KR102419525B1 - 광범위 튜닝 가능 레이저 및 그 레이저 시스템에 대한 파장 결정 - Google Patents

광범위 튜닝 가능 레이저 및 그 레이저 시스템에 대한 파장 결정 Download PDF

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Abstract

광범위 튜닝 가능 레이저 및 그 시스템의 파장 결정을 위한 방법은, 광자 집적 회로 기술에 기초한 고체 상태 레이저 기반의 광자 시스템뿐만 아니라, 광범위 튜닝 가능 외부 공동 레이저 및 시스템과 같은 별개의 테이블 탑 시스템을 사용하여 구현될 수도 있다. 그 방법은, 외부 파장 모니터링 기구에 대한 필요 없이, 즉각적인 시스템 파장 교정을 가능하게 하는 통합된 파장 제어를 허용한다. 파장 결정은, 파장 에탈론으로서 역할을 하는 잘 정의된 투과 또는 반사 함수를 갖는 단일체의 고체 상태 기반의 광학 공동을 사용하여 달성된다. 고체 상태 에탈론은 한 번의 파장 스윕 내에서 전체 레이저 방출 튜닝 곡선을 교정하기 위해, 파장 시프트 추적 컴포넌트, 예를 들면, 밸런스가 맞지 않은 간섭계와 함께 사용될 수도 있다. 그 방법은, 시작 파장이 선험적으로 알려지지 않은 버니어(Vernier) 필터 메커니즘에 기초한 통합 광자 시스템에 대해, 또는 외부 기구를 통한 파장의 교정에 대한 필요성을 제거하는 소형의 광범위 튜닝 가능 외부 공동 레이저에 대해 특히 유용하다.

Description

광범위 튜닝 가능 레이저 및 그 레이저 시스템에 대한 파장 결정
관련 출원
본 출원은 2018년 2월 2일자로 출원된 미국 가출원 일련 번호 제62/625,696호에 대한 우선권의 이점을 주장하는데, 이 가출원은 참조에 의해 그 전체가 본원에 통합된다.
발명의 분야
본 발명의 실시형태는, 개개의 광학 엘리먼트에 기초한 외부 공동 레이저(external cavity laser) 및 광자 집적 회로(photonic integrated circuit) 기술에 기초한 반도체 이득 매질 또는 외부 공동 레이저와 같은 반도체 기반의 광범위 튜닝 가능 레이저(widely tunable laser) 및 그 레이저 시스템의 파장 결정 및 자동 교정(auto-calibration)에 관한 것이다. 정확한 파장 결정이 상대 파장 튜닝 방향 모니터링과 조합한 잘 정의된 투과 또는 반사 함수를 갖는 통합된 고체 소스 에탈론(etalon)을 사용하여 수행되어, 한 번의 파장 스윕(wavelength sweep) 동안 시스템 방출 파장의 자동 교정을 허용한다. 본 발명의 실시형태는 분광 감지(spectroscopic sensing), 광학적 가간섭성 단층 촬영(optical coherent tomography), LIDAR(라이다), 보안 얼굴 인식, 등등에서의 애플리케이션에 대해 특히 유용하다.
반도체 레이저에 기초한 광범위 튜닝 가능 레이저는 반도체 기반의 이득 칩을 외부 공동 구성에 임베딩하는 것(예를 들면, 미국 특허 공개 번호 제 2007/0047599A1호, 제US2006/0193354 A1호, 및 제US2003/0016707 A1호, 및 미국 특허 번호 제6,327,036호 및 제6,714,309호 참조), 하나의 칩에서 공동 및 튜닝 섹션을 단일체로(monolithically) 실현하는 것(미국 특허 제6,728,279호 참조), 또는 III-V 반도체 이득 칩을, 실리콘 온 인슐레이터(silicon-on-insulator), 실리콘 질화물(silicon nitride) 또는 게르마늄 온 인슐레이터(germanium-on-insulator) 및 다른 재료 플랫폼에 기초할 수 있는 실리콘 광자 집적 회로(silicon photonic integrated circuit; Si PIC)와 결합하는 것과 같은 칩의 결합에 기초한 광범위 튜닝 가능 레이저를 실현하는 것(R. Wang 등등의 [Sensors 17, 1788, 2017]; R. Wang 등등의 [Optics Express 24 (25), 28977-28986, 2016]; 및 H. Lin 등등의 [Nanophotonics, Vol. 7, Issue 2, (2017) pages 393-420]; 및 WO 2018/215388호 참조)과 같은 많은 방식으로 실현될 수 있다. 이들 출판물의 각각은 참조에 의해 그 전체가 본원에 통합된다.
Metcalf-Littman(맷카프-릿트맨) 또는 Littrow(릿트로우) 구성에 기초한 외부 공동 레이저 다이오드와 같은, 비단일체의(non-monolithic) 광범위 튜닝 가능 레이저 개념의 경우, 절대 파장 제어는, 분광계(spectrometer) 또는 스펙트럼 분석기와 같은 외부 기구를 사용하여 측정되는 출력 파장을 참조한 이후 기계적 모터 위치를 교정하는 것에 의해 통상적으로 달성된다. 그러한 방법의 단점은, 파장 교정의 성능이 외부 기구를 필요로 한다는 것이다. 다른 방법은, 필터, 가스 셀 또는 전자적으로 튜닝 가능한 격자와 같은 복잡하고 및/또는 부피가 큰 에탈론을 사용하는 것 및 Fabry-Perot(패브리-페롯) 공동에 고정하는 것을 포함한다.
본 발명의 실시형태에 따르면, 전 고체 상태 디바이스(all-solid state device)는 절대 파장 기준(absolute wavelength reference) 및 파장 추적을 가능하게 한다. 이 디바이스는 광범위 튜닝 가능 레이저, 간섭계(interferometer)와 같은 파장 시프트 추적 디바이스, 및 오프셋 분산 브래그 반사기(offset distributed Bragg reflector) 또는 임의의 광학 공동과 같은 에탈론을 포함할 수도 있다. 빔의 일부가 분할되어 파장 시프트 추적 디바이스 및 고체 상태 에탈론을 따라 전달된다. 개개의 검출기는 파장 시프트 추적 디바이스 및 고체 상태 에탈론의 출력에서 신호를 등록하기 위해 사용된다. 에탈론의 별개의 파장 고유의 투과/반사 함수에 기인하여, 에탈론에서의 출력 신호는, 일단 레이저 파장이 에탈론의 특정한 파장에 튜닝되면, 별개의 신호(높거나 또는 낮음)를 제공한다. 동시에, 밸런스가 맞지 않은(non-balanced) 간섭계 형태의 파장 시프트 추적 디바이스의 출력은 시간의 함수로서 발진하는 주기적 신호를 기록한다. 신호의 주기는 간섭계의 암 사이의 광학 빔 경로 차이에 직접적으로 관련되며, 따라서, 시간에 따른 파장 시프트에 대한 정보를 제공한다. 에탈론 출력으로부터의 판독치와 결합하여, 전체 레이저 튜닝 곡선이 재구성되어, 스윕 내의 임의의 시간 순간에서의 절대 파장 정보를 제공할 수 있다.
이 구성은, 임의의 외부 공동 레이저의 파장 스윕 동안 간단하고 저렴하며 사실상 유지 보수가 필요 없는 파장 교정을 허용한다. 별개의 그리고 명확한 변조 곡선은 절대 파장 기준으로서 사용될 수 있다. 동일한 원리는 단일체 및 하이브리드 III-V/IV 광범위 튜닝 가능 레이저 및 그러한 레이저를 사용하는 통합 광자 회로에 전달될 수 있다. 두 경우 모두에서, 파장 에탈론은, 동일한 반도체 기술에 기초하여, 수동적이며, 비용이 저렴하고 조작이 간단한다.
한 양태에서, 본 발명의 실시형태는 광을 방출하기 위한 고체 상태 이득 매질 기반의 광범위 튜닝 가능 레이저, 방출된 광의 파장 시프트를 추적하기 위한 파장 시프트 추적 디바이스, 및 고체 상태 기반의 에탈론을 포함하는 고체 상태 레이저 기반의 디바이스에 관한 것이다. 고체 상태 기반의 에탈론은 명확한 투과 스펙트럼 또는 명확한 반사 스펙트럼 중 적어도 하나를 갖는 광학 엘리먼트를 포함한다. 광범위 튜닝 가능 레이저의 파장 스윕 동안, 고체 상태 기반의 에탈론 및 파장 시프트 추적 디바이스는 협력하여 광범위 튜닝 가능 레이저의 절대 파장 결정 및 제어를 제공하도록 구성된다.
다음의 피쳐 중 하나 이상이 포함될 수도 있다. 파장 스윕 동안, 파장 시프트 추적 디바이스는 시간의 함수로서 파장 시프트의 출력을 제공할 수도 있고, 고체 상태 에탈론은 스윕 동안 시간의 한 순간에 절대 파장에 대한 정보를 갖는 신호의 출력을 제공한다. 고체 상태 기반의 에탈론 및 파장 시프트 추적 디바이스의 출력의 조합은 스윕 동안 전체 레이저 튜닝 곡선의 재구성을 허용할 수도 있다. 이것은, 분광 감지, OCT 또는 주파수 변조 연속파(Frequency-Modulated-Continuous-Wave; FMCW) LIDAR과 같은 애플리케이션에 대해 파장 스윕이 비선형인 경우에 특히 유익하다. 이들 애플리케이션에서, 큰 대역폭에 걸친 선형 파장 스윕이 필요로 된다. 그러나, 대부분의 실제 시나리오에서, 위상 변화는 비선형적이다. 본 발명의 설명되는 실시형태는, 위상(파장) 변화의 함수를 추적하는 것 및 따라서 그것을 신호 프로세싱에 고려하는 것을 허용한다.
광범위 튜닝 가능 레이저는 릿트로우 또는 맷카프-릿트맨 구성 중 적어도 하나로 구성되는, 반도체 이득 칩 및 복수의 자유 공간 광학 엘리먼트를 포함하는 외부 공동 다이오드 레이저를 포함할 수도 있다.
광범위 튜닝 가능 레이저, 파장 시프트 추적 디바이스, 및 고체 상태 파장 기준 에탈론(solid state wavelength reference etalon)은 단일 반도체 칩 내에서 단일체로 실현될 수도 있다.
광범위 튜닝 가능 레이저는 IV족 반도체 기반의 광자 집적 회로 칩 상으로 하이브리드식으로(hybridly) 또는 이종적으로(heterogeneously) 통합되는 III-V 반도체 이득 칩을 포함하는 외부 공동 레이저 구성을 포함할 수도 있다. IV족 광자 집적 회로 칩은 실리콘 온 인슐레이터, 실리콘 질화물, 또는 게르마늄 온 인슐레이터 재료 플랫폼 중 적어도 하나를 포함할 수도 있다.
에탈론은 분산 브래그 반사기 미러(distributed Bragg reflector mirror), 분산 피드백 격자(distributed feedback grating), 커플링된 링 공진기(coupled ring resonator), 레이스 트랙 공진기(race track resonator), 및/또는 패브리-페롯 공동과 같은 공진 광학 공동(resonant optical cavity)을 포함할 수도 있다.
레이저 기반의 디바이스는 적어도 하나의 광검출기(photodetector)를 포함할 수도 있는데, 적어도 하나의 광검출기 및 공진 광학 공동은 협력하여 절대 파장의 결정을 가능하게 하도록 구성 및 배열된다. 적어도 하나의 광검출기는 파장 스윕 동안 레이저의 방출 파장의 교정을 가능하게 하도록 구성 및 배열될 수도 있다.
파장 시프트 추적 디바이스는, 예를 들면, Mach-Zehnder(마하-젠더) 간섭계, 다중 모드 간섭 디바이스, 및 Michelson(마이켈슨) 간섭계와 같은 밸런스가 맞지 않은 간섭계, 및 적어도 하나의 광검출기를 포함할 수도 있다.
고체 상태 이득 매질은 III-V 반도체 기반의 이득 칩을 포함할 수도 있다. III-V 반도체는 Al, Ga, In, As, Sb, P, N, Bi, 및/또는 이들의 합금 조합을 포함할 수도 있다.
레이저는 모드 호핑할(mode-hopping) 수도 있다.
다른 양태에서, 본 발명의 실시형태는 광범위 튜닝 가능 레이저의 파장 결정 및 제어를 위한 방법에 관한 것으로, 그 방법은 고체 상태 이득 매질 기반의 광범위 튜닝 가능 레이저, 파장 시프트 추적 디바이스, 및 고체 상태 에탈론을 포함하는 레이저 기반의 디바이스를 제공하는 것을 포함한다. 파장 스윕은 광범위 튜닝 가능 레이저에 의해 방출되는 광을 사용하여 수행된다. 동시에, (i) 방출된 광의 파장 시프트는 파장 시프트 추적 디바이스를 사용하여 추적 및 기록되고, (ii) 방출된 광의 절대 파장 값은 고체 상태 에탈론을 사용하여 기록된다. 기록된 파장 시프트의 값을, 고체 상태 에탈론을 사용하여 기록되는 절대 파장 값과 조합하여 사용하여, 레이저 튜닝 곡선이 교정된다.
다음의 피쳐 중 하나 이상이 포함될 수도 있다. 파장 시프트 추적 디바이스는 밸런스가 맞지 않은 간섭계를 포함할 수도 있고, 파장 시프트를 추적하는 것은 밸런스가 맞지 않은 간섭계의 출력 포트를 모니터링하기 위해 적어도 하나의 광검출기를 사용하는 것을 포함한다. 고체 상태 에탈론의 출력을 모니터링하여 절대 파장 값을 결정하기 위해, 적어도 하나의 광검출기가 사용될 수도 있다.
기록된 파장 시프트 및 기록된 절대 파장 값은, 한 번의 파장 스윕 내에서 전체 레이저 파장 튜닝 곡선을 교정하기 위해 협력하여 사용될 수도 있다.
