨로프(envelope)에 해당하며, 감쇄 영향은 고려되지 않았다. z는 광섬유 내에서의 광의 진행방향에 해당하며, 수학식 3을 통해 미소 변위 dz만큼 광신호가 나아가면, 우변의 첫 항에 해당하는 이차 분산과 두 번째 항에 해당하는 자기 위상 변조에 의한 변화를 겪음을 알 수 있다.
한편, 광신호의 폭이 ps 미만 수준일 경우 광신호의 스펙트럼 내에서 고주파수 성분이 저주파수 성분을 펌핑하는 라만 천이 현상 (Raman induced frequency shift)이 유의미하게 발생한다. 이차 분산과 자기 위상 변조에 더해 라만 천이 현상에 의한 영향까지 고려한 비선형 슈뢰딩거 방정식은 다음과 같다.
Figure 112013022930510-pat00004
수학식 4에서, fR는 라만 반응 계수, hR(t)는 라만 반응 함수이며, *는 컨벌류션(convolution) 연산을 나타낸다. 즉, fs 수준의 광신호는 광신호가 광섬유 내에서 전파되어가며, 수학식 4에 나타난 바와 같이 분산, 자기 위상 변조, 라만 천이 현상에 의해 시간과 주파수 도메인 상에서 복합적인 변화를 겪게 된다.
본 발명의 실시예에 따른 광원 시스템(100)의 광 변환부(70)에서는 첫 번째 단계에서의 주파수 천이부(71) 즉, 솔리톤 유지 주파수 천이가 이루어지는 음분산 고비선형 광섬유에서 짧은 파장 대역의 시드광의 일부가 긴 파장 대역으로 모양이 그대로 유지되는 솔리톤 상태로 주파수 천이를 겪게 된다. 이후 필터(73) 즉, 광섬유 그레이팅 등을 이용한 해당 솔리톤 성분의 주파수 대역에 대한 필터링 단계가 이어지고, 세 번째 단계인 이차 분산부(75) 즉, 음분산 저비선형 광섬유의 이차 분산 단계에서는 솔리톤 성분이 시간 축 상에서 분산되며 음의 처핑이 인가된다. 그리고, 자기 위상 변조부(77) 즉, 저분산 고비선형 광섬유의 자기 위상 변조 단계에서는 음의 처핑 일부가 상쇄되며 스펙트럼이 압축된다.
도 2는 솔리톤 자기 주파수 천이 양상을 예시한 것으로, 1.064μm 중심의 증폭 신호가 supercontinuum하게 확장되며, 일부 성분이 스펙트럼을 유지하며, 연속적으로 주파수 천이를 겪는 것을 확인할 수 있다. 도 2는 전술한 수학식 4에 의해 분할 단계 푸리에 방법(split-step Fourier method)을 적용해 얻어진 결과이다.
이러한 supercontinuum 발생 양상은 광섬유의 분산 계수 분포에 크게 의존한다. 솔리톤은 자기 위상 변조와 이차 분산에 의한 위상 변화가 상쇄되어야 하므로 해당 파장 대역에서 분산 계수가 음의 부호여야 하며, 긴 파장 대역 방향으로 분산 계수의 크기가 증가할 때, 솔리톤 자기 주파수 천이 현상이 용이하게 일어날 수 있다.
도 3은 파장에 따른 광섬유 이차 분산 계수 분포를 보인 것으로, 솔리톤 자기 주파수 천이 현상을 효과적으로 얻기 위한 적절한 분산 분포에 해당한다. 주파수 천이의 정도는 분산 계수의 기울기, 비선형 계수, 시드광의 세기 등에 크게 의존한다.
도 4 및 도 5는 이러한 의존성을 보여주며 각각 시드광의 세기(펌프 파워), 분산 계수의 기울기에 따른 솔리콘 자기 주파수 천이를 보여준다.
도 4는 도 2와 같은 조건 하에서 시드 광 세기에 따른 출력 스펙트럼의 변화를 보인 것으로, 시드광의 세기가 셀수록 주파수 천이가 잘 일어나는 경향성을 확인할 수 있다.
도 5는 도 3의 1.02 μm에 위치한 영분산 파장(zero dispersion wavelength)를 기준으로 분산 계수의 기울기에 따른 출력 스펙트럼의 변화로, 천이되는 파장 대역에 걸쳐 분산 계수가 작을 때 주파수 천이가 더 잘 일어남을 확인할 수 있다. 비선형 계수, 분산 계수와 같이 광섬유 자체에서 주어지는 변수들을 쉽게 바꿀 수는 없기 때문에 일반적으로 펌프 신호의 세기 조절을 통해 원하는 파장 대역으로 주파수 천이를 유도하게 된다.
