KR102479670B1 - 단일 칩 광 간섭성 단층 촬영 디바이스 - Google Patents

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Abstract

기준 암의 길이가 디지털적으로 가변적인, 고성능 단일 칩, 집적 광학 기반 OCT 시스템이 기술된다. 기준 암은 두 개의 길이가 상이한 아웃풋 도파관 중 어느 하나에 인풋 광 신호를 디렉팅할 수 있는 2x2 튜닝가능한 파장-독립적 도파관 스위치를 포함하는 복수의 스위치 스테이지를 포함한다. 몇몇 실시예에서, 방향성 커플러는 열 광학 기반이다. 몇몇 실시예는 테스트 하에 샘플 상의 대상 지점들의 라인을 따라 샘플 신호를 스캐닝하기 위한 고체 상태 주사 시스템(solid-state scanning system)을 포함한다.

Description

단일 칩 광 간섭성 단층 촬영 디바이스
이 건은, 2016년 9월 26일에 출원된 미국 가특허출원 시리얼 번호 62/399,729 (Attorney Docket: 142-031PR1) 및 2016년 9월 26일에 출원된 미국 가특허출원 시리얼 번호 62/399,771(Attorney Docket: 142-032PR1)의 우선권을 주장하며, 이들 각각은 본 명세서에서 참조문헌으로 인용된다. 만약 본 건의 청구항의 해석에 영향을 줄 수도 있는 참조문헌으로 인용된 하나 이상의 건과 본원 사이의 언어에 어떠한 모순 또는 불일치가 있다면, 본 건의 청구항은 본건의 언어와 일치하도록 해석되어야 한다.
본 발명은 일반적으로 의료 영상화 시스템에 관한 것이며, 좀 더 구체적으로, 광 간섭 단층촬영에 관한 것이다.
광 간섭 단층촬영(OCT)은 생물학적, 생의학적, 의료적 스크리닝, 및 시력 보호와 같은 영역에서 인기가 많아지는 진단 툴이 되었다. OTC는 생물학적 조직 내부의 미크론 스케일의 마이크로구조체(microstructure)의 비침습 이미징을 가능하게 하기 위해서 저간섭성 광간섭법(low-coherence optical interferometry)을 활용한다. 근래에, OCT는, 특히 이온화 방사선의 결여뿐만 아니라 상대적으로 낮은 비용 및 고해상도, 생체내 능력(in-vivo capability) 때문에, 생물학적 그리고 생의학적 이미징 커뮤니티에서 라디오그래피, 초음파 및 자기 공명 이미징과 빠르게 경쟁하고 있다. 시력 보호 아레나(arena)에서, 예를 들어, OCT는 인간 안저(eye fundus)를 비침습적으로 영상화하기 위해서 사용되어, 황반 변성, 녹내장, 망막염, 색소증 등과 같은 망막 병리 진단을 용이하게 할 수 있다.
초기 OCT 시스템은 전형적으로 고전적인 마이컬슨 간섭계(Michelson interferometer)의 상대적으로 간단한 구현에 기초한 시간 도메인 시스템이었다. 이러한 간섭계에서, 인풋 광 신호는 기준 암 및 샘플 암으로 분할된다. 기준 암에서, 광은 가동의 기준 거울을 향해서 지향되며, 이 기준 거울은 계속적으로 검출기를 향해서 광을 다시 반사시킨다. 기준 암의 길이는 이 거울의 위치에 의존한다. 샘플 암에서, 광은 테스트 하의 샘플의 대상 지점에 지향되고 샘플의 표면하(sub-surface) 특징부에 의해서 반사되는 광만이 검출기를 향해서 리턴된다. 따라서, 샘플 암의 길이는 샘플 티슈 내 특징부의 위치에 기초한다. 빔 컴바이너는 검출기에서 간섭 패턴을 생성하는 간섭계식 신호를 형성하는 두 개의 반사 광 신호를 결합한다. 기준 암 및 샘플 암 각각에서 동일 길이를 이동하는 광은 검출기에서 고강도 신호를 형성하도록 건설적으로 재결합한다.