또 다른 양태에서, 본 발명의 실시형태는 물질(substance)의 분광 감지를 수행하기 위한 방법에 관한 것이다. 그 방법은, 광을 방출하기 위한 고체 상태 이득 매질 기반의 광범위 튜닝 가능 레이저; 방출된 광의 파장 시프트를 추적하기 위한 파장 시프트 추적 디바이스; 및 명확한 투과 스펙트럼 또는 명확한 반사 스펙트럼 중 적어도 하나를 갖는 광학 엘리먼트를 포함하는 고체 상태 기반의 에탈론을 포함하는 고체 상태 레이저 기반의 디바이스를 제공하는 것을 포함한다. 광범위 튜닝 가능 레이저의 파장 스윕 동안, 고체 상태 기반의 에탈론 및 파장 시프트 추적 디바이스는 협력하여 광범위 튜닝 가능 레이저의 절대 파장 결정 및 제어를 제공하도록 구성된다. 고체 상태 레이저 기반의 디바이스는 물질을 포함하는 타겟 오브젝트와 광학적으로 연통하도록 배치된다. 광범위 튜닝 가능 레이저로부터의 방출된 광은 타겟 오브젝트로 투과되는데, 투과된 광은 물질 내의 분자와 상호 작용하고, 광-분자 상호 작용(light-molecule interaction)은 투과된 광의 스펙트럼 속성을 수정한다. 광범위 튜닝 가능 레이저에 의해 방출되는 광을 사용한 파장 스윕이 수행되는데, 방출된 광은, (i) C-H 분자 결합 신축 진동(stretching vibration)의 기본 또는 제1 오버톤(overtone) 또는 (ii) C-H, N-H 및 O-H 분자 결합의 신축 및 굴곡(bending) 진동의 조합 중 적어도 하나와 일치하는 스펙트럼 대역폭에 걸쳐 스윕되고, 분자 결합 신축 및 굴곡 진동의 흡수 스펙트럼은 분자에 따라 독특하고 고유하다. 동시에, (i) 방출된 광의 파장 시프트는 파장 시프트 추적 디바이스를 사용하여 추적 및 기록되고 (ii) 방출된 광의 절대 파장 값은 고체 상태 에탈론을 사용하여 기록된다. 기록된 파장 시프트의 값을, 고체 상태 에탈론을 사용하여 기록되는 절대 파장 값과 조합하여 사용하여, 레이저 튜닝 곡선이 교정된다. 타겟 오브젝트로부터의 광 신호는 투과 또는 확산 반사 중 적어도 하나에 의해 수집된다. 수집된 광 신호는 물질을 특성 묘사하도록 프로세싱된다.
다음의 피쳐 중 하나 이상이 포함될 수도 있다. 물질을 특성 묘사하는 것은 물질 내 분자의 농도 레벨을 계산하는 것을 포함할 수도 있다. 농도 레벨은 mg/dL, mmol/l 또는 g/l과 같은 교정 단위로 표현될 수도 있다.
물질을 특성 묘사하는 것은 물질 내에 배치되는 적어도 하나의 분자의 종(species)을 결정하는 것을 포함할 수도 있다. 물질을 특성 묘사하는 것은 물질 내의 분자 종의 존재 또는 부재를 결정하는 것을 포함할 수도 있다.
타겟 오브젝트는 인체의 적어도 일부를 포함할 수도 있다. 타겟 오브젝트는, 전혈(whole blood), 혈청(blood serum), 혈장(plasma), 간질액(interstitial fluid), 날숨(exhaled breath), 및/또는 이들의 조합과 같은 분리된 생리학적 물질을 포함할 수도 있다.
광 신호를 프로세싱하는 것은 통계적 회귀(statistical regression)를 포함할 수도 있다. 통계적 회귀는 공지된 타겟 분자 흡광도(absorbance) 및 물질 내에서의 대응하는 농도 데이터를 사용하여 구성되는 다변량 부분 최소 제곱 알고리즘(multivariate partial least square algorithm)에 기초할 수도 있다.
레이저는 모드 호핑할 수도 있다.
기록된 파장 시프트 및 기록된 절대 파장 값은, 한 번의 파장 스윕 내에서 전체 레이저 파장 튜닝 곡선을 교정하기 위해 협력하여 사용될 수도 있다.
파장 스윕의 파장 튜닝 함수는 불연속적일 수도 있고 계단 함수(staircase function), 경사 계단 함수(sloped staircase function), 선형 함수, 및/또는 계단 함수, 경사 계단 함수 및 선형 함수의 임의적인 중첩일 수도 있다.
여전히 다른 양태에서, 본 발명의 실시형태는 원격 오브젝트의 주요 지표(key indicator)를 측정하기 위해 고체 상태 레이저 기반의 디바이스를 사용하기 위한 방법에 관한 것이다. 그 방법은, 광을 방출하기 위한 고체 상태 이득 매질 기반의 광범위 튜닝 가능 레이저; 방출된 광의 파장 시프트를 추적하기 위한 파장 시프트 추적 디바이스; 광검출기; 및 명확한 투과 스펙트럼 또는 명확한 반사 스펙트럼 중 적어도 하나를 갖는 광학 엘리먼트를 포함하는 고체 상태 기반의 에탈론을 포함하는 고체 상태 레이저 기반의 디바이스를 제공하는 것을 포함한다. 광범위 튜닝 가능 레이저의 파장 스윕 동안, 고체 상태 기반의 에탈론 및 파장 시프트 추적 디바이스는 협력하여 광범위 튜닝 가능 레이저의 절대 파장 결정 및 제어를 제공하도록 구성된다. 광범위 튜닝 가능 레이저에 의해 방출되는 광을 사용하여 파장 스윕이 수행된다. 동시에, (i) 방출된 광의 파장 시프트는 파장 시프트 추적 디바이스를 사용하여 추적 및 기록되고, (ii) 방출된 광의 절대 파장 값은 고체 상태 에탈론을 사용하여 기록된다. 기록된 파장 시프트의 값을, 고체 상태 에탈론을 사용하여 기록되는 절대 파장 값과 조합하여 사용하여, 레이저 튜닝 곡선이 교정된다. 광은 레이저에 의해 방출되는데, 여기서 (i) 레이저는 모드 호핑하고 모드 홉(mode-hop) 사이의 차이가 알려져 있고, (ii) 파장 스윕의 파장 튜닝 함수는 불연속적이고, (iii) 레이저에 의해 방출되는 광은 두 개의 경로로 분할되는데, 제1 경로의 길이는 기준 오브젝트까지의 공지된 거리를 포함하고 제2 경로의 길이는 원격 오브젝트까지의 거리를 포함한다. 방출된 광이 원격 오브젝트 및 기준 오브젝트에 충돌하고 그로부터 반사된 이후, 원격 오브젝트로부터 그리고 기준 오브젝트로부터 반사되는 반사된 빔을 광검출기를 사용하여 수집하고 반사된 빔을 광검출기에서 혼합한다. 광검출기는 발진 응답 신호(oscillating response signal)를 제공한다. 원격 오브젝트의 주요 지표가 계산된다.
다음의 피쳐 중 하나 이상이 포함될 수도 있다. 원격 오브젝트의 주요 지표는 거리, 속도, 형태(topography), 조성(composition), 및/또는 이들의 조합일 수도 있다.
파장 튜닝 함수는 계단 함수, 경사 계단 함수, 선형 함수, 및 계단 함수, 경사 계단 함수, 및 선형 함수의 임의적인 중첩일 수도 있다.
발진 응답 신호의 발진 주파수는, (i) 레이저의 두 개의 모드 홉 사이의 시간인 주기; 및 (ii) 발진 응답 신호의 푸리에(Fourier) 변환의 상대적 진폭 및 발진 응답 신호의 푸리에 변환에서 존재하는 두 개의 비트 주파수(beat frequency)에 의해 정의되는 듀티 사이클;에 의해 정의되는 시간에서의 주기 함수(periodic function)일 수도 있다.
발진 주파수의 주기 함수, 파장 튜닝 함수, 및 기준 오브젝트까지의 거리는, (i) 레이저 기반의 시스템으로부터 원격 오브젝트의 적어도 하나의 지점까지의 거리 및 (ii) 레이저 기반의 시스템에 대한 원격 오브젝트의 적어도 하나의 지점의 속도 중 적어도 하나의 주요 지표를 계산하기 위해 사용될 수도 있다.
레이저 기반의 시스템에 대한 원격 오브젝트의 계산된 거리 및 속도 값을 사용하는 것에 의해 매질을 통과하는 원격 오브젝트의 총 광학 경로를 계산하는 것에 의해 레이저와 원격 오브젝트 사이에 배치되는 매질의 화학적 조성이 분석될 수도 있다.
반사된 리턴 광학 빔(return optical beam)의 분광 분석은 매질의 튜닝 가능한 레이저 흡수 분광법(tunable laser absorption spectroscopy)에 의해 수행될 수도 있다. 분자 고유의 회전-진동(ro-vibrational) 분자 흡수에 기인하는 복수의 분자의 원소 기여도(elemental contribution)가 결정될 수도 있다.
오브젝트 고유의 보안 키(object specific security key)를 형성하기 위해 적어도 하나의 주요 지표가 사용될 수도 있다. 적어도 하나의 주요 지표를 계산하는 것은 2D 래스터 스캔을 사용하는 것을 포함할 수도 있다.
복수의 주요 지표가 계산될 수도 있는데, 주요 지표는, 레이저 기반의 시스템으로부터 원격 오브젝트의 적어도 하나의 지점의 거리, 레이저 기반의 시스템에 대한 원격 오브젝트의 적어도 하나의 지점의 속도, 원격 오브젝트의 분자 조성, 원격 오브젝트와 레이저 기반의 시스템 사이에 배치되는 매질의 분자 조성, 및/또는 이들의 조합 중 적어도 하나를 포함한다.
원격 오브젝트의 오브젝트 고유의 다차원 이미지가 형성될 수도 있는데, 여기서 (i) 이미지의 차원은 원격 오브젝트의 공간적 외관, 원격 오브젝트의 속도, 원격 오브젝트의 화학적 조성, 또는 이들의 조합 중 적어도 하나를 포함하고 (ii) 오브젝트 고유의 보안 키는 원격 오브젝트의 오브젝트 고유의 다차원 이미지를 포함한다.
도 1은, 종래 기술에 따른, 맷카프-릿트맨 구성의 외부 공동 다이오드 레이저를 예시하는 개략적인 다이어그램이다.
도 2 (a) 및 (b)는, 상이한 비굴절률 차(refractive index contrast)를 갖는 선택된 고체 상태 공진 공동 에탈론의 2100 nm 내지 2300 nm 스펙트럼 영역에서의 대표적인 명확한 반사 및 투과 스펙트럼이다. 특히, 도 2 (a)는 GaAs/AlGaAs 분산 브래그 반사기의 반사 스펙트럼이고 도 2 (b)는 공동 결함을 갖는 Si/SiO2 분산 브래그 반사기의 반사 스펙트럼이다.
도 3a는, 본 발명의 한 실시형태에 따른, 반사 구성에서의 고체 상태 파장 기준 에탈론을 갖는 수정된 외부 공동 다이오드 레이저(external cavity diode laser; ECDL)의 개략적인 다이어그램이다.
도 3b는, 본 발명의 한 실시형태에 따른, 파장 도메인으로의 시간 도메인 신호 변환을 예시한다.
도 3c는, 본 발명의 한 실시형태에 따른, 고체 상태 파장 기준 에탈론 및 밸런스가 맞지 않은 간섭계 형태의 파장 시프트 추적 디바이스를 포함하는 최적화된 외부 공동 다이오드 레이저의 개략적인 다이어그램이다.
도 4a 및 도 4b는, 본 발명의 실시형태에 따른, 커플링된 마이크로 링 공진기 및 광대역 반사기에 기초한, Vernier(버니어) 필터 튜닝 메커니즘에 기초한 통합된 하이브리드 III-V/IV 광범위 튜닝 가능 레이저(도 4a), 및 밸런스가 맞지 않은 간섭계 형태의 파장 시프트 추적 디바이스를 포함하는 수정된 WTL(도 4b)의 개략적인 다이어그램이다.
도 5a는, 본 발명의 한 실시형태에 따른, 커플링된 마이크로 링 공진기 형태의 공진 광학 공동의 개략적인 다이어그램이다.
도 5b는, 본 발명의 실시형태에 따른, 고체 상태 에탈론으로서의 가능한 함수를 예시하는, 도 5a의 커플링된 마이크로 링 공진기의 대응하는 투과 스펙트럼이다.
도 6은, 본 발명의 한 실시형태에 따른, 한 번의 스윕 내에서 완전한 자동 교정을 가능하게 하는 공진 광학 공동 형태의 파장 기준 에탈론 및 파장 시프트 추적 디바이스를 포함하는 최적화된 하이브리드 III-V/IV 광범위 튜닝 가능 레이저의 개략적인 다이어그램이다.
도 7a는, 본 발명의 한 실시형태에 따른, 밸런스가 맞지 않은 간섭계의 출력 포트에서 광검출기에 의해 모니터링되는 바와 같은 실험적 시간 도메인 신호의 그래프이다.
도 7b는, 본 발명의 한 실시형태에 따른, 고체 상태 에탈론의 출력 포트에서 광검출기를 사용하여 측정되는 시간 도메인 신호의 그래프이다.
도 8a는, 본 발명의 한 실시형태에 따른, 오프셋 DBR인 고체 상태 에탈론의 공지된 함수를 사용하여 시간 도메인 신호를 파장 도메인으로 변환하는 그래프이다.
도 8b는, 본 발명의 한 실시형태에 따른, 공동 결함을 갖는 다른 고체 상태 에탈론의 포트에서의 실험적인 투과 측정의 그래프이다.
도 8c 및 도 8d는, 두 개의 상이한 실험적 광범위 튜닝 가능 레이저에 대한 본 발명의 실시형태에 따른, 상이한 포트에서 밸런스가 맞지 않은 간섭계 광검출기의 시간 도메인 신호를 교정하기 위한 도 8a의 정보의 사용을 도시하는 그래프이다.
도 9a 및 도 9b는, 본 발명의 실시형태에 따른, 스윕된 파장 레이저 튜닝 곡선의 교정의 실험적 입증(experimental demonstration)의 그래프이다.
도 10은, 본 발명의 한 실시형태에 따른, 상이한 포도당 농도에 대한 투과 스펙트럼의 실험적인 2차 도함수를 예시하는 그래프이다.
도 11a 및 도 11b는, 본 발명의 한 실시형태에 따른, 생체 분자(biomolecule) 농도 감지를 위한 분광 센서의 개략적인 다이어그램이다.
도 12는, 본 발명의 실시형태에 따른, 칩 상의 분광 시스템의 개략적인 사시도이다.
도 13은, 28 명의 상이한 개인의 전혈로부터 획득되는 실험적 포도당 센서 교정 곡선이다.
도 14a는 개략적인 다이어그램이고 도 14b 내지 도 14e는 종래 FMCW의 동작의 원리를 예시하는 그래프이다.
도 15a는, 본 발명의 실시형태에 따른, 모드 호핑 FMCW LIDAR를 예시하는 개략적인 다이어그램이고 도 15b 내지 도 15e는 그래프이다.
도 16a는, 본 발명의 실시형태에 따른, 경사 파장 튜닝 함수를 갖는 모드 호핑 FMCW LIDAR를 예시하는 개략적인 다이어그램이고 도 16b 내지 도 16e는 그래프이다.
도 17a는, 본 발명의 실시형태에 따른, 레이저 기반의 시스템에 대한 원격 오브젝트의 속도를 결정하기 위한 모드 호핑 FMCW LIDAR를 예시하는 개략적인 다이어그램이고 도 17b 내지 도 17e는 그래프이다.
도 18a 및 도 18b는, 본 발명의 실시형태에 따른, 광범위 튜닝 가능 레이저 기반의 LIDAR의 개략적인 블록도이다.