주파수 천이된 솔리톤 성분을 포함하는 광범위한 파장 대역에 걸친 주파수 천이 단계의 출력 광신호는 다음 단계에서 적절히 필터링 되어 솔리톤이 위치한 주파수 성분만 남겨지게 된다. 일반적인 경우 필터링이 없거나 마지막 단계에 위치해도 목표한 파장 대역에서 압축된 스펙트럼을 얻을 수 있다. 그러나 영분산 파장보다 낮은 파장대역의 주파수 성분이 솔리톤 성분에 교차 위상 변조(cross phase modulation)를 야기할 수 있으며, 광 변환부(70)의 두 번째 단계에 설정된 필터(73)는 이를 방지할 수 있다. 필터를 시스템에 포함할 경우, 앞서 서술한 바와 같이 필터의 폭(bandwidth)는 최종 쓸림 광의 대역을 포함하는 수준으로 설정되어야 한다. 상기 필터(73)로 광섬유 그레이팅을 사용할 수 있는데, 이 광섬유 그레이팅은 격자의 간격과 굴절률 분포에 의존해 특정 주파수 성분에 대한 밴드 패스 필터(73)로 작동할 수 있으므로 광섬유화 된 본 발명의 실시예에 따른 광원 시스템(100)에 사용될 수 있다.
도 6은 도 2의 출력 광신호의 필터(73) 통과 전후를 그린 것으로 필터(73)의 bandwidth는 약 80 nm로 선택되었다.
필터(73)를 통과한 뒤 남겨진 솔리톤은 처핑이 없는 transform-limited pulse이다. 광 변환부(70)의 세 번째 단계는 이러한 솔리톤에 의도적으로 음의 처핑을 인가하는 것으로 광섬유의 이차 분산 현상이 이용된다. 광섬유의 비선형 계수가 매우 낮다면 광신호는 비선형 효과보다 이차 분산 위주의 변화를 겪게 된다. 이는 수학식 1 및 수학식 2의 분산 길이, 비선형 길이와 광섬유 길이가 다음과 같은 수학식 5의 조건을 만족하는 것으로 볼 수 있다.
Figure 112013022930510-pat00005
수학식 5에서, 첨자 3rd는 광 변환부(70)에서 세 번째 단계의 광섬유(즉, 도 1에서 광 변환부(70)의 이차 분산부(75))를 의미하며, ~ 부호는 비슷한 크기의 의미로 표기되었다. 수학식 5의 조건을 만족하고 분산 계수가 솔리톤이 위치한 파장 대역에서 음수일 경우 광신호의 스펙트럼은 거의 동일하게 유지되는 반면, 시간상에서 광신호의 세기는 분산되며 음의 처핑이 인가된다. 도 7 내지 도 9는 도 6에 표시된 필터링된 솔리톤 성분이 낮은 비선형계수와 음의 분산 계수를 갖는 광섬유를 통과하며 보이는 시간상의 세기, 스펙트럼, 처핑의 변화를 보여준다. 도 2에서와 마찬가지로 분할 단계 푸리에 방법을 이용해 얻어진 결과를 보여준다.
분산에 의해 인가된 음의 처핑의 일부는 자기 위상 변조에 의해 상쇄될 수 있다. 이는 주파수 도메인 상에서 처핑이 상쇄된 주파수 대역을 중심으로 한 스펙트럼의 압축을 야기한다. 자기 위상 변조 위주의 변화를 위해서는 이차 분산 단계와는 반대로 높은 비선형 계수와 해당 주파수 대역에서 작은 분산 계수를 갖는 광섬유가 필요하다. 수학식 5에 대응하는 조건식을 쓰면 다음과 같다.
Figure 112013022930510-pat00006
수학식 6에서, 첨자 4th는 광 변환부(70)에서 네 번째 단계 광섬유(즉, 도 1에서 광 변환부(70)의 자기 위상 변조부(77))를 의미한다. 도 10 내지 도 12는 수학식 6의 조건을 만족하는 광섬유를 통과하며 자기 위상 변조에 의한 시간상의 세기, 스펙트럼, 처핑의 변화를 나타낸다.
결과적으로 솔리톤 자기 주파수 천이, 필터링, 이차 분산, 자기 위상 변조 순서의 광섬유화 된 본 발명의 실시예에 따른 광원 시스템(100)의 광 변환부(70)는 도 13에서와 같이, 입력된 시드광을 긴 파장 대역으로 천이시켜 압축된 스펙트럼을 출력할 수 있다.
또한, 전술한 바와 같이, 시드광의 세기에 따라 주파수 천이 정도가 다르기 때문에 시드광의 세기 변화를 통해 출력 스펙트럼의 파장 대역을 조절할 수 있다. 시드광의 세기 조절이 증폭부(50)의 반복률 변화로 이루어지므로, 본 발명의 실시예에 따른 주파수 천이 쓸림 광원 시스템(100)은 도 14에서와 같이 반복률 조절을 통한 쓸림 광을 출력할 수 있다.