대상 지점의 표면 및 표면하 특징부의 일 차원 스캔은 기준 암의 길이를 변경하도록 일정한 속도로 기준 거울을 스캐닝함으로써 디벨럽(develop)된다. 이것은 검출기에 의해서 후속적으로 샘플링되는 간섭 패턴으로 보이는 바와 같이 기준 거울의 위치에 기초하여 시간에 따라 표면 및 표면하 특징부의 깊이를 인코딩한다.
불행하게도, 초기 시간-도메인 OCT 기술이 전망이 있었으나, 이 기술의 복잡성 및 시간 집약적인 특징은 이 기술이 널리 채택되는 것을 제한하였다. 결과적으로, 푸리에 도메인 OCT (FD-OCT)가 개발되었으며, 이것은 시간-도메인 OCT에 비해 큰 향상을 제공한다.
FD-OCT는 간섭계식 신호가, 거울의 위치보다는 파장의 함수로서 검출기에 의해서 샘플링되는 방법이다. FD-OCT 시스템은 향상된 민감성으로 더 빠른 이미징이 가능하다. FD-OCT에 있어서, 전형적으로, 샘플의 대상 지점은 광 주파수의 범위를 통해서 스윕하는 광 소스(즉, 스웹트-소스(swept source))로 인테러게이트된다. 결과로서, 대상 지점은 단색 빔으로 조사되며 이 단색 빔의 광 주파수는 시간의 함수이다. 이것은 강도 대 웨이브넘버(wavenumber)(k)(k는 파장의 역에 비례한다)의 간섭계식 신호로 귀결된다. 푸리에 변환으로 지칭되는 수학적 알고리즘이 다음으로 사용되어 간섭계식 신호를 강도 대 깊이의 플롯으로 변환한다.
SD-OCT는 광폭 스펙트럼 광으로 대상 지점을 인테러게이트한다. 대상 지점으로부터 반사되는 광은 일 행의 검출기들을 따라서 파장에 의해 분산되며, 이 검출기들은 동시에 복수의 파장 성분의 각각에 대해서 상이한 아웃풋 신호를 제공한다. 결과적으로, 동일 시간에 대상 지점 내에서 많은 깊이로부터 정보가 수집되고, 푸리에 변환 동작이 이 정보를 강도 대 깊이의 플롯으로 변환하기 위해서 사용될 수 있다.
불행하게도, 현재의 최신형의 OCT 시스템은, 이들은 다수의 섬유 및 자유 공간 광 성분을 포함하고 있기 때문에, 상당히 부피가 크고, 복잡하고, 정렬 문제에 민감하다. 결과적으로, 광 집적회로에 기초한 소형화된 OCT 시스템을 향한 푸시가 있으며, 이 시스템은 이러한 많은 이슈를 경감시키고 극복하기 위한 가능성을 갖는다.
광 집적회로 시스템은 기판의 표면상에 형성된 하나 이상의 광 도파관을 포함한다. 광 도파관은, 전형적으로 평면 광파 회로(PLC)로 지칭되는, 무수한 배열체로 결합될 수 있으며, 이 회로는 복잡한 광 기능성을 제공할 수 있다. 각각의 "표면 도파관"(때때로 간단하게 여기서 "도파관"라함)는 클래딩 물질로 둘러싸인 도광 코어를 포함하며, 이 클래딩 물질은 표면 도파관에 의해서 전달되는 광 신호를 코어 물질에 실질적으로 국한한다.