본 발명의 실시형태는 동작 동안 광범위 튜닝 가능 레이저의 파장 제어에 관한 것이며, 외부 광학 엘리먼트에 대한 필요 없이 레이저 시스템의 교정을 가능하게 한다. 설명되는 방법은, 분산 브래그 반사기(DBR), 분산 피드백 격자(DFB) 또는 DBR 또는 DFB와 같은 주기적 공동 미러를 갖는 공진기를 사용하여 형성될 수 있는, 또는 마이크로 링 공진기(micro ring resonator; MRR), 레이스 트랙 공진기, 등등과 같은 공진기에 커플링된 공진기를 사용하는 임의의 공진 광학 공동(resonant optical cavity; ROC)와 같은 주기적 광학 구조체를 사용한다. 고체 상태 에탈론이 협대역 출력을 제공하는 한 실시형태에서, 광범위 튜닝 가능 레이저의 절대 파장 교정은 밸런스가 맞지 않은 간섭계와 같은 파장 시프트 추적 디바이스와 조합하여 사용된다. 적절한 밸런스가 맞지 않은 간섭계의 예는, 예를 들면, 마하-젠더 간섭계, 다중 모드 간섭 디바이스, 마이켈슨 간섭계, 등등을 포함한다.
설명되는 방법은 단일체 및 비단일체의 광범위 튜닝 가능 레이저 아키텍쳐 둘 모두에 적용 가능하다. 명확성을 위해, 두 아키텍쳐는 별개로 논의된다. 절대 파장의 지식은, 외부 기구의 사용 및 재교정에 대한 필요 없이, 분광기, 파장 분할 멀티플렉싱, 등등과 같은 애플리케이션에서의 사용을 보장하기 위해, 아키텍쳐 둘 모두에 대해 필요하다.
비단일체의 광범위 튜닝 가능 레이저는 통상적으로 외부 공동 구성에 임베딩되는 반도체 광학 엘리먼트 - 이득 칩 - 를 수반하며 외부 공동 다이오드 레이저(ECDL)로 칭해진다. ECDL은 상이한 방식으로 실현될 수 있는데, 가장 통상적으로는 릿트로우 구성 또는 맷카프-릿트맨 구성 중 어느 하나에서 구성되는 복수의 자유 공간 광학 엘리먼트(free-space optical element) 및 반도체 이득 칩을 수반한다.
종래 기술의 맷카프-릿트맨 구성의 간단한 개략도가 도 1에서 도시되어 있다. 여기서, 반도체 이득 칩(1)은 시준되며(collimated) 빔 경로(10)를 따르는 광을 방출하고 스침 입사각에서 회절 격자(2)에 부딪친다. 0차 빔은 출력으로 지향되고 1차 빔은 이동식/회전 미러(3) 상으로 반사되는데, 이동식/회전 미러(3)는 광을 격자 상으로 그리고 필터링된 신호를 증폭하고 그것을 출력으로 다시 전송하는 반도체 이득 칩 안으로 되반사한다. 이 구성에서, 파장 제어는 가상 피봇 지점 축을 중심으로 하는 미러 회전에 의해 달성된다. 회전의 각도는, 격자 및 반도체 이득 칩의 이득 대역폭에 의해 선택되는, 공동에서의 파장을 정의한다. 실제 시스템에서, 미러는 기계적 모터, 피에조 엘리먼트 또는 갈바노 자기(Galvano-magnetic) MEMS 미러를 사용하여 회전된다. 모든 경우에, 외부 기구를 사용하여 측정하고 회전 모터 위치, 또는 갈바노 자기 전류 값을 특정한 파장으로 교정하지 않은 상태에서는, 방출 파장은 선험적으로 알려지지 않는다. 그러한 시스템은 드리프트, 기계적 불안정성, 및 진동에 기인하는 편차가 발생하기가 쉽고, 일반적으로 수시로 재교정을 필요로 한다. 가스 셀(gas cell), 주파수 빗(frequency comb)에 대한 필터, 패브리-페롯 공동, 등등과 같은, 상이한 파장 제어 방법이 입증되었다.
본 발명의 실시형태는, 빔 스플리터를 통해 빔 경로에 임베딩되며 모니터링 광검출기로 집속되는 분산 브래그 미러(DBR)와 같은 주기적 광학 구조체를 포함한다. DBR은 튜닝 가능 레이저 방출 대역을 참조하여 반사 대역 오프셋을 가지도록 설계되거나(도 2a) 또는 공동 결함을 가지도록 설계되어(도 2b), 레이저 파장에 대한 별개의 그리고 명확한 투과 또는 반사 특성을 제공할 수 있다. 그러한 구조체의 설계는 주기적 브래그 반사기를 형성하는 상이한 굴절률을 갖는 재료의 에피택셜 주기 쌍을 퇴적하거나 또는 성장시키는 것에 의해 수행된다. 주기 및 개개의 층 두께를 변경하는 것은 브래그 파장에서의, 따라서, 투과 및 반사 스펙트럼에서의 변경으로 나타난다. 통상적인 DBR은 도 2a에서 도시되는 바와 같이 브래그 파장 주변에서 넓은 반사율 대역을 가지는데, 도 2a는 ~ 2000 nm에 대응하는 브래그 파장 주변에서 설계되는 실험적 GaAs/AlGaAs DBR 반사 스펙트럼을 묘사한다. Si/SiO2와 같은 높은 비굴절률 차 재료 쌍으로 설계되는 유사한 DBR 구조체가 도 2b에서 도시되어 있다. 여기에서, DBR 구조체는 또한 임베딩된 광학 공동을 포함하는데, 이것은 DBR의 반사 스펙트럼 내에서 별개의 급격한 강하(dip)로 나타난다. 임베딩된 공동에 기인하는 그러한 특정한 스펙트럼 변조는 비굴절률 차가 높은 경우에만 강하며, 따라서, 광학 공동을 갖는 DBR은, Si/SiO2가 사용될 때 고체 상태 파장 에탈론에 대해 적합한 선택이다. GaAs/AlGaAs 재료 시스템에서와 같이 비굴절률 차가 낮은 실시형태에서, DBR은 브래그 파장은, 자신의 브래그 파장이 광범위 튜닝 가능 레이저 방출에 대해 오프셋되도록 설계될 수 있고, 그 결과, 이 방출 스펙트럼은, 도 2a에서 도시되는 바와 같이, DBR 반사 저지 대역(stopband)의 옆에서 투과/반사의 주기적 변조와 중첩한다.
이러한 타입의 주기적 에탈론을 포함하는 ECDL 구성이 도 3a에서 묘사되어 있다. 여기서, 빔 스플리터(4)는, 명확한 반사 스펙트럼을 갖는 주기적 광학 구조체인 에탈론 미러(5) 상으로 빔의 일부를 분할한다. 따라서, 에탈론 미러(5)로부터 반사되는 광은 미러의 파장 고유의 반사/투과 함수로 변조되고, 단일 에탈론 광검출기(6)를 사용하여 시간 함수로서 기록된다. 에탈론 광검출기(6)는, 예를 들면, 바이폴라 다이오드 디바이스이거나, 또는 배리어 포토다이오드 또는 양자 우물 적외선 광검출기(quantum well infrared photodetector; QWIP)와 같은 유니폴라 디바이스일 수도 있다. 에탈론 미러(5)가 상이한 굴절률을 갖는 두 개의 재료의 주기적 구조체를 적층하는 것에 의해 형성되기 때문에, 온도 드리프트를 보상하는 것이 중요하다. 이것은, 에탈론 미러(5) 상에 써모파일(thermopile)(도시되지 않음)을 포함시키는 것에 의해 쉽게 달성되는데, 이것은 공지된 함수인 온도에 따른 반사/투과 함수 시프트의 평가, 또는 열전 냉각기/히터를 사용한 개개의 온도 안정화를 통한 일정한 온도에서의 에탈론의 유지 보수를 허용한다.
도 3b는, 도 3b에서 묘사되는 오프셋 DBR과 같은 고체 상태 에탈론을 사용하여 광검출기(6)에 의해 기록되는 시간 도메인 신호를 스펙트럼 도메인으로 변환하는 것을 묘사한다. 명확한 스펙트럼 변조를 제공하기 위해, DBR 중심 파장은 반도체 이득 칩의 이득 곡선의 중심과 관련하여 오프셋될 수도 있다. 에탈론 광검출기(6)를 사용하여 기록되는 명확한 변조를 볼 수 있다.
다시 도 2a를 참조하면, 기준 DBR 미러 단독의 측정된 반사 스펙트럼인 동일한 변조 함수를 볼 수 있다. 레이저 튜닝 스펙트럼과 매치하는 영역에 대해 고체 상태 에탈론의 명확한 반사 또는 투과 패턴이 공지되어 있고 격자 회전 또는 MEMS 미러 움직임이 일정한 속도에 있다는 것을 고려하면, 그러한 곡선은, 추가적인 외부 계측 설비(instrumentation)의 사용 없이도, 에탈론 광검출기(6)에서 시간 신호를 모니터링하는 것을 통해 ECDL에 대한 파장 교정을 허용한다. 격자 회전 또는 MEMS 미러 편향을 스윕하는 것은 스윕이 개시될 때 가속 기간을 야기하고 스윕이 끝날 때 감속을 야기하기 때문에, 후자의 조건은 충족하기 어렵다. 이것은 시간의 함수로서의 파장의 비선형 왜곡으로 이어져서, 자동 교정을 불가능하게 만든다. 이것은, 파장 시프트 값을 시간의 함수로서 제공하여, 전이 효과에 기인하는 비선형성의 기록을 허용하고 그들을 고려하는 파장 시프트 추적 디바이스를 사용하는 것에 의해 극복될 수도 있다.
고체 상태 에탈론이 공진 광학 공동 또는 필터와 같은 협대역 출력, 또는 오프셋 DBR과 같은 명확한 출력을 갖는 실시형태에서, 전체 스윕에 걸친 파장 교정은, 도 3c에서 도시되는 바와 같이 밸런스가 맞지 않은 간섭계와 같은 파장 시프트 추적 디바이스와 조합한 고체 상태 에탈론을 사용하여 행해질 수 있다. 여기서, ECDL 레이저로부터의 출력 빔은 빔 스플리터(4)에 의해 두 부분으로 분할된다. 하나의 부분은 광범위 튜닝 가능 레이저 시스템의 출력이고 빔의 다른 부분은 제2 빔 스플리터(7)에 의해 추가로 분할되는데, 빔의 하나의 부분은, 두 개의 빔 스플리터(8, 11) 및 두 개의 미러(9, 10)를 포함하는 밸런스가 맞지 않은 간섭계에 진입한다. 빔 스플리터(7)는 밸런스가 맞지 않은데, 그 이유는 두 개의 빔 스플리터(8, 11)를 통과하는 상부 암을 통한 광학 경로 길이가, 광이 두 개의 미러(9, 10)를 통해 전달되는 하부 암보다 더 짧기 때문이다. 이것은, 두 개의 암으로부터의 광학 신호가 다시 결합되는 간섭계의 출력에서 간섭하는 광학 신호를 제공한다. 발진 신호는 빔 스플리터(11)의 출력 중 임의의 것에서 제2 광검출기(12)를 사용하여 모니터링될 수 있다. 제2 광검출기(12)에 의해 기록되는 발진 함수는, 설계에 의해 공지되고 정의되는 간섭계 암 사이의 광학 경로 차이에 의해 정의되는 발진 주기를 갖는다. 따라서, 절대 파장 시프트는 실시간으로 추적될 수 있다. 일단 고체 상태 에탈론(5)과 관련되는 에탈론 광검출기(6)가 에탈론으로부터 절대 파장 고유의 출력을 기록하고 결정하면, 이 값은 제2 광검출기(12)에 의해 기록되는 절대 파장 시프트 값과 조합하여 전체 튜닝 곡선의 교정을 허용한다. 그러한 에탈론 및 파장 시프트 추적 디바이스는, 단일체의 및 하이브리드식으로 또는 이종적으로 통합된 광범위 튜닝 가능 레이저 둘 모두에 적용될 수 있다.
도 3c는, 기술 분야의 숙련된 자에게 공지되어 있는 바와 같이, 밸런스가 맞지 않은 간섭계가 실현될 수 있는 방법의 많은 것 중 하나의 방식만을 묘사한다. 파장 시프트 추적 디바이스 및 고체 상태 에탈론의 추가가 ECDL 기술에 기초한 벤치 탑 분리형 광범위 튜닝 가능 레이저(bench top discrete widely tunable laser)의 컴포넌트의 관점에서 복잡성을 추가하지만, 설명되는 실시형태는 동일한 칩 내의 III-V 이득 칩 및 광자 집적 회로의 하이브리드 조합에 의해 실현되는 통합된 광범위 튜닝 가능 레이저에 대해 특히 유용하다.
반도체 칩 내에서 광범위 튜닝 가능 레이저(widely tunable laser; WTL)를 설계하는 가장 일반적인 방식은, 약간 상이한 자유 스펙트럼 범위를 갖는 두 개의 커플링된 공진기를 활용하는 버니어 필터 효과를 사용하는 것이다. 공진기의 각각은 주파수 빗을 제공하는데, 레이징 주파수(lasing frequency)는 두 개의 주파수 빗이 중첩하는 곳이다. 레이징 주파수는 공진기 중 하나의 유효 굴절률을 변경하는 것에 의해 빠르게 변경(튜닝)될 수 있다. 버니어 필터는 샘플링된 브래그 격자, 상부 구조 격자(superstructure grating), 또는 커플링된 마이크로 링 공진기(micro-ring resonator; MRR)를 사용하여 실현될 수 있다.
도 4a는 두 개의 커플링된 MRR을 갖는 하이브리드 III-V/실리콘 광범위 튜닝 가능 레이저(WTL)의 개략적인 다이어그램이다. 광을 방출하기 위한 고체 상태 이득 매질 기반의 WTL은, 광이 도파관 구조체(20)를 통해 안내되는 광자 집적 회로에 커플링되는 반도체 이득 칩(1)을 사용하여 실현될 수도 있다. 고체 상태 이득 매질은 III-V 반도체 기반의 이득 칩을 포함할 수도 있는데, III-V 반도체는, 예를 들면, Al, Ga, In, As, Sb, P, N, Bi, 및 이들의 합금 조합을 포함한다. 광자 집적 회로는 실리콘 온 인슐레이터, 실리콘 질화물 또는 게르마늄 온 인슐레이터 및 다른 재료 플랫폼에 기초할 수도 있다.
광은 이중 MRR 기반의 버니어 필터(30, 31), 및 광대역 반사기(40)에 커플링된다. 파장 튜닝은 히터(50, 55)에 의해 MRR의 굴절률을 열적으로 변경하는 것에 의해 달성된다. 이러한 방식으로, III-V 이득 칩의 전체 이용 가능한 이득 대역폭에 걸쳐 파장을 빠르게 스윕하는 것이 가능하다. 그러나, 이 구성에서, 반도체 이득 칩의 이득 대역폭이 소정의 범위까지 공지되어 있지만, 정확한 파장 시프트 및 절대 방출 파장은 외부 계측 설비 없이는 결정될 수 없다.