상기한 바와 같은 본 발명의 실시예에 따른 주파수 천이 쓸림 광원 시스템(100)에 따르면, 광 변환부(70)에서 솔리톤 자기 주파수 천이 현상에 이은 스펙트럼 압축을 통해 희토류 물질의 방사 파장 대역에서 벗어난 파장 대역의 광원으로 이용될 수 있으며, 시드광의 반복률 조절에 의해, 압축된 스펙트럼 위치를 조절할 수 있어, 쓸림 광원으로 사용될 수 있다. 순간적으로는 좁은 파장 반치폭의 광이 얻어지지만, 시드광의 반복률을 조정하면 압축된 스펙트럼 위치가 조정되므로, 일정 시간 간격으로 보면, 광대역(broad band)의 광이 얻어질 수 있다.
예를 들어, 증폭부(50)의 증폭기(53)(57)로 이터븀 도핑 광섬유(YDF)를 사용하여, 증폭부(50)에서 약 1.064 μm 대역의 증폭된 광을 출력하는 경우, 시드광의 반복률 조정에 의해, 광 변환부(70)에서 주파수 천이되고 스펙트럼 압축되어 출력되는 광의 쓸림(swept) 파장 범위는 필터(73)의 통과폭(pass bandwidth)가 허용하는 범위 내에서 대략 1100nm 내지 1350nm 대역에 이를 수 있다.
상기한 바와 같은 본 발명의 실시예에 따른 주파수 천이 쓸림 광원 시스템(100)은, 또한, 광 변환부(70)를 반복률 조절을 통해 출력 광신호의 세기가 조절되는 증폭부(50)와 결합해 광섬유화 된 쓸림 광원으로써 광계측 분야에 사용될 수 있다.
도 15는 본 발명의 실시예에 따른 주파수 천이 쓸림 광원 시스템(100)을 적용한 장치의 예로서, 광 간섭성 단층 촬영 장치(optical coherence tomograph apparatus)를 개략적으로 보여준다.
도 15를 참조하면, 광 간섭성 단층 촬영 장치는, 광원 시스템(200)과, 간섭 광학계(300)와, 영상 신호 처리기(500)를 포함할 수 있다.
상기 광원 시스템(200)으로는 도 1을 참조로 전술한 본 발명의 실시예에 따른 주파수 천이 쓸림 광원 시스템(100)이 적용될 수 있다. 이에 따라, 순간적으로는 좁은 파장 반치폭을 가지지만, 일정 간격으로는 광대역의 광을 출력할 수 있다. 도 15에서, A는 광원 시스템(200)에서 출력되는 광이, 시드광의 반복률 조절에 따라 주파수 천이 및 스펙트럼 압축된 광의 스펙트럼 위치 조절 즉, 주파수가 가변되어 얻어지는 광대역 쓸림 광인 것을 나타낸다.
상기 간섭 광학계(300)는, 상기 광원 시스템(200)(100)에서 출력된 광을 측정광 및 참조광으로 분리하는 빔 분리기(310)와, 참조광을 반사시키는 반사 미러(330)와, 입력되는 광신호를 검출하는 검출기(350)를 구비하며, 빔 분리기(310)에 의해 분리된 측정광이 진행하는 쪽에 영상 신호를 획득하고자 하는 대상체(500)가 위치될 수 있다. 상기 빔 분리기(310)와 대상체(500) 사이에는, 측정광을 대상체(500)에 포커싱하도록 포커싱 렌즈(370)가 더 구비될 수 있다.
상기 간섭 광학계(300)에 의해, 빔 분리기(310)에서 분리된 측정광은 대상체(500)에 조사되며, 대상체(500)에서 반사된 측정광과 상기 반사 미러(330)에 의해 반사된 참조광을 간섭시켜, 검출기(350)에서 검출하게 된다.
상기 영상 신호 처리기(500)는 상기 검출기(350)에서 검출된 간섭 신호를 이용하여, 상기 대상체(500)의 단층 촬영 영상을 생성하게 된다.

Claims (18)

  1. 광을 출력하는 광원;
    상기 광원에서 출력된 광을 증폭하는 증폭부와;
    상기 증폭부에서 증폭된 광의 주파수 천이 및 스펙트럼 압축이 이루어지는 광 변환부와;
    상기 광원에서 출력되는 광의 반복률이 조절되도록 상기 광원에 인가되는 전류 신호를 제어하여, 상기 증폭부에서 증폭되어 출력되는 광의 세기가 조절됨으로써, 설정된 주파수 대역 부근에서 압축된 스펙트럼의 위치가 조절되도록 하는 제어부;를 포함하는 주파수 천이 쓸림 광원 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 광 변환부는,
    상기 증폭부에서 출력되는 광의 파장 대역을 긴 파장 대역으로 천이시키는 주파수 천이부와;
    상기 주파수 천이부를 경유한 광을 시간 축 상에서 분산시키는 이차 분산부와;
    상기 이차 분산부로부터 입력되는 광의 스펙트럼을 압축하는 자기 위상 변조부;를 포함하는 주파수 천이 쓸림 광원 시스템.