몇 가지 집적 광학 기반 "마이크로 스펙트로미터(micro-spectrometer)"는 상이한 설정에 기초하여 디벨롭되었다. 예를 들어, Yurtsever 등은 "Integrated photonic circuit in silicon on insulator for Fourier domain optical coherence tomography,"(Proc. SPIE, Vol. 7554, pp. 1-5 (2010))에서 스웹트 소스 및 온-칩 마이컬슨 간섭계(Michelson interferometer)에 기초한 FD-OCT 시스템을 개시하였다. 이 시스템은 40-μm 축방향 해상도 및 25-dB 민감도를 달성한다. 또한, Akca 및 Nguyen 등은, "Toward spectral-domain optical coherence tomography on a chip," IEEE J. Set. Top. Quantum Electron., Vol. 18, pp. 1223-1233 (2012) 및 "Spectral domain optical coherence tomography imaging with an integrated optics spectrometer," Opt. Lett., Vol. 36, pp. 1293-1295 (2011)에서, 어레이된 도파관 격자(arrayed waveguide grating)(AWG) 스펙트로미터를 포함하는 부분적으로 집적된 SD-OCT 시스템을 개시하였다. Jiao 및 Tilma 등은 "InAs/InP(100) quantum dot waveguide photodetectors for swept-source optical coherence tomography around 1.7 μm," Opt. Express, Vol. 13, pp. 3675-3692 (2012) 및 "Integrated tunable quantum-dot laser for optical coherence tomography in the 1.7 μm wavelength region," IEEE J. Quantum Electron., Vol. 48, pp. 87-98 (2012)에서, InAs/InP 양자점 기반 도파관 광검출기 및 튜닝 가능한 레이저 소스에 기초한 SS-OCT 시스템을 개시하였다. 이러한 시스템이 기존의 부피가 큰 광학 시스템의 수준에 도달된 깊이 검출 범위(in-depth detection range)를 갖는 단면 이미징을 수행할 수 있다는 점이 보여졌다.
좀 더 최근에, Nguyen 등은 "Integrated-optics-based swept-source optical coherence tomography," Opt. Lett., Vol. 37, pp. 4820-2822 (2012)에서, 안정된 감지(balanced detection)를 위하여 마이컬슨 간섭계, 기준 암, 및 방향성 커플러의 조합을 포함하는 SS-OCT 시스템을 개시하였다. 이 시스템은 팬텀(phantom)이 공기 중에서 80-dB 민감도 및 5-mm 깊이 범위로 이미징될 수 있다는 점을 보이기 위해서 사용되었다. 불행하게도, 이 시스템의 기준 암의 상대적으로 짧은 길이 때문에, 샘플의 스캐닝이 단면 이미지를 얻기 위해서 요구되었다.
샘플 스캐닝에 대한 필요성은, Yurtsever 등이 "Photonic integrated Mach-Zehnder interferometer with an on-chip reference arm for optical coherence tomography," Biomed. Opt. Express, Vol. 5, pp. 1050 (2014) 및 "Ultra-compact silicon photonic integrated interferometer for swept-source optical coherence tomography," Opt. Lett., Vol. 39, pp. 5228-5231 (2014)에서 개시하는 바와 같이, 긴 온-칩 기준 암을 채용함으로써 극복될 수 있다. 불행하게도, 광 집적회로 컴포넌트의 레이아웃의 고정된 특성 때문에, 이 시스템은 섬유-기반 시스템에 비하여 상대적으로 열악한 신호 대 잡음 비(SNR) 및 극도로 복잡한 분산 보상을 요구하였다.
광 집적회로 기술의 진보 및 개발에 이용 가능한 다양한 광학 효과에도 불구하고, 실용적이고, 고성능인 집적 광학 기반 OCT 시스템에 대한 필요성은 여전히 선행 기술에서 충족되지 않은 채 남아 있다.