파장 시프트 추적 디바이스로서 역할을 하는 출력 암 둘 모두에서 파장의 함수로서 발진 출력을 제공하기 위해, 밸런스가 맞지 않은 1×2 마하-젠더 간섭계와 같은 밸런스가 맞지 않은 간섭계가 WTL에 추가될 수도 있다. 이 구조체는, 도 4b에서 도시되는 바와 같이, 두 간섭계 암 사이의 광학 경로 차이에 의존하는 해상도를 가지고 파장 튜닝 크기의 정확한 추적을 허용한다. 여기서, WTL의 출력 신호는 빔 스플리터로서 역할을 하는 1×2 MZI(60)로 라우팅되고, 빔의 일부를 시스템의 출력(62)으로 분할한다. 빔의 다른 부분은, 두 개의 출력(71, 72)을 통해 파장 시프트 추적을 허용하는 파장 고유의 투과 함수를 제공하는 밸런스가 맞지 않은 MZI(70)을 통해 전송되는 기준 신호이다. 원칙적으로, 두 출력 중 하나를 모니터링하는 것은 파장 시프트 정보에 액세스하기에 충분하다. 출력 둘 모두를 모니터링하는 것은, 정확도 및 더 높은 신호 대 노이즈 비의 관점에서 유익하다.
파장 시프트의 추적을 허용하지만, 이 구조체 단독으로는 실제 방출 파장의 값에 대한 정보를 제공하지 못한다. 별개의 선험적으로 공지된 스펙트럼 형상을 갖는 몇몇 샘플의 분광법과 같은 소정의 경우에, 1×2의 밸런스가 맞지 않은 MZI를 갖는 버니어 필터 기반의 레이저는 또한, 추가적인 신호 프로세싱 및 제어 알고리즘을 대가로, 절대 파장 값을 제공할 수 있다.
이러한 단점은, WTL 및 파장 추적 디바이스와 조합하여 결함을 갖는 공진 광학 공동(ROC)을 포함하는 별개의 ECDL 기반의 광범위 튜닝 가능 레이저에 관해서 유사한 방식으로 고체 상태 에탈론을 추가하는 것에 의해 해결될 수도 있다. ROC는 DBR, DFB, MRR 또는 명확하게 정의된 파장 고유의 투과/반사 스펙트럼을 갖는 다른 타입의 공진 광학 공동일 수 있다. DBR 기반의 ROC 반사 스펙트럼의 예가 도 2b에서 도시되어 있는데, 저지 대역의 중앙에서 명확한 공동 강하(cavity dip)를 볼 수 있다. 이 공동 강하는 WTL을 파장 교정하기 위해 사용할 수 있다. 별개의 광범위 튜닝 가능 레이저의 경우, DBR이 별개의 컴포넌트로서 설계되는 경우, 그것은, Si, SiN 또는 Ge 도파관의 주기적 에칭에 의해, 광자 집적 회로 기술을 사용하는 것에 의해 또한 실현될 수 있다. 주기 및 비굴절률 차는 도 2b에서 도시되는 바와 같은 투과 및 반사 속성을 정의한다. 주기성이 굴절률 변동의 관점에서 정의되기 때문에, 이것은 기술 분야의 숙련된 자에게 공지되어 있는 바와 같은 많은 상이한 방식, 예를 들면, 완전히 에칭된 격자, 부분적으로 에칭된(얕은) 격자, 주름진 측벽 격자, 광자 결정 격자(photonic crystal grating), 측면 격자(side grating), 등등에서 달성될 수 있다.
도 5a 및 도 5b를 참조하면, MRR(30)에 기초한 ROC를 통한 투과는, 버스 도파관에 커플링되는 공진 링 공동에 기인하여, 특징적인 공진 강하를 갖는다.
광자 집적 회로부에서 그러한 ROC를 구현하는 방식은 도 6에서 도시되어 있다. 여기서, WTL은 광자 집적 회로에 커플링되는 반도체 이득 칩(1)을 사용하여 실현되는데, 여기서 광은 도파관 구조체(20)를 통해 안내된다. 광은 두 개의 MRR(30, 31) 및 광대역 반사기(40)에 기초하는 버니어 필터에 커플링된다. 파장 튜닝은 히터(50 및 55)에 의해 MRR의 굴절률을 열적으로 변경하는 것에 의해 달성된다. 그 다음, 출력 신호는 빔 스플리터로서 역할을 하는 1×2 MZI(60)로 라우팅된다. 1×2 MZI(60)는 광학 신호를 출력 빔 및 기준 신호로 분할한다. 기준 신호는 추가적인 1×2 MZI 빔 스플리터(80)로 라우팅되는데, 추가적인 1×2 MZI 빔 스플리터(80)의 출력 포트는, 파장 시프트 추적을 위해 사용되는 밸런스가 맞지 않은 MZI 파장 추적 디바이스(70)에 그리고 출력 포트(91)를 통해, 절대 파장 교정을 위해 사용되는 ROC 에탈론(90)에 연결된다.
고체 상태 기반의 에탈론(90)의 출력 포트(91)에 있는 광검출기는 MZI 파장 추적 디바이스(70)의 출력(71, 72)에서 적어도 하나의 광검출기와 협력하여 광범위 튜닝 가능 레이저의 절대 파장 결정 및 제어를 제공하고, 그에 의해, 스윕 내에서 절대 파장 스윕 교정을 가능하게 한다. 고체 상태 에탈론 구성에 따라, 출력(91)에서의 광검출기는 레이저가 에탈론의 기준 파장으로 튜닝될 때 하이(high) 또는 로우(low)를 판독한다. 파장 시프트 추적 디바이스(70)의 출력에서 시간 함수 레코더와 결합되는 이 신호는 전체 파장 튜닝 함수의 재구성을 허용한다. 파장 튜닝 함수는, 튜닝 전류, 미러 편향, 격자 회전 각도, 등등과 같은 외부 구동 신호에 기인하여 파장이 시간 함수로서 변화하는 방식이다. 스윕 동안 레이저의 파장 튜닝 함수는 레이저 시스템 설계에 의존하며 선형일 수 있거나, 또는, 대부분의 경우에, 비선형일 수 있고 어떤 임의의 수학적 함수를 따른다. 일정한 시간 함수가 아닌 파장 시프트와 같은 전이 효과는 파장 시프트 추적 디바이스(70)의 출력에서 주기의 변화로 나타난다. 따라서, 스윕 내의 모든 비선형성은 일단 절대 파장 기준 신호가 기록되면 재구성될 수 있고, 따라서, 시스템 외부의 모든 비선형성을 포함하여 전체 파장 튜닝 함수가 재구성될 수 있다.
도 7a는 밸런스가 맞지 않은 간섭계의 출력 포트(71, 72)에서 광검출기에 의해 기록되는 바와 같은 시간 도메인 신호를 묘사하고, 도 7b는 고체 상태 에탈론의 출력 포트(91)와 관련되는 광검출기를 사용하여 측정되는 시간 도메인 신호를 묘사한다. 출력 포트(91)에서 기록되는 시간 도메인 신호는 공지되어 있고, 따라서, 두 개의 상이한 고체 상태 에탈론에 대해 도 8a 또는 8b에서 도시되는 바와 같이 파장 또는 주파수 도메인으로 변환될 수 있다. 그 다음, 이 정보는, 밸런스가 맞지 않은 간섭계 출력 포트(71, 72)에서 광검출기를 사용하여 기록되며 도 8c 및 도 8d에서 각각 도시되는 바와 같이 파장 또는 주파수 도메인으로 변환되는 시간 도메인 신호를 교정하기 위해 사용될 수도 있다. 이 정보는 스윕 내에서 임의의 순간에 절대 파장 값 및 파장 시프트 크기에 대한 교정된 파장 도메인 정보를 전달하고, 따라서, 도 9a 및 도 9b에 도시되는 바와 같은 스윕의 임의적인 비선형 파장 튜닝 함수의 완전한 재구성 및 레이저의 파장 튜닝 함수의 교정을 허용한다.
동작에서, WTL에 의해 방출되는 광은, 예를 들면, 버니어 필터를 형성하는 커플링된 공진기(30, 31) 중 적어도 하나의 전기 열 튜닝에 의해 파장 스윕을 수행하기 위해 사용된다. 파장 시프트 추적 디바이스(70)의 출력(71, 72) 중 하나에서의 적어도 하나의 광검출기는, 파장이 스윕함에 따라, 시간 도메인, 즉 방출된 광의 파장 시프트에서 발진 신호를 추적하고 기록한다. 동시에, 고체 상태 에탈론(90)의 출력에서의 적어도 하나의 광검출기(91)는 방출된 광의 절대 파장 값을 기록한다. 스윕 내의 소정의 순간에, WTL 파장은 고체 상태 에탈론(90)의 기준 파장에 걸쳐 스윕하여, 고체 상태 에탈론(90)의 출력(91)에서 적어도 하나의 광검출기에 대한 별개의 신호 판독치를 제공하여, 절대 파장 값을 기록하고 결정한다. 그 다음, 이 기록된 파장 시프트 값은 고체 상태 에탈론을 사용하여 기록되는 절대 파장 값의 기준과 조합하여 사용되어 도 9a 및 도 9b에서 입증되는 바와 같이 WTL의 전체 파장 튜닝 함수를 교정할 수 있다.
상기에서 설명되는 방법 및 아키텍쳐는, 한 번의 파장 스윕 동안 달성될 수 있는 정확한 절대 파장 결정 및 추적을 허용하고, 그에 의해, 외부 계측 설비의 사용 없이 레이저 및 그 시스템의 파장 튜닝 함수의 자동 교정을 허용한다. 또한, 설명되는 실시형태는, 시스템 온도가, 예를 들면, 통합된 써모파일에 의해 모니터링될 수도 있고 열전 온도 제어(thermoelectric temperature control)에 의해 고체 상태 에탈론에 대해 일정한 온도를 제공할 수도 있기 때문에, 열적으로 안정할 수도 있다.
본원에서 설명되는 아키텍쳐 및 방법은, 분광 바이오센싱 - 즉, 혈액 구성 성분(constituent)(포도당, 요소(urea), 젖산염(lactate), 혈청 알부민(serum albumin) 및 기타) 농도 결정, 자율 주행 차량을 위한 가간섭성 LIDAR, 보안, 산업용 인라인 검사 및 원격 감지, 얼굴 인식, 등등 - 을 포함하는 매우 광범위한 애플리케이션을 가능하게 한다.
분광 바이오센싱 애플리케이션에서, 광 흡수가 광-분자 상호 작용의 결과이고 분자에 고유하기 때문에, 광범위 튜닝 가능 레이저 소스는 센서 칩의 주요 컴포넌트이다. 스펙트럼 영역에 따라, 예를 들면, C-H 신축 또는 C-H, O-H 및 N-H 신축의 조합 및 굴곡 진동에 기인하는 분자에 고유한 오버톤 및 기본 흡수 대역이 식별될 수 있고 주목하는 분자의 식별 및 그 농도 둘 모두를 허용할 수 있다. 기상(gas-phase)에서, 흡수 대역이 매우 좁지만(통상적으로 백 MHz), 광범위 튜닝 가능 레이저는, 그들이 다수의 분자의 흡수 대역을 포괄할 수 있기 때문에, 다중 분자 감지에 특히 흥미롭다. 액상(liquid phase)에서, 분자 흡수 대역은 충돌에 기인하여 스펙트럼적으로 넓고 통상적으로 100 nm 이상에 걸쳐 있다. 따라서, 레이저는 분자 고유의 스펙트럼을 파악하기 위해 매우 넓은 파장 범위에 걸쳐 튜닝될 필요가 있다. 본 발명의 한 실시형태에 따른 레이저 기반의 디바이스를 사용하여 획득되는, 상이한 포도당 농도에 대한 투과 스펙트럼의 실험적 2차 도함수가 도 10에서 도시되어 있다. 분자 고유의 스펙트럼은 2150 nm에서 2350 nm 이상까지 200 nm 이상에 걸쳐 있다는 것을 알 수 있다.
광범위 튜닝 가능 레이저 기반의 분광 센서(1100)의 가능한 구성이 도 11a에서 묘사되어 있다. 분광 센서(1100)는 광범위 튜닝 가능 레이저 어레이(100, 101, 102, ..., 1XX), 단일 도파관, 다수의 도파관 어레이, 다중 모드 간섭 디바이스, 등등일 수 있는 빔 결합기(200), 예를 들면, 격자 커플러, 다수의 격자 커플러, 위상 어레이, 출력 미러, 또는 엔드 파이어 도파관(end-fire waveguide)일 수 있는 자유 공간 광학기기(free space optic) 및/또는 광섬유 인터페이스(fiber-optic interface)를 가지고 형성될 수도 있는 출력 섹션(600), 및 적어도 하나의 광검출기일 수 있는 신호 검출 인터페이스(700)를 포함한다. 분광 감지를 수행하기 위해, 튜닝 가능한 레이저 방사선은 광범위 튜닝 가능 레이저 어레이(100,101, ..., 1XX)에 의해 방출되고 빔 결합기(200)로 지향된다. 그 다음, 결합된 빔은 출력 섹션(600)으로 지향된다. 그 다음, 튜닝 가능한 레이저 광은 자유 공간 빔 또는 광섬유 전달(800)을 통해 샘플 또는 타겟(1000) 상으로 커플링된다. 샘플 또는 타겟(1000)은 인간의 표피 층에 있는 분리된 혈액 방울, 또는 혈액 및 간질액일 수도 있다. 그 다음, 광은 타겟 분자와 상호 작용하고 광의 일부는 샘플 내의 타겟 분자에 흡수되어, 광의 스펙트럼을 수정한다. 이 광은 리턴 빔(900)을 통해 센서로 다시 확산 반사되고 신호 광검출기(700)를 통해 수집되며 광전압(photovoltage) 또는 광전류(photocurrent)는 샘플 성분의 농도로 변환된다.
도 11b에서, 분광 센서(1100)는 또한 상호 작용 블록(1300)을 포괄한다. 센서 범위 밖에서 커플링하는 대신, 광은 감지될 환경과 매우 근접하게 된다. 이 상호 작용 블록(1300)은 도파관 바로 외부의 소산 장(evanescent field)이 주변을 감지하는 나선형 도파관, 분자 고유의 수용체가 굴절률 시프트를 야기할 수 있는 기능화된 인터페이스, 주변의 음향이 테스트될 수도 있는 광 음향 컴포넌트, 등등일 수도 있다. 상호 작용 블록(1300)이 사용되는 경우, 광이 센서를 떠나지 않기 때문에 출력 섹션(600)은 필요하지 않다.