  3. 제2항에 있어서, 상기 주파수 천이부는, 솔리톤 자기 주파수 천이가 이루어지도록 마련된 주파수 천이 쓸림 광원 시스템.
  4. 제3항에 있어서, 상기 주파수 천이부는 음분산 고비선형 광섬유를 포함하는 주파수 천이 쓸림 광원 시스템.
  5. 제2항에 있어서, 상기 이차 분산부는, 이차 분산이 이루어지도록 마련된 주파수 천이 쓸림 광원 시스템.
  6. 제5항에 있어서, 상기 이차 분산부는, 음분산 저비선형 광섬유를 포함하는 주파수 천이 쓸림 광원 시스템.
  7. 제2항에 있어서, 상기 자기 위상 변조부는, 저분산 고비선형 광섬유를 포함하는 주파수 천이 쓸림 광원 시스템.
  8. 제2항에 있어서, 상기 광 변환부는, 상기 주파수 천이부와 이차 분산부 사이나 상기 이차 분산부와 자기 위상 변조부 사이에 특정 주파수 대역만을 통과시키는 필터;를 더 포함하는 주파수 천이 쓸림 광원 시스템.
  9. 제8항에 있어서, 상기 필터는, 특정 주파수 성분에 대한 밴드 패스 필터로서 작동하는 광섬유 그레이팅을 포함하는 주파수 천이 쓸림 광원 시스템.
  10. 제1항에 있어서, 상기 광 변환부는,
    상기 증폭부에서 출력되는 광의 파장 대역을 긴 파장 대역으로, 솔리톤 상태로 주파수 천이가 이루어지는 솔리톤 자기 주파수 천이부와;
    상기 솔리톤 자기 주파수 천이부로부터 입사되는 솔리톤 성분을 시간축 상에서 분산시키며 음의 처핑을 인가하는 이차 분산부와;
    상기 이차 분산부에서 인가된 음의 처핑의 일부를 자기 위상 변조에 의해 상쇄하여, 주파수 도메인 상에서 처핑이 상쇄된 주파수 대역을 중심으로 스펙트럼 압축을 야기하는 자기 위상 변조부;를 포함하는 주파수 천이 쓸림 광원 시스템.
  11. 제10항에 있어서, 상기 광 변환부는, 상기 솔리톤 자기 주파수 천이부와 이차 분산부 사이에 상기 솔리톤 성분의 주파수 대역만을 통과시키는 필터;를 더 포함하는 주파수 천이 쓸림 광원 시스템.
  12. 제11항에 있어서, 상기 필터는, 특정 주파수 성분에 대한 밴드 패스 필터로서 작동하는 광섬유 그레이팅을 포함하는 주파수 천이 쓸림 광원 시스템.
  13. 제10항에 있어서, 상기 솔리톤 자기 주파수 천이부는 음분산 고비선형 광섬유를 포함하는 주파수 천이 쓸림 광원 시스템.
  14. 제10항에 있어서, 상기 이차 분산부는, 음분산 저비선형 광섬유를 포함하는 주파수 천이 쓸림 광원 시스템.
  15. 제10항에 있어서, 상기 자기 위상 변조부는, 저분산 고비선형 광섬유를 포함하는 주파수 천이 쓸림 광원 시스템.
  16. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 증폭부는, 적어도 이중 증폭 구조로 이루어진 주파수 천이 쓸림 광원 시스템.
  17. 청구항 1항 내지 15항 중 어느 한 항의 주파수 천이 쓸림 광원 시스템을 적용하는 광대역 쓸림 광원 시스템과;
    상기 광원 시스템에서 출력된 광을 측정광 및 참조광으로 분리하고, 상기 측정광을 대상체에 조사하고, 상기 대상체에서 반사된 측정광과 상기 참조광을 간섭시켜, 간섭 신호를 검출하는 간섭 광학계와;
    상기 검출된 간섭 신호를 이용하여, 상기 대상체의 단층 촬영 영상을 생성하는 영상 신호 처리기;를 포함하는 광 간섭 단층 촬영 장치.
  18. 제17항에 있어서, 상기 주파수 천이 쓸림 광원 시스템은, 증폭부가 적어도 이중 증폭 구조로 이루어진 광 간섭 단층 촬영 장치.
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