본 발명은 종래 기술의 손실 및 단점의 일부를 극복하는 고해상도 집적 광학 기반 광 간섭 단층촬영(OCT) 시스템을 가능하게 한다. 본 발명에 따른 OCT 시스템은 전체 길이가 디지털적으로 변경될 수 있는 기준 암을 포함한다. 또한, 기준 암에서 전송되는 기준 신호의 광 파워가 제어될 수 있다. 결과적으로, 본 발명은 향상된 신호 대 노이즈 비율 성능을 갖는 OCT 시스템뿐만 아니라 분산 보상이 종래 기술 보다 덜 복잡한 OCT 시스템을 가능하게 한다. 본 발명의 실시형태는 광 간섭 단층촬영 시스템 등에서 사용에 특히 잘 맞다.
예시의 실시형태는 소스, 한 쌍의 광검출기, 프로세서 및 단일 기판 상에 형성된 평면 광파 회로(PLC)를 포함하며, 이들은 집합적으로 OCT 시스템을 정의한다. PLC는 3-dB 커플러, 복수의 표면 도파관(기준 도파관, 인테러게이션 도파관, 및 리턴 도파관을 포함함), 빔 컴바이너 및 지연 제어기를 포함한다. 소스로부터의 인풋 광 신호는 샘플 신호 및 기준 신호로 분배되며, 이 신호들은 샘플 암 및 기준 암 각각을 통해서 전파된다.
샘플 암은 인테러게이션 도파관 및 리턴 도파관을 포함하며, 여기서 인테러게이션 도파관은 샘플 신호를 테스트 하의 샘플에 제공하고 리턴 도파관은 샘플의 표면 및 표면하(sub-surface) 구조체에 기초하여 상기 샘플에 의해서 반사되는 샘플 신호 광을 커플링한다. 리턴 도파관은 반사 신호를 빔 컴바이너에 전달한다.
기준 암은 두 개의 기준 도파관 부분을 포함하며, 이 부분들은 이 부분들 사이에 위치되는 지연 제어기와 광학적으로 커플링된다. 지연 제어기는, 기준 암의 희망되는 전체 길이 및 따라서 기준 신호를 위한 희망되는 지연을 달성하도록 프로세서에 의해서 디지털적으로 제어될 수 있는 길이를 갖는다. 지연 제어기의 길이는 복수의 스위치 스테이지에 기초하고, 스위치 스테이지 각각은 두 개의 상이한 길이 중 하나를 갖도록 구성된다. 또한, 지연 제어기는 아웃풋에 도파관 스위치를 포함하며, 이 도파관 스위치는 기준 신호를 빔 컴바이너 및/또는, 프로세서에 분산 신호(dispersion signal)를 제공하기 위한 제어기 광검출기로 지향시킬 수 있다. 또한, 지연 제어기는, 기준 신호가 빔 컴바이너에 수신될 때 기준 신호 내 광 파워의 양을 제어할 수 있다.
빔 컴바이너는 기준 신호 및 반사 신호를 결합하여 간섭 신호를 생성하며, 이 간섭 신호의 강도는 샘플의 구조에 기초한다. 간섭 신호는 프로세서에 아웃풋 신호를 제공하는 광검출기에서 검출된다. 프로세서는 아웃풋 신호를 프로세스하여 샘플의 구조의 추정(estimate)을 디벨럽한다.
일부 양태에서, 인테러게이션 도파관은 아웃풋 패시트에서 스캐닝 시스템을 포함하며, 이 시스템은 샘플 신호가 샘플 상의 일 행의 대상 지점을 따라 스캔되어 샘플의 B-스캔을 생성하도록 한다.
본 발명의 일 실시형태는, 샘플 암 및 기준 암을 갖는 집적 광학 기반(integrated-optics-based) 광 간섭 단층촬영(OCT) 시스템으로서, 기판 상에 모놀리식으로 집적된 광자적 광파 회로(photonic lightwave circuit)(PLC)를 포함하되, 상기 PLC는, (i) 인풋 광 신호를 상기 샘플 암 상의 샘플 신호 및 상기 기준 암 상의 기준 신호로 분배하기 위한 커플러; (ii) 상기 기준 신호와 샘플로부터의 반사 신호를 결합하여 간섭 신호를 생성하기 위한 빔 컴바이너―상기 반사 신호는 상기 샘플 신호 및 상기 샘플에 기초함―; 및 (iii) 상기 커플러로부터 상기 빔 컴바이너로 상기 기준 신호를 전송하기 위한 기준 암―상기 기준 암은 최소 길이로부터 최대 길이까지 범위 내에서 상기 기준 암의 길이를 디지털적으로 제어하기 위해 가동되는 지연 제어기를 포함함―;을 포함하는, 집적 광학 기반 광 간섭 단층촬영 시스템 이다.