도 12는, 본원에서 설명되는 바와 같이, 혈액 분석을 위한 분광 센서(1100)의 실험적 실현의 한 예를 묘사한다. 센서는 200 mm 및 300 mm 웨이퍼 사이즈의 상용 CMOS 파운드리에서 이용 가능한 광자 집적 회로 기술에 기초한다. 물리적 센서 다이의 사이즈는 III-V 컴포넌트 - 즉, 이득 칩 및 광검출기 - 의 사이즈에 의해 결정된다. 센서(1100)의 컴팩트 버전은 4 개의 III-V 이득 칩(1), 1×4 기준 광검출기 어레이(1210) 및 단일 신호 광검출기(1220)를 포함할 수도 있다. 센서 사이즈는 III-V 컴포넌트의 수를 감소시키는 것에 의해 감소될 수 있다. 단일 분자만이 주목되는 특정한 실시형태에서, 단일의 III-V 이득 칩의 대역폭은 충분할 수도 있고, 그 결과, 수 mm2의 전체 센서 사이즈로 이어진다. 컴팩트한 사이즈는 그러한 센서(1100)가, 종래의 패키징 기술을 사용하여 스마트 워치, 스마트폰 또는 스마트 손목밴드와 같은 핸드헬드형 및 웨어러블 소비자 전자 디바이스에 쉽게 통합되는 것을 허용한다. 피실험체와의 광학 통신은, 예를 들면, 캡슐(encapsulation)(5000)의 상부 표면 상에서 실현되는 광학 윈도우(3000)를 통해 수행될 수도 있다. 자유 공간 전달(800) 및 리턴 빔(900)이 묘사되어 있다. 궁극적인 소형화를 위해, 드라이버 전자 회로(4000)는 광자 회로 아래의 동일한 실리콘 결정에서 실현될 수 있고, 그 결과, 완전한 3D 하이브리드 전자-광자(electro-photonic) 집적 회로로 이어진다.
사이즈 외에, IV족 반도체 기술 플랫폼(예를 들면, CMOS)을 사용하여 설명된 센서를 실현하는 능력은 저렴한 비용으로 연간 수백만 유닛을 제조하는 성능을 제공한다. 예를 들면, 도 12에서 묘사되는 바와 같이 4 개의 III-V 이득 칩 및 1×4 기준 광검출기 어레이를 갖는 상대적으로 큰 센서를 고려한다. 4000 개 이상의 그러한 센서 칩이 단일의 200 mm Si 웨이퍼 상에 형성될 수도 있는데, 25 개의 웨이퍼의 표준 생산 배치(standard production batch)는 100,000 개의 센서 칩을 산출하고, 그 결과, 단일 센서 칩의 10 US 달러 미만의 가격이 된다. 설명되는 실시형태 및 대규모 기술과의 그들의 호환성은 추가 노력 없이 하루 24시간 주 7일 동안 실시간으로 중요 대사 산물의 저비용의 모니터링을 가능하게 한다.
전혈로부터의 실험적 포도당 센서 교정 곡선의 한 예가 도 13에서 도시되어 있다. 농도의 교정된 값은, 예를 들면, 공지된 타겟 분자 흡광도 및 생리학적 물질 내에서의 대응하는 농도 데이터를 사용하여 구성되는 다변량 부분 최소 제곱 알고리즘에 기초하여 통계적 회귀 방법을 사용하는 것에 의해 발견될 수 있다. 도 13에서, 생리학적 물질은 전혈이지만, 그러나 그것은 또한, 예를 들면, 조직, 간질액, 혈장, 혈청, 등등일 수 있다. 여기서, 28 명의 상이한 개인으로부터 500 개가 넘는 데이터세트가, 본 발명의 실시형태에 따른 레이저 디바이스를 사용하여 사용되었다. 95 %의 실험 결정 계수는 3-20 mmol/l 농도 범위에서 1.15 mmol/l의 제곱 평균 제곱근 오차를 사용하여 달성된다. 데이터 포인트의 85 %는 임상적으로 올바른 결정을 나타내는 Clarke(클라크) 격자의 영역 내에 존재한다. 본 발명의 실시형태에 따른 센서는 젖산염, 요소, 혈청 알부민, 크레아티닌(creatinine) 및 기타와 같은 다수의 분자의 농도를 검출하도록 수정될 수도 있다. 주목하는 타겟 분자 종의 존재 또는 부재의 사실만이 필요로 되는 다른 실제 시나리오에서, 통계적 회귀를 사용하는 교정 프로시져는 필요하지 않을 수도 있으며 임계 조건이 적용될 수 있다. 이 경우, 측정시의 레이저 강도 신호 수정만이 충분할 수도 있다.
FMCW LIDAR 애플리케이션에서, 광범위 튜닝 가능 레이저 소스는 환경을 이미지화하기 위해, 그리고 원격 오브젝트의 주요 지표를 기록하기 위해 사용된다. 주요 지표는, 원격 오브젝트의 적어도 하나의 지점까지의 거리, 오브젝트 속도, 오브젝트 형태, 레이저 기반의 시스템과 오브젝트 사이의 매질의 원소 조성(elemental composition), 오브젝트의 원소 조성, 및 이들의 조합을 포함한다. 예를 들면, Quack, Niels 등등의 ["Development of a FMCW LADAR Source Chip Using MEMS-Electronic-Photonic Heterogeneous Integration", GOMACTech Conference. 2014. p. 13-4]; Amman 등등의, ["Laser ranging: a critical review of usual techniques for distance measurement", Opt. Eng. 40(1) 10-19 (January 2001)], 및 Dilazaro 등등의 ["Large-volume, low-cost, high-precision FMCW tomography using stitched DFBs", Optics Express, Vol. 26, No. 3 (5 Feb 2018) 2891-2904] - 이들의 각각은 그 전체가 본원에 통합됨 - 를 참조할 수 있다.
도 14a는 통상적인 FMCW LIDAR 시스템의 작동 원리를 예시한다. 파장 튜닝 가능 레이저(100)의 출력(800)은, 예를 들면, 빔 스플리터(200)에 의해, 타겟 암(810) 및 기준 암(reference arm)(820)으로 분할된다. 기준 오브젝트(1200) 및 타겟 오브젝트(1000)(본원에서 원격 오브젝트로 또한 칭해짐)까지의 거리는 상이한데, 각각 R 및 R + L에 의해 표시된다. 반사된 빔(900 및 910)은, 측정된 전력을 시간의 함수로서 기록하는 광검출기(700)로 지향되는데, 본원에서 발진 응답 신호로 칭해진다. 도 14b를 참조하면, 레이저 소스(100)의 파장(또는 등가 주파수)은 지속적으로 튜닝된다. 경로 길이 차이 때문에, 타겟 암의 주파수는 기준 암과는 상이하다. 튜닝 곡선은 시간적으로
Δt = 2L/c
만큼 시프트되는데, c는 광의 속도이며, f(t - Δt)에 의해 표시된다. 주파수가 상이하기 때문에, 광검출기에서 측정되는 발진 응답 신호에서 비트 노드가 발생하는데, 기준 암과 타겟 암 사이의 주파수에서의 차이에 의해 주어진다. 도 14c를 참조하면, 선형적으로 변화하는 레이저 주파수의 경우, 비트 주파수는 시간적으로 일정한데, 단위 시간당 주파수 차이(γ) 및 암의 시간 차이(Δt)에 의해 정의된다. 비트 주파수가 일정하기 때문에, 검출기(700)에서 측정되는 발진 응답 신호는 도 14e에서 묘사되는 바와 같이 단순한 사인 함수이며, 그 푸리에 변환은 도 14d에서 도시된다. 따라서, 비트 주파수(fBeat)를 측정할 수 있고 주파수 변화(γ)는 레이저로부터 알려지는데, Δt 및 거리(L)가 쉽게 추출될 수 있다는 것을 의미한다.
상기에서 논의되는 바와 같이, 통상적인 FMCW LIDAR 시스템은 레이저 광원의 선형 주파수 튜닝을 필요로 한다. 레이저가 모드 홉을 나타내는 경우, 이것은 불가능하다. 예를 들면, 도 15a 내지 도 15e를 참조하면, 커플링된 마이크로 공진기(예를 들면, 마이크로링 또는 샘플링된 격자)의 버니어 필터 구성에 기초한, 본 발명의 실시형태에 따른 레이저 디바이스는, 공진기 중 하나가, 도 15b에서 예시되는 바와 같이, 외부 제어 신호(기계적 변화, 열, 전기 또는 다른 제어 신호)에 의해 튜닝될 때, 하나의 파장에서 다른 파장으로 호핑한다. 적절하게 분석되면, 주요 지표는 여전히 추출될 수 있다.
거리 및/또는 형태는 다음과 같이 결정될 수 있다. 도 15a에서의 기본 구성은 도 14a와 동일한데, 레이저 광원(100)의 출력(800)은 빔 스플리터(200)에 의해 두 개의 암(810 및 820)으로 분할되고 반사 신호(900 및 910)의 간섭은 검출기(700)에 의해 추적된다. 그러나, 이제, 파장(또는 주파수)은 하나의 값에서 다른 값으로 호핑한다. 이 거동은, 도 15b에서와 같이, 계단 함수에 의해 표현될 수 있다. 수학적으로 이것은 다음과 같이 표현되는데
Figure 112020091151452-pct00001
fS는 주파수 홉(frequency hop)이고 tS는 두 홉 사이의 시간이다. H(t)는 헤비사이드 함수(Heaviside function)이다. 타겟 암으로부터의 지연된 신호도 또한 f(t - Δt)에 의해 표시된다. 검출기(700)에서 측정되는 발진 응답 신호는 두 개의 암(도 15e) 사이의 주파수 차이에 따라 변동하지만, 그러나 통상적인 LIDAR와는 달리, 더 이상 일정하지는 않다. 도 15c는 결과적으로 나타나는 주파수 차이를 도시한다. 그것은, 주파수 홉(fS)의 정수 양인 두 개의 주파수가 존재하는 구형파 함수이다. 정수(m)는 현재 알려져 있지 않다. 검출기(700)에서의 광전압의 푸리에 변환(도 15d)은 이들 두 주파수를 도시한다. 이들은 측정될 수 있고 주파수 홉(fS)은 시스템의 함수이다. 따라서, 정수(m)가 추출될 수 있다. 주파수 사이의 간격은 fS이며 검증으로서 사용될 수 있다는 것을 유의한다. 푸리에 스펙트럼에서의 스펙트럼 라인의 상대적 진폭으로부터, 구형파의 듀티 사이클을 추론할 수 있고, 따라서, Δt 및 거리(L)는 명확하게 추출될 수 있다.
실제로, 버니어 타입 또는 다른 모드 호핑하는 광범위 튜닝 가능 레이저는, 이상적인 모드 홉이 없는 레이저 및 계단식 레이저의 중첩을 입증하고, 그 결과, 경사 계단 레이저로 나타나게 된다(도 16a 내지 도 16e). 동작의 원리는 계단 레이저와 동일하며 결과적으로 나타나는 푸리에 변환은 비트 주파수 항(γt)만큼 시프트되는 주파수로 나타나게 된다.
상기의 논의가 추출될 속성으로 거리(L) 또는 형태에 초점을 맞추었지만, 다른 주요 지표도 또한 측정될 수 있다. 예를 들면, 원격 오브젝트의 속도가 계산될 수도 있다. 타겟(1000)(원격 오브젝트)이 도 17에서 도시되는 속도 v로 움직이고 있는 경우, 널리 공지된 도플러 효과는 인해 타겟 암에서 주파수 시프트를 야기한다. 타겟 암(900)에서 반사된 신호의 주파수는 도플러 시프트에 의해 시프트되며, 수학적으로 다음과 같이 표현되는데:
Figure 112020091151452-pct00002
여기서 vT는 타겟 오브젝트의 속도이고, c는 광의 속도이고, f는 타겟에 도달하기 이전의 광의 주파수이다(도 17a에서 810). 이 도플러 시프트는, 현재 비트 주파수에 추가되는 추가 항인 결과적으로 나타나는 주파수 차이(도 17c)에서, 뿐만 아니라, 검출기(700)의 광전압의 푸리에 변환(도 17d)에서 다시 발견된다. 간단한 분석에서, 추가 도플러 항은 예상 거리의 오프셋으로 나타나는데, 추가 거리가 주파수 시프트로 또한 변환되기 때문이다. 다시 말하면, 거리-속도에 대한 해(solution)의 세트가 발견된다. 해의 새로운 세트가 단지 하나의 거리 -속도 쌍에서 이전의 것과 중첩하기 때문에, 제2 측정은 양자 사이를 구별하는 것을 가능하게 만든다. 관계
Figure 112020091151452-pct00003
는 이것을 추가로 세분하는 것을 허용한다는 것을 유의한다.
모드 호핑 FMCW LIDAR 시스템을 구성하기 위한 가능한 아키텍쳐는 도 18a 및 도 18b에서 묘사되어 있다. 광범위 튜닝 가능 레이저 어레이(100, 101, ..., 1XX)는, 단일 도파관, 다수의 도파관 어레이, 또는 다중 모드 간섭 디바이스일 수 있는 빔 결합기(200)를 통해 결합된다. 결합된 빔은, 격자 커플러, 다수의 격자 커플러, 위상 어레이, 출력 미러, 또는 엔드 파이어 도파관일 수 있는 자유 공간 광학기기 및/또는 광섬유 인터페이스를 가지고 형성될 수도 있는 출력 섹션(600)으로 지향된다. 그 다음, 튜닝 가능한 레이저 광은, 자유 공간 빔 또는 광섬유 전달(800)을 통해, 모니터링될 환경에서의 임의의 오브젝트, 예를 들면, 원격 오브젝트일 수 있는 타겟(1000)에 커플링된다. 광의 일부는 리턴 빔(900)을 통해 LIDAR 시스템으로 다시 반사되고 신호 광검출기(700)를 통해 수집된다. 제2 출력 빔(810)은, LIDAR로부터 공지된 거리를 갖는 기준 오브젝트(1200)로 전달된다. 이것은, 예를 들면, 미리 교정되는 기준 미러(reference mirror)일 수 있다. 반사된 빔(910)은 또한 신호 광검출기(700)에 의해 수집된다. 이 검출기(700)의 광전압 또는 광전류는 타겟 오브젝트까지의 거리로 변환된다. 도 16b는 이 모드 호핑 FMCW LIDAR 시스템(1100)을 구성하기 위한 제2의 가능한 아키텍쳐를 도시하는데, 여기서 기준 암은 LIDAR 시스템을 벗어나지 않는다. 이 기준 암(1200)은, 예를 들면, 나선형 도파관 또는 느린 광 도파관일 수 있고, 예를 들면, 광자 집적 회로 내에서 단일체로 실현될 수 있다.