본 발명의 다른 실시형태는, 광 간섭 단층촬영(OCT)을 수행하는 방법으로서, 커플러, 기준 도파관, 지연 제어기, 및 빔 컴바이너를 포함하는 평면 광파 회로(PLC)를 제공하는 단계―상기 PLC는 기판 상에 모놀리식으로 집적됨―; 상기 커플러에서 수신된 인풋 광 신호를 기준 암 상의 기준 신호 및 샘플 암 상의 샘플 신호로 분배하는 단계―상기 기준 암은 기준 도파관 및 상기 지연 제어기를 포함함―; 상기 샘플 신호를 샘플에 제공하는 단계; 빔 컴바이너에서 반사 신호를 수신하는 단계―상기 반사 신호는 상기 샘플 신호 및 상기 샘플에 기초함―; 상기 기준 도파관 및 상기 지연 제어기를 통해서 상기 커플러로부터 상기 빔 컴바이너로 상기 기준 신호를 전달하는 단계; 간섭 신호를 생성하도록 상기 빔 컴바이너에서 상기 기준 신호와 상기 반사 신호를 결합하는 단계; 및 초기 길이 내지 최대 길이 범위 내에서 상기 기준 암의 길이를 디지털적으로 제어하는 단계;를 포함하는, 광 간섭 단층촬영을 수행하는 방법이다.
도 1은 본 발명의 예시의 실시형태에 따른 광 간섭 단층촬영 시스템의 개략적인 다이어그램을 도시한다.
도 2는 PLC(110)의 표면 도파관 각각을 나타내는 표면 도파관 구조체의 개략적인 단면도를 도시한다.
도 3은 예시적인 실시형태에 따른 지연 제어기의 개략도를 도시한다.
도 4a는 예시적인 실시형태에 따른 도파관 부분(304A-i)의 개략도를 도시한다.
도 4b는 예시적인 실시형태에 따른 도파관 부분(304B-i)의 개략도를 도시한다.
도 5a는 예시적인 실시형태에 따른 도파관 스위치의 개략도를 도시한다.
도 5b는 도파관 스위치(306-i)에 대한 지연 도파관(506)와 트렁크 도파관(508) 사이의 상대적인 굴절률 및 교차-커플링된 광 파워의 시뮬레이션 결과를 도시한다.
도 5c는 도파관 스위치(306-i)의 분배 비율에 대한 시뮬레이션 결과를 도시한다.
도 5d는 도파관 스위치(306-i)의 분배 비율에 대한 시뮬레이션 결과를 도시한다.
도 6는 예시적인 실시형태에 따른 빔 커플러의 개략도를 도시한다.
도 7a 내지 도 7c는 상이한 인풋 조건하에서 빔 컴바이너(126)에 대한 BPM 시뮬레이션 결과를 도시한다.
도 8은 예시적인 실시형태에 따른 광 간섭 단층촬영을 수행하기 위해 적합한 방법의 동작을 도시한다.
도 9는 본 발명의 대안적인 실시형태에 따른 솔리드-스테이트 빔 스캐너의 개략도를 도시한다.
도 1은 본 발명의 예시의 실시형태에 따른 광 간섭 단층촬영 시스템의 개략적인 다이어그램을 도시한다. 시스템(100)은 소스(102), 프로세서(104), 광검출기(106 및 108) 및 PLC(110)를 포함한다.