본원에서 설명되는 레이저 기반의 시스템의 실제 애플리케이션은, 분광 감지에 의한 레이저 기반의 시스템과 원격 오브젝트 사이의 매질의 원소 조성의 원격 측정이다. 원격 오브젝트의 원소 조성을 측정하는 한 예는 바이오센서 적용 실시형태와 관련하여 이미 논의되었다. 다른 실제 사례에서, 레이저 기반의 시스템과 소정의 원격 오브젝트 사이의 매질의 원소 조성이 주목될 수 있다. 예를 들면, 환경 감지 애플리케이션, 보안 애플리케이션, 산업 애플리케이션, 등등에서, 매질은 기상, 액상 또는 고체 상태일 수 있으며, 가스 감지 또는 액체 감지의 경우에서와 같이, 분자 고유의 흡수 속성을 갖는 분자를 포함할 수도 있다. 매질의 원소 조성을 결정하기 위한 간단한 시나리오는, 먼저, 레이저 기반의 시스템과 오브젝트 사이의 광학 경로를 결정하고 검출 이전에 광이 이 거리를 이동하는 횟수를 결정하는 것이다. 레이저 기반의 시스템은 넓은 파장 스윕을 제공하는데, 이것은, 그 다음, 제1 스윕 내에서 절대 파장 도메인으로 교정되어, 매질을 통해 오브젝트로 전송되는 빔의 정확한 스펙트럼 속성을 아는 것을 허용할 수도 있다. 그 다음, 오브젝트로부터의 반사된 빔은 전송된 빔과 비교되어, 광-매질, 광-오브젝트 또는 둘 모두의 상호 작용의 조합에 기인하는 스펙트럼의 수정된 부분을 나타낼 수도 있다. 그 다음, 이 정보는, 오브젝트까지의 거리 및 Beer-Lambert(비어-람베르트) 법칙을 사용하여 레이저 기반의 시스템에 의해 검출되기 이전에 광이 이동하는 횟수를 사용하는 것에 의해 정량적으로 평가될 수 있다. 이 성능은, 가스 누출, 오염, 위험 추적 또는 애플리케이션(산업 프로세스, 법의학(forensic), 환경 모니터링, 보안, 등등)의 분야에 관련이 있는 프로세스 고유의 지표를 검색하는 것과 같은 원격 감지 애플리케이션의 경우에 매우 중요하다.
다른 애플리케이션에서, 본 발명의 실시형태에 따른 레이저 기반의 시스템은 보안 식별, 예를 들면, 보안 얼굴 인식을 위해 사용될 수도 있다. 레이저 기반의 시스템은, 시스템 구성 요건에 따라, 2D 래스터 스캔을 수행하도록 편제될 수 있거나 또는 2D 어레이로 편제될 수 있다. 레이저 기반의 시스템으로부터 원격 오브젝트, 예를 들면, 얼굴 또는 고유 신원 마크로서 사용될 다른 신체 부위까지의 거리의 측정은 아주 높은 해상도를 갖는 오브젝트의 고유의 3 차원 이미지를 제공한다. 또한, 위상학적 정보(topological information)는 오브젝트 고유의 원소 조성 및 분광 정보와 4 차원으로서 결합되어, 다차원(토폴로지 + 원소 조성)의 오브젝트 고유의 보안 키를 형성할 수 있다.
예
생리학적 물질에서 분자의 조성 및/또는 그 존재의 측정
실제 애플리케이션에서, 본 발명의 실시형태는, 튜닝 가능한 레이저 흡수 분광법에 의해 전혈, 혈청, 혈장, 피부, 조직, 등등과 같은 생리학적 물질 내의 타겟 대사 산물에 대한 교정된 농도 레벨 데이터를 획득하기 위해 사용될 수도 있다. 대부분의 관련된 생체 분자 - 예컨대 포도당, 요소, 젖산, 혈청 알부민, 크레아티닌, 등등 - 는 그 안에서 C-H, O-H, N-H 또는 임의적인 조합을 포함한다. 이들 결합은 움직이는데 - 즉, 특징적인 방식으로 신장되고, 회전하고, 굴곡됨 - 이것은 분자에 고유하다. 레이저 광자 에너지가 분자 고유의 진동의 에너지와 매치하도록 튜닝되면, 광자-포논 상호 작용에 기인하여 광은 분자에 흡수되고, 그 결과, 강도 및 스펙트럼과 같은 광의 속성의 수정을 야기한다. 강도에서의 변화는 특정한 파장에서 물질 내의 타겟 분자의 농도에 비례하며, 따라서, 농도 레벨로 변환될 수 있다. 광범위 튜닝 가능 레이저는, 여러 분자의 특정한 흡수 피쳐를 가진 스펙트럼 대역에 걸쳐 파장 스윕을 수행하도록 설계될 수 있다. 흡수 속성이 분자에 따라 독특하고 고유하기 때문에, 개개의 기여도는 분리될 수 있고, 따라서, 생리학적 물질 내의 상이한 분자의 농도 레벨이 추론될 수 있다.
반사 측정 지오메트리의 경우, 레이저 기반의 디바이스의 광은 오브젝트(이 경우에는 생리학적 물질)로 전송될 수도 있는데, 여기에서 그것은 확산 산란되어 물질 내의 분자와 상호 작용한다. 확산 반사된 신호는 광검출기에 의해 수집되고 분석된다.
본 발명의 실시형태에 따른 레이저 기반의 디바이스를 사용한 확산 반사율 측정은, 확산 반사율 스펙트럼(R(λ))을 수집하기 위해 사용될 수도 있는데, 이것은, 결국에는, 다음의 관계식에 의해 흡광도(A(λ))로 변환될 수 있다:
Figure 112020091151452-pct00004
수집된 흡광도 스펙트럼은, 기여하는 분자 종의 개개의 흡광도 스펙트럼 성분으로부터의 합계로 구성된다:
Figure 112020091151452-pct00005
제안된 광범위 튜닝 가능 레이저 기반의 디바이스를 사용하여, 센서는, 도 11a에 따른 단일의 광범위 튜닝 가능 레이저 방출 또는 어레이의 도움으로 앙상블 내 분자의 특성 흡수를 포괄하는 튜닝 가능한 방사선을 방출하도록 설계될 수도 있다.
따라서, 매우 복잡한 산란 매트릭스 - 예컨대 인체 조직 - 로부터의 매우 복잡한 흡광도 스펙트럼은 개개의 분자 흡광도 성분으로 분해될 수 있고, 이 흡광도는 람베르트-비어 법칙을 적용하는 것에 의해 교정된 농도 레벨로 변환될 수 있는데:
Figure 112020091151452-pct00006
여기서 εi는 교정된 몰 감쇠 계수이고 ci는 농도이다.
각각의 개개의 분자에 대한 교정된 감쇠 계수는 미리 결정되고, 그 값은, 실험적으로 획득된 확산 반사율 스펙트럼을 프로세싱하기 위해 - 즉, 스펙트럼을 개개의 흡광도 스펙트럼 성분으로 분해하고 교정된 농도 레벨을 계산하기 위해 - 교정된 알고리즘 실행을 위해 CPU에 저장된다.
특히, 한 실시형태에서, 센서는 셀의 어레이를 포함할 수도 있는데, 적어도 하나의 어레이 셀은 수분 흡수의 적어도 하나의 피크에 대응하는 스펙트럼 영역, 즉, ~ 1460 nm, ~ 1900-2000 nm, 또는 ~ 3000 nm을 타겟으로 한다. 어레이 내의 다른 셀은, 혈액 구성 성분 타겟 분자의 적어도 하나의 흡수 피크에 대응하는 스펙트럼 영역을 타겟으로 할 수도 있다. 센서는, 적어도 하나의 어레이 셀을 사용하여 측정되는 수분 흡수의 적어도 하나의 피크에 기초하여 수분 농도 레벨 및 수분 흡수 스펙트럼을 결정하도록 프로그래밍되는 CPU를 포함할 수도 있다. CPU는 또한, 베이스라인을 제거하도록 그리고 적어도 하나의 어레이 셀에 인접하는 어레이 셀에 의해 포괄되는 스펙트럼 영역 내의 복잡한 흡광도 스펙트럼을 분해하여 기저의(underlying) 타겟 분자 흡수 피쳐를 나타내도록 프로그래밍될 수도 있다. 또한, CPU는 확산 반사율 스펙트럼을 흡광도로 변환하도록 프로그래밍될 수도 있다. 흡광도는, 다른 분자 흡수와의 어떠한 중첩도 존재하지 않는 상이한 스펙트럼 영역에서 동작하는 인접한 어레이 셀로부터의 정보를 사용하는 것에 의해 분리되는 복수의 개개의 흡광도 스펙트럼 성분을 포함하는 수집된 흡광도 스펙트럼을 포함할 수도 있다.
본원에서 설명되는 센서 아키텍쳐와 조합하여 설명되는 알고리즘은, 임의적인 복잡도의 흡수 스펙트럼을 개개의 성분으로 분해하는 것, 따라서, 각각의 개개의 구성 성분의 농도를 평가하는 것을 허용한다. 이것은, 주어진 파장에서 각각의 개개의 간섭 종의 개개의 감쇠 계수의 사전 지식을 갖는 것에 의해 촉진될 수도 있다. 간섭 종 중 일부에 대한 감쇠 계수가 알려지지 않은 상황에서, 임의의 공지된 또는 가능한 스펙트럼 기여도를 감산하는 능력은, 타겟 분자의 교정된 농도를 획득하기 위한 다변량 부분 최소 제곱 또는 주성분 회귀 방법(principle component regression)과 같은 신호 프로세싱 알고리즘의 정확도를 크게 향상시킨다. 본 발명의 한 실시형태에 따른 실험적 센서 교정 곡선이 도 13에서 제시되는데, 여기서는 전혈 내의 포도당 농도의 교정된 레벨이 측정된다.
원격 오브젝트까지의 거리의 측정
본 발명의 실시형태에 따른 레이저 기반의 디바이스는 원격 오브젝트까지의, 예를 들면, 원격 오브젝트의 표면 상의 한 지점까지의 거리를 측정하기 위해 사용될 수도 있다. 다음의 예시적인 예는 관련된 정보를 추출하는 방법을 설명한다.
중심 파장 2100 nm(또는 등가의 fcenter = 142.86 THz)를 갖는 레이저가 주어지면, 파장 튜닝 함수의 모드 홉은 10 nm 범위에 걸쳐 0.4 nm인데, fS = 27.212 GHz의 주파수 홉에 대응한다. tS = 500 ns마다 홉이 취해진다. 원격 오브젝트까지의 계산될 거리는 L + R = 100 m이고, 한편 기준 오브젝트는 R = 0 m에서 매우 가깝다.
경로 길이에서의 차이에 기인하여, 반사된 빔(900, 910)(도 15) 사이의 지연 시간은
Figure 112020091151452-pct00007
이다. 이 시간 지연은 하나보다 더 많은 홉을 포괄한다는 것을 유의한다: Δt = 666 ns = (m + DC)tS, 여기서 정수인 m은 1이고 듀티 사이클(DC)은 0.33이다. 주파수 차이(fREF - fTAR)는, 하위 주파수가 mfS = 27.212 GHz이고 상위 주파수가 (m + 1)fS = 54.424 GHz인 구형파 함수이며, 듀티 사이클은 33 %이고 주기는 500 ns이다.
광검출기(700)의 측정된 발진 응답 신호는 V(t) = cos[2π- fTAR)t]이다. 푸리에 변환을 취한 이후, 두 개의 피크가 식별될 수 있는데, 제1 피크는 27.212 GHz에 있고 제2 피크는 54.424 GHz에 있으며. 여기서 전력의 33 %는 후자에 위치된다. 이로부터, 정수 m은 피크의 주파수 위치로부터 쉽게 추출될 수 있고, 한편 구형파 함수의 듀티 사이클은 33 %여야 한다. 지연 시간은, tS가 500 ns인 것으로 알려져 있기 때문에, Δt = (m + DC)tS = 666 ns로서 계산될 수 있다. 이 지연 시간으로부터, 추구된 거리(L)는 100 m이다.
원격 오브젝트의 속도의 측정
본 발명의 실시형태에 따른 레이저 기반의 디바이스는 원격 오브젝트의 거리뿐만 아니라, 속도를 측정하기 위해 또한 사용될 수도 있다.
상기에서와 동일한 레이저가 주어지면, 원격 오브젝트는, 속도 v = 200 km/h로 이동하면서, L + R = 100 m 거리에 있을 수도 있다. 기준 오브젝트는 라이다에 가까우며(R = 0 m) 가만히 서있다.
경로 길이 차이에 기인하여, 시간 지연은
Figure 112020091151452-pct00008
이다. 상기와 유사하게, 주파수 차이는 500 ns의 주기 및 33 %의 듀티 사이클을 갖는 구형파이다. 그러나, 이제, 주파수는 도플러 주파수에 의해 시프트되어,
Figure 112020091151452-pct00009
이다.
검출기(700)에서 측정되는 발진 응답 신호의 푸리에 스펙트럼은 27.265 GHz 및 54.477 GHz에서 이들 주파수를 나타내며, 후자는 전력의 33 %를 유지한다. 주파수의 위치를 각각 mfS + fDopp 및 (m + 1)fS + fDopp인 것으로 알면, 정수(m)과 도플러 시프트 주파수(fDopp)의 조합이 만들어질 수 있다. 이 경우: m = 0이면 도플러 시프트는 27.265 GHz여야 하고; m = 1이면 도플러 시프트는 53 MHz여야 하고; 등등이다. 33 %의 듀티 사이클 및 정수(m)로부터, 시간 지연이 재구성될 수 있고, Δt = (m + DC)tS이고, 따라서 또한 거리(L) = c Δt/2이다. 도플러 시프트로부터, 속도가 추출되는데
Figure 112020091151452-pct00010
이다. 사용되는 수치에서, 다음의 해가 존재할 수도 있다: m = 0인 경우 거리는 L = 25 m이고 속도는 v = 103000 km/h이고; m = 1인 경우 거리는 L = 100 m이고 속도 v = 200 km/h이고; 등등이다.
이들 해 사이를 구별하기 위해, 해가 아주 많이 다를 때, 예상 범위에서의 속도는 간단히 선택될 수도 있다. 대안적으로, 시간 t' 이후에 제2 측정이 취해지고 해 L' 및 v'를 산출한다. L' = L + vt'이므로, 정확한 해가 선택될 수 있다.
원격 오브젝트의 형태의 측정
본 발명의 실시형태에 따른 레이저 기반의 디바이스는 원격 오브젝트의 형태를 측정하기 위해 또한 사용될 수도 있다. 그러한 경우, 2D 스캔이 수행되고, 그에 의해, 원격 오브젝트의 각각의 지점까지의 거리를 측정한다.
각각의 지점은, Abbe(아베) 회절 제한에 의해 파장의 사이즈에 이르기까지 제한되는 레이저 스팟의 사이즈, 및 스캐닝 광학기기의 해상도에 의해 정의된다. 한 예로서, 100 m 떨어져 배치되는 1 m 깊이의 홀을 갖는 평평한 원격 오브젝트를 고려할 수도 있다. 상기로부터의 파라미터가 주어지면, 100 m의 거리는 33.3 %의 듀티 사이클을 산출한다. 1 m 더 떨어져 있는 구멍은 34.7 %의 듀티 사이클을 산출한다. 2D 스캔에서 모든 지점에 대해 상기의 것과 유사한 계산이 행해진다. 스캔 차원은 전체 각도 공간 - 오브젝트 사이즈 및 시스템 구성에 따라 최대 360 도 - 을 포괄할 수도 있다.
레이저 기반의 시스템과 원격 오브젝트 사이의 매질의 원소 조성의 원격 측정
실제 시나리오에서, 레이저 기반의 시스템으로부터 오브젝트까지의 거리가 알려져 있거나 또는 이전 예에 따라 측정되는 경우, 매질의 흡광도의 분광 측정을 사용하여 매질의 원소 조성이 측정될 수 있다. 생리학적 물질의 원소 조성을 측정하기 위한 분광 바이오센서의 경우에서와 같이, 레이저 기반의 디바이스와 오브젝트 사이의 매질은 구성 성분 - 예를 들면, 분자 - 의 앙상블로서 보일 수 있는데, 그들의 각각은 매질의 흡광도 스펙트럼에 대한 특정한 기여도를 제공한다.
Figure 112020091151452-pct00011
이다.
여기에서, A(λ)1,2,3,...은 매질의 상이한 원소 구성 성분으로부터의 개개의 흡광도 기여도이다.
개개의 흡광도는 다음과 같이 추가로 표현될 수 있는데:
Figure 112020091151452-pct00012
여기서 εi는 교정된 몰 감쇠 계수이고 ci는 농도이다.
I의 두께를 갖는 매질의 경우, 각각의 원소 구성 성분에 대한 흡광도는 다음과 같다:
Figure 112020091151452-pct00013
레이저 기반의 디바이스는, C-H 신축 또는 C-H, O-H, N-H 신축의 조합에 기인하는 오버톤(제1, 제2) 또는 기본 흡수가 존재하는 대역폭에 걸쳐 스윕을 제공한다. 광은 매질을 통해 오브젝트로 이동하는데, 여기서 오브젝트까지의 거리는 알려져 있거나 또는 측정되고, 광은 반사되어 매질을 통해 레이저 기반의 시스템으로 다시 이동하고, 따라서, 매질을 두 번 통과한다. 그 다음, 레이저 기반의 시스템은 반사된 신호를 검출하고, 앙상블을 개개의 기여도로 분해하는 방식으로, 원소 고유의 파장에서 각각의 개개의 기여도의 흡광도 측정을 수행한다. 광학 경로가 알려져 있는 경우, 개개의 원소의 몰 감쇠 계수가 데이터베이스 또는 기준 측정치로부터 알려지고, 측정된 흡광도 변화는, 개개의 원소 농도 및 따라서 매질의 조성을 계산하기 위해 사용될 수 있다.
보안 목적을 위한 얼굴 인식
본 발명의 실시형태에 따른 레이저 기반의 디바이스는 얼굴 인식에 기초한 보안 키를 제공하기 위해 사용될 수도 있다. 레이저 기반의 시스템으로부터 수 센티미터에서부터 수 미터 또는 수십 미터 또는 수백 미터까지일 수 있는 소정의 거리에 유저를 배치하는 것 및 레이저 기반의 디바이스로부터 유저의 얼굴을 향해 광을 방출하는 것에 의해, 원격 오브젝트(예를 들면, 유저의 얼굴)의 오브젝트 고유의(예를 들면, 얼굴 고유의) 다차원 이미지가 형성될 수도 있다. 2D 스캔은, 고유의 그리고 개인 고유의 이미지로서 작동하기에 충분한, 전체 얼굴 또는 얼굴의 일부의 형태를 재구성하기에 충분한 지점을 갖는 것이 바람직하고; 예를 들면, 3D 스캔은 수 제곱 센티미터에서부터 수십 제곱 센티미터까지의 범위에 이를 수도 있다. 얼굴 이미지는 형태 이미지(상기의 예 참조)로서 기록될 수도 있고 정보는 개인 고유의 보안 키로서 저장될 수도 있다. 형태 외에, 문신 또는 생리학적 데이터와 같은 개인의 얼굴에 고유의 분광 피쳐가 형태와 조합하여 사용될 수도 있다.
본 발명의 설명되는 실시형태는 단지 예시적인 것으로 의도되며 수많은 변형 및 수정이 기술 분야의 숙련된 자에게 명백할 것이다. 모든 그러한 변형 및 수정은 첨부된 청구범위에서 정의되는 바와 같은 본 발명의 범위 내에 있는 것으로 의도된다.

Claims (42)

  1. 물질(substance)의 분광 감지를 수행하기 위한 방법으로서,
    고체 상태 레이저 기반의 디바이스(solid-state laser-based device)를 제공하는 단계 - 상기 고체 상태 레이저 기반의 디바이스는:
    광을 방출하기 위한 고체 상태 이득 매질 기반의 광범위 튜닝 가능 레이저(solid-state gain medium based widely tunable laser);
    상기 방출된 광의 파장 시프트를 추적하기 위한 파장 시프트 추적 디바이스; 및
    명확한(unambiguous) 투과 스펙트럼 또는 명확한 반사 스펙트럼 중 적어도 하나를 갖는 광학 엘리먼트를 포함하는 고체 상태 기반의 에탈론(solid-state based etalon)을 포함하며,
    상기 광범위 튜닝 가능 레이저의 파장 스윕 동안, 상기 고체 상태 기반의 에탈론 및 파장 시프트 추적 디바이스는 협력하여 상기 광범위 튜닝 가능 레이저의 절대 파장 결정 및 제어를 제공하도록 구성됨 - ;
    상기 고체 상태 레이저 기반의 디바이스를 상기 물질을 포함하는 타겟 오브젝트와 광학적으로 연통하도록 배치하는 단계;
    상기 광범위 튜닝 가능 레이저로부터 방출되는 광을 상기 타겟 오브젝트로 투과시키는 단계 - 상기 투과된 광은 상기 물질 내의 분자와 상호 작용하고, 광-분자 상호 작용은 상기 투과된 광의 스펙트럼 속성을 수정함 - ;
    상기 광범위 튜닝 가능 레이저에 의해 방출되는 광을 사용하여 파장 스윕을 수행하는 단계 - 상기 방출된 광은, (i) C-H 분자 결합 신축 진동(stretching vibration)의 기본 또는 제1 오버톤(overtone) 또는 (ii) C-H, N-H 및 O-H 분자 결합의 신축 및 굴곡(bending) 진동의 조합, 중 적어도 하나와 일치하는 스펙트럼 대역폭에 걸쳐 스윕되고, 상기 분자 결합 신축 및 굴곡 진동의 흡수 스펙트럼은 분자에 따라 독특하고 고유함 - ;
    동시에, (i) 상기 파장 시프트 추적 디바이스를 사용하여 상기 방출된 광의 파장 시프트를 추적 및 기록하고 (ii) 상기 방출된 광의 절대 파장 값을 상기 고체 상태 에탈론을 사용하여 기록하는 단계;
    상기 기록된 파장 시프트의 값을, 상기 고체 상태 에탈론을 사용하여 기록되는 절대 파장 값과 조합하여 사용하여 레이저 튜닝 곡선을 교정하는 단계;
    투과 또는 확산 반사 중 적어도 하나에 의해 상기 타겟 오브젝트로부터 광 신호를 수집하는 단계; 및
    상기 수집된 광 신호를 프로세싱하여 상기 물질을 특성 묘사하는 단계를 포함하는, 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 물질을 특성 묘사하는 단계는 상기 물질 내 분자의 농도 레벨을 계산하는 단계를 포함하는, 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 물질을 특성 묘사하는 단계는 상기 물질에 배치되는 적어도 하나의 분자의 종(species)을 결정하는 단계를 포함하는, 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 물질을 특성 묘사하는 단계는 상기 물질에서 분자 종의 존재 또는 부재를 결정하는 단계를 포함하는, 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 타겟 오브젝트는 인체의 적어도 일부를 포함하는, 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 광 신호를 프로세싱하는 것은 통계적 회귀를 포함하는, 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 레이저는 모드 호핑하는, 방법
  8. 제1항에 있어서,
    한 번의 파장 스윕 내에서 전체 레이저 파장 튜닝 곡선을 교정하기 위해, 상기 기록된 파장 시프트 및 기록된 절대 파장 값을 협력하여 사용하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  9. 원격 오브젝트의 주요 지표(key indicator)를 측정하기 위해 고체 상태 레이저 기반의 디바이스를 사용하기 위한 방법으로서,
    상기 고체 상태 레이저 기반의 디바이스를 제공하는 단계 - 상기 고체 상태 레이저 기반의 디바이스는:
    광을 방출하기 위한 고체 상태 이득 매질 기반의 광범위 튜닝 가능 레이저;
    상기 방출된 광의 파장 시프트를 추적하기 위한 파장 시프트 추적 디바이스;
    광검출기; 및
    명확한 투과 스펙트럼 또는 명확한 반사 스펙트럼 중 적어도 하나를 갖는 광학 엘리먼트를 포함하는 고체 상태 기반의 에탈론을 포함하며,
    상기 광범위 튜닝 가능 레이저의 파장 스윕 동안, 상기 고체 상태 기반의 에탈론 및 파장 시프트 추적 디바이스는 협력하여 상기 광범위 튜닝 가능 레이저의 절대 파장 결정 및 제어를 제공하도록 구성됨 - ;
    상기 광범위 튜닝 가능 레이저에 의해 방출되는 광을 사용하여 파장 스윕을 수행하는 단계;
    동시에, (i) 상기 파장 시프트 추적 디바이스를 사용하여 상기 방출된 광의 파장 시프트를 추적 및 기록하고 (ii) 상기 방출된 광의 절대 파장 값을 상기 고체 상태 에탈론 및 에탈론 광검출기를 사용하여 기록하는 단계;
    상기 기록된 파장 시프트의 값을, 상기 고체 상태 에탈론을 사용하여 기록되는 절대 파장 값과 조합하여 사용하여 레이저 튜닝 곡선을 교정하는 단계;
    상기 레이저를 사용하여 광을 방출하는 단계 - (i) 상기 레이저는 모드 호핑하고 모드 홉(mode-hop) 사이의 차이가 알려져 있으며, (ii) 상기 파장 스윕의 파장 튜닝 함수는 불연속적이고, (iii) 상기 레이저에 의해 방출되는 광은 두 개의 경로로 분할되며, 제1 경로의 길이는 기준 오브젝트까지의 공지된 거리를 포함하고 제2 경로의 길이는 상기 원격 오브젝트까지의 거리를 포함함 -;
    상기 방출된 광이 상기 원격 오브젝트 및 상기 기준 오브젝트에 충돌하고 그로부터 반사된 이후, 상기 원격 오브젝트로부터 그리고 상기 기준 오브젝트로부터 반사되는 반사된 빔을 상기 광검출기를 사용하여 수집하고, 상기 반사된 빔을 상기 광검출기에서 혼합하는 단계 - 상기 광검출기는 발진 응답 신호(oscillating response signal)를 제공함 - ; 및
    상기 원격 오브젝트의 주요 지표를 계산하는 단계를 포함하는, 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 원격 오브젝트의 주요 지표는 거리, 속도, 형태(topography), 조성, 및 이들의 조합으로 구성되는 그룹으로부터 선택되는, 방법.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 파장 튜닝 함수는 계단 함수, 경사 계단 함수, 선형 함수, 및 상기 계단 함수, 상기 경사 계단 함수, 및 상기 선형 함수의 임의적인 중첩으로 구성되는 그룹으로부터 선택되는, 방법.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 발진 응답 신호의 발진 주파수는, (i) 상기 레이저의 두 개의 모드 홉 사이의 시간인 주기에 의해; 그리고 (ii) 상기 발진 응답 신호의 푸리에(Fourier) 변환의 상대적 진폭 및 상기 발진 응답 신호의 상기 푸리에 변환에서 존재하는 두 개의 비트 주파수(beat frequency)에 의해 정의되는 듀티 사이클에 의해 정의되는 시간에서의 주기 함수(periodic function)인, 방법.
  13. 제9항에 있어서,
    오브젝트 고유의 보안 키(object specific security key)를 형성하기 위해 적어도 하나의 주요 지표를 사용하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  14. 고체 상태 레이저 기반의 디바이스로서,
    광을 방출하기 위한 고체 상태 이득 매질 기반의 광범위 튜닝 가능 레이저 - 상기 고체 상태 이득 매질은, IV족 반도체 광자 집적 회로 칩 상으로 하이브리드식으로(hybridly) 또는 이종적으로(heterogeneously) 통합되는 III-V 반도체 기반의 이득 칩을 포함함 -;
    밸런스가 맞지 않은(non-balanced) 간섭계 및 적어도 하나의 광검출기를 포함하는, 상기 방출된 광의 파장 시프트를 추적하기 위한 파장 시프트 추적 디바이스; 및
    명확한 투과 스펙트럼 및 명확한 반사 스펙트럼 중 적어도 하나를 갖는 광학 엘리먼트를 포함하는 고체 상태 기반의 에탈론을 포함하며,
    (i) 상기 고체 상태 기반의 에탈론 및 파장 시프트 추적 디바이스는, 상기 광범위 튜닝 가능 레이저의 파장 스윕 동안, 상기 고체 상태 기반의 에탈론 및 파장 시프트 추적 디바이스가 협력하여 상기 광범위 튜닝 가능 레이저의 절대 파장 결정 및 제어를 제공하도록 구성되게, 조합되고, (ii) 상기 고체 상태 이득 매질 기반의 광범위 튜닝 가능 레이저, 파장 시프트 추적 디바이스, 및 고체 상태 기반의 에탈론은 단일 반도체 칩 내에서 단일체로(monolithically) 실현되는, 고체 상태 레이저 기반의 디바이스.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 고체 상태 기반의 에탈론 및 파장 시프트 추적 디바이스는 또한, 상기 파장 스윕 동안, 상기 파장 시프트 추적 디바이스가 시간의 함수로서 파장 시프트의 출력을 제공하고, 상기 고체 상태 에탈론이 상기 스윕 동안 시간의 한 순간에 상기 절대 파장에 대한 정보를 갖는 신호의 출력을 제공하도록 구성되는, 고체 상태 레이저 기반의 디바이스.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 고체 상태 기반의 에탈론 및 파장 시프트 추적 디바이스는 또한, 상기 고체 상태 기반의 에탈론 및 상기 파장 시프트 추적 디바이스의 출력의 조합에 의해 상기 스윕 동안 전체 레이저 튜닝 곡선이 재구성되도록 구성되는, 고체 상태 레이저 기반의 디바이스.
  17. 제14항에 있어서,
    상기 광범위 튜닝 가능 레이저는 Littrow(릿트로우) 또는 Metcalf-Littman(맷카프-릿트맨) 구성 중 적어도 하나에서 구성되는 복수의 자유 공간 광학 엘리먼트 및 반도체 기반의 이득 칩을 포함하는 외부 공동 다이오드 레이저(external cavity diode laser)를 포함하는, 고체 상태 레이저 기반의 디바이스.
  18. 제14항에 있어서,
    상기 광범위 튜닝 가능 레이저는 IV족 반도체 광자 집적 회로 칩 상으로 하이브리드식으로 또는 이종적으로 통합되는 III-V 반도체 기반의 이득 칩을 포함하는 외부 공동 레이저 구성을 포함하는, 고체 상태 레이저 기반의 디바이스.
  19. 제14항에 있어서,
    상기 에탈론은, 분산 브래그 반사기 미러(distributed Bragg reflector mirror), 분산 피드백 격자(distributed feedback grating), 커플링된 링 공진기(coupled ring resonator), 레이스 트랙 공진기(race track resonator), 및 Fabry-Perot(패브리-페롯) 공동으로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 공진 광학 공동(resonant optical cavity)을 포함하는, 고체 상태 레이저 기반의 디바이스.
  20. 제19항에 있어서,
    적어도 하나의 광검출기를 더 포함하며,
    상기 적어도 하나의 광검출기 및 상기 공진 광학 공동은 협력하여 절대 파장의 결정을 가능하게 하도록 구성 및 배열되는, 고체 상태 레이저 기반의 디바이스.
  21. 제14항에 있어서,
    상기 밸런스가 맞지 않은 간섭계는 Mach-Zehnder(마하-젠더) 간섭계, 다중 모드 간섭 디바이스, 및 Michelson(마이켈슨) 간섭계로 구성되는 그룹으로부터 선택되는, 고체 상태 레이저 기반의 디바이스.
  22. 광범위 튜닝 가능 레이저의 파장 결정 및 제어를 위한 방법으로서,
    고체 상태 이득 매질 기반의 광범위 튜닝 가능 레이저, 파장 시프트 추적 디바이스, 및 고체 상태 에탈론을 포함하는 레이저 기반의 디바이스를 제공하는 단계 - (i) 상기 고체 상태 이득 매질은 IV족 반도체 광자 집적 회로 칩 상으로 하이브리드식으로 또는 이종적으로 통합되는 III-V 반도체 기반의 이득 칩을 포함하고, (ii) 상기 파장 시프트 추적 디바이스는 밸런스가 맞지 않은 간섭계 및 적어도 하나의 광검출기를 포함함 -;
    상기 광범위 튜닝 가능 레이저에 의해 방출되는 광을 사용하여 파장 스윕을 수행하는 단계;
    동시에, (i) 상기 파장 시프트 추적 디바이스를 사용하여 상기 방출된 광의 파장 시프트를 추적 및 기록하고 (ii) 상기 방출된 광의 절대 파장 값을 상기 고체 상태 에탈론을 사용하여 기록하는 단계; 및
    상기 기록된 파장 시프트의 값을, 상기 고체 상태 에탈론을 사용하여 기록되는 절대 파장 값과 조합하여 사용하여 레이저 튜닝 곡선을 교정하는 단계를 포함하고,
    상기 고체 상태 이득 매질 기반의 광범위 튜닝 가능 레이저, 파장 시프트 추적 디바이스, 및 고체 상태 기반의 에탈론은 단일 반도체 칩 내에서 단일체로 실현되는, 방법.
  23. 제22항에 있어서,
    상기 파장 시프트 추적 디바이스는 밸런스가 맞지 않은 간섭계를 포함하고, 상기 파장 시프트를 추적하는 것은 상기 밸런스가 맞지 않은 간섭계의 출력 포트를 모니터링하기 위해 적어도 하나의 광검출기를 사용하는 것을 포함하는, 방법.
  24. 제22항에 있어서,
    상기 고체 상태 에탈론의 출력을 모니터링하여 상기 절대 파장 값을 결정하기 위해, 적어도 하나의 광검출기가 사용되는, 방법.
  25. 제22항에 있어서,
    한 번의 파장 스윕 내에서 전체 레이저 파장 튜닝 곡선을 교정하기 위해, 상기 기록된 파장 시프트 및 기록된 절대 파장 값을 협력하여 사용하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  26. 물질의 분광 감지를 수행하기 위한 방법으로서,
    고체 상태 레이저 기반의 디바이스를 제공하는 단계 - 상기 고체 상태 레이저 기반의 디바이스는:
    광을 방출하기 위한 고체 상태 이득 매질 기반의 광범위 튜닝 가능 레이저 - 상기 고체 상태 이득 매질은 IV족 반도체 광자 집적 회로 칩 상으로 하이브리드식으로 또는 이종적으로 통합되는 III-V 반도체 기반의 이득 칩을 포함함 -;
    밸런스가 맞지 않은 간섭계 및 적어도 하나의 광검출기를 포함하는, 상기 방출된 광의 파장 시프트를 추적하기 위한 파장 시프트 추적 디바이스; 및
    명확한 투과 스펙트럼 또는 명확한 반사 스펙트럼 중 적어도 하나를 갖는 광학 엘리먼트를 포함하는 고체 상태 기반의 에탈론을 포함하며,
    (i) 상기 고체 상태 기반의 에탈론 및 파장 시프트 추적 디바이스는, 상기 광범위 튜닝 가능 레이저의 파장 스윕 동안, 상기 고체 상태 기반의 에탈론 및 파장 시프트 추적 디바이스가 협력하여 상기 광범위 튜닝 가능 레이저의 절대 파장 결정 및 제어를 제공하도록 구성되게, 구성되고, (ii) 상기 고체 상태 이득 매질 기반의 광범위 튜닝 가능 레이저, 파장 시프트 추적 디바이스, 및 고체 상태 기반의 에탈론은 단일 반도체 칩 내에서 단일체로 실현됨 -;
    상기 고체 상태 레이저 기반의 디바이스를 상기 물질을 포함하는 타겟 오브젝트와 광학적으로 연통하도록 배치하는 단계;
    상기 광범위 튜닝 가능 레이저로부터 방출되는 광을 상기 타겟 오브젝트로 투과시키는 단계 - 상기 투과된 광은 상기 물질 내의 분자와 상호 작용하고, 광-분자 상호 작용은 상기 투과된 광의 스펙트럼 속성을 수정함 - ;
    상기 광범위 튜닝 가능 레이저에 의해 방출되는 광을 사용하여 파장 스윕을 수행하는 단계 - 상기 방출된 광은, (i) C-H 분자 결합 신축 진동의 기본 또는 제1 오버톤 또는 (ii) C-H, N-H 및 O-H 분자 결합의 신축 및 굴곡 진동의 조합, 중 적어도 하나와 일치하는 스펙트럼 대역폭에 걸쳐 스윕되고, 상기 분자 결합 신축 및 굴곡 진동의 흡수 스펙트럼은 분자에 따라 독특하고 고유함 -;
    동시에, (i) 상기 파장 시프트 추적 디바이스를 사용하여 상기 방출된 광의 파장 시프트를 추적 및 기록하고 (ii) 상기 방출된 광의 절대 파장 값을 상기 고체 상태 에탈론을 사용하여 기록하는 단계;
    상기 기록된 파장 시프트의 값을, 상기 고체 상태 에탈론을 사용하여 기록되는 절대 파장 값과 조합하여 사용하여 레이저 튜닝 곡선을 교정하는 단계;
    투과 또는 확산 반사 중 적어도 하나에 의해 상기 타겟 오브젝트로부터 광 신호를 수집하는 단계; 및
    상기 수집된 광 신호를 프로세싱하여 상기 물질을 특성 묘사하는 단계를 포함하는, 방법.
  27. 제26항에 있어서,
    상기 물질을 특성 묘사하는 단계는 상기 물질 내 분자의 농도 레벨을 계산하는 단계를 포함하는, 방법.
  28. 제26항에 있어서,
    상기 물질을 특성 묘사하는 단계는 상기 물질에 배치되는 적어도 하나의 분자의 종을 결정하는 단계를 포함하는, 방법.
  29. 제26항에 있어서,
    상기 물질을 특성 묘사하는 단계는 상기 물질에서 분자 종의 존재 또는 부재를 결정하는 단계를 포함하는, 방법.
  30. 제26항에 있어서,
    상기 타겟 오브젝트는 인체의 적어도 일부를 포함하는, 방법.
  31. 제30항에 있어서,
    상기 타겟 오브젝트는 분리된 생리학적 물질을 포함하는, 방법.
  32. 제31항에 있어서,
    상기 분리된 생리학적 물질은 전혈(whole blood), 혈청(blood serum), 혈장(plasma), 간질액(interstitial fluid), 날숨(exhaled breath), 및 이들의 조합으로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는, 방법.
  33. 제26항에 있어서,
    상기 광 신호를 프로세싱하는 것은 통계적 회귀를 포함하는, 방법.
  34. 제33항에 있어서,
    상기 통계적 회귀는 공지된 타겟 분자 흡광도(absorbance) 및 상기 물질 내에서의 대응하는 농도 데이터를 사용하여 구성되는 다변량 부분 최소 제곱 알고리즘(multivariate partial least square algorithm)에 기초하는, 방법.
  35. 제26항에 있어서,
    상기 레이저는 모드 호핑하는, 방법.
  36. 제26항에 있어서,
    한 번의 파장 스윕 내에서 전체 레이저 파장 튜닝 곡선을 교정하기 위해, 상기 기록된 파장 시프트 및 기록된 절대 파장 값을 협력하여 사용하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  37. 제36항에 있어서,
    상기 파장 스윕의 파장 튜닝 함수는 불연속적이며 계단 함수, 경사 계단 함수, 선형 함수, 및 상기 계단 함수, 상기 경사 계단 함수, 및 상기 선형 함수의 임의적인 중첩으로 구성되는 그룹으로부터 선택되는, 방법.
  38. 원격 오브젝트의 주요 지표(key indicator)를 측정하기 위해 고체 상태 레이저 기반의 디바이스를 사용하기 위한 방법으로서, 상기 주요 지표는 거리, 속도, 형태, 조성, 및 이들의 조합으로 구성되는 그룹으로부터 선택되고, 상기 방법은:
    상기 고체 상태 레이저 기반의 디바이스를 제공하는 단계 - 상기 고체 상태 레이저 기반의 디바이스는:
    광을 방출하기 위한 고체 상태 이득 매질 기반의 광범위 튜닝 가능 레이저 - 상기 고체 상태 이득 매질은 IV족 반도체 광자 집적 회로 칩 상으로 하이브리드식으로 또는 이종적으로 통합되는 III-V 반도체 기반의 이득 칩을 포함함 -;
    밸런스가 맞지 않은 간섭계 및 적어도 하나의 광검출기를 포함하는, 상기 방출된 광의 파장 시프트를 추적하기 위한 파장 시프트 추적 디바이스; 및
    명확한 투과 스펙트럼 또는 명확한 반사 스펙트럼 중 적어도 하나를 갖는 광학 엘리먼트를 포함하는 고체 상태 기반의 에탈론을 포함하며,
    (i) 상기 고체 상태 기반의 에탈론 및 파장 시프트 추적 디바이스는, 상기 광범위 튜닝 가능 레이저의 파장 스윕 동안, 상기 고체 상태 기반의 에탈론 및 파장 시프트 추적 디바이스가 협력하여 상기 광범위 튜닝 가능 레이저의 절대 파장 결정 및 제어를 제공하도록 구성되게, 구성되고, (ii) 상기 고체 상태 이득 매질 기반의 광범위 튜닝 가능 레이저, 파장 시프트 추적 디바이스, 및 고체 상태 기반의 에탈론은 단일 반도체 칩 내에서 단일체로 실현됨 - ;
    상기 광범위 튜닝 가능 레이저에 의해 방출되는 광을 사용하여 파장 스윕을 수행하는 단계;
    동시에, (i) 상기 파장 시프트 추적 디바이스를 사용하여 상기 방출된 광의 파장 시프트를 추적 및 기록하고 (ii) 상기 방출된 광의 절대 파장 값을 상기 고체 상태 에탈론 및 에탈론 광검출기를 사용하여 기록하는 단계;
    상기 기록된 파장 시프트의 값을, 상기 고체 상태 에탈론을 사용하여 기록되는 절대 파장 값과 조합하여 사용하여 레이저 튜닝 곡선을 교정하는 단계;
    상기 레이저를 사용하여 광을 방출하는 단계 - (i) 상기 레이저는 모드 호핑하고 모드 홉 사이의 차이가 알려져 있으며, (ii) 상기 파장 스윕의 파장 튜닝 함수는 불연속적이고, (iii) 상기 레이저에 의해 방출되는 광은 두 개의 경로로 분할되며, 제1 경로의 길이는 기준 오브젝트까지의 공지된 거리를 포함하고 제2 경로의 길이는 상기 원격 오브젝트까지의 거리를 포함함 -;
    상기 방출된 광이 상기 원격 오브젝트 및 상기 기준 오브젝트에 충돌하고 그로부터 반사된 이후, 상기 원격 오브젝트로부터 그리고 상기 기준 오브젝트로부터 반사되는 반사된 빔을 상기 광검출기를 사용하여 수집하고, 상기 반사된 빔을 상기 광검출기에서 혼합하는 단계 - 상기 광검출기는 발진 응답 신호를 제공함 -; 및
    상기 원격 오브젝트의 주요 지표를 계산하는 단계를 포함하는, 방법.
  39. 제38항에 있어서,
    상기 파장 튜닝 함수는 계단 함수, 경사 계단 함수, 선형 함수, 및 상기 계단 함수, 상기 경사 계단 함수, 및 상기 선형 함수의 임의적인 중첩으로 구성되는 그룹으로부터 선택되는, 방법.
  40. 제38항에 있어서,
    상기 발진 응답 신호의 발진 주파수는, (i) 상기 레이저의 두 개의 모드 홉 사이의 시간인 주기에 의해; 그리고 (ii) 상기 발진 응답 신호의 푸리에 변환의 상대적 진폭 및 상기 발진 응답 신호의 상기 푸리에 변환에서 존재하는 두 개의 비트 주파수에 의해 정의되는 듀티 사이클에 의해 정의되는 시간에서의 주기 함수인, 방법.
  41. 제40항에 있어서,
    (i) 레이저 기반의 시스템으로부터 상기 원격 오브젝트까지의 거리 및 (ii) 상기 레이저 기반의 시스템에 대한 상기 원격 오브젝트의 속도, 중 적어도 하나의 상기 주요 지표를 계산하기 위해, 상기 발진 주파수의 상기 주기 함수, 상기 파장 튜닝 함수, 및 상기 기준 오브젝트까지의 거리를 사용하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  42. 제38항에 있어서,
    오브젝트 고유의 보안 키를 형성하기 위해 적어도 하나의 주요 지표를 사용하는 단계를 더 포함하는, 방법.
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