소스(102)는 PLC(110)에 광 신호(112)를 제공하기 위해 가동되는 종래의 간섭성 광원이다. 묘사된 예시에서, 소스(102)는 대략 1300 nm의 중심 파장을 갖도록 광 신호(112)를 방출하는 에지-방출 레이저(edge-emitting laser)이다. 일부 실시형태에서, 소스(102)는 상이한 간섭성 광원을 포함하고 그리고/또는 상이한 파장에 중심지워진 광을 방출한다.
프로세서(104)는 광검출기(106) 및 광검출기(108) 각각으로부터 수신되는 아웃풋 신호(142) 및 분산 신호(144)에 근거하여 PLC(110)에 제어 신호(CV)를 제공하기 위해 가동되는 종래의 장비 제어기 및 프로세싱 시스템이다. 전형적으로, 프로세서(104)는 샘플(134)의 대상 지점(object point)(136)에서 구조체의 추정(estimate)을 디벨롭(develop)하도록 PLC(110)로부터 수신되는 아웃풋 신호를 프로세싱하기 위해 또한 가동된다.
광검출기(106)는, 하기와 같이 빔 컴바이너(126)로부터 수신되는 간섭 신호(140)의 강도에 근거하여 전기 아웃풋 신호(즉, 아웃풋 신호(142))를 제공하기 위해 가동되는 종래의 광검출기이다.
광검출기(108)는 프로세서(104)에 분산 신호(144)를 제공하기 위해서 가동되는 종래의 광검출기이며, 여기서 분산 신호는 광 신호(146)에 기초하고, 이 광 신호는 지연 제어기(124)를 떠날 때 적어도 기준 신호의 일 부분을 포함한다. 이것은 하기와 같이, 프로세서(104)에 의해서 보상될 OCT 시스템의 두 암 사이에서 임의의 분산 어긋남(dispersion mismatch)을 가능하게 한다.
PLC(110)는 기판(114) 상에 모놀리식으로 집적된 표면 도파관의 배열체이다. PLC(110)는 커플러(116), 인테러게이션(interrogation) 도파관(118), 리턴 도파관(120), 기준 도파관(122), 지연 제어기(124), 빔 컴바이너(126), 아웃풋 도파관(128) 및 분산 제어 도파관(130)를 포함한다. 일부 양태에서, 소스(102), 광검출기(106 및 108) 중 적어도 하나는 이를 기판(114) 상에 모놀리식으로 집적된 방식으로 형성하거나 또는 이를 기판과 하이브리드 집적 기술을 사용하여 본딩함으로써 PLC(110)와 집적된다.
도 2는 PLC(110)의 표면 도파관 각각을 나타내는 표면 도파관 구조체의 개략적인 단면도를 도시한다. 도파관(200)는 하측 클래딩(202), 코어(204), 및 상측 클래딩(206)을 포함하며, 이들은 전부 기판(114) 상에 배치된다.
기판(114)은 종래의 실리콘 기판이다. 일부 양태에서, 기판(114)은 실리콘 이외의 적합한 물질, 예를 들어 상이한 반도체, 글래스, 니오브산 리튬, 규소 화합물(예를 들어, 실리콘 게르마늄, 실리콘 카바이드 등) 등을 포함한다.
하측 클래딩(202)은 대략 8 미크론의 두께를 갖는 이산화 규소 층이며, 이는 열 산화 또는 다른 적합한 방법을 통해서 기판(114) 상에 형성된다.
코어(204)는 도광 물질의 층(208)이며, 이는 대략 2.2 미크론의 폭(w1) 및 대략 1 미크론의 높이(h1)를 갖는 단일-모드 채널-도파관 구조체를 획정하도록 스컬프트(sculpt)되었다.
도시된 예에서, 물질(208)은 1300 nm의 파장에서 대략 1.535의 굴절률 및 대략 2.35 K-1의 열광학 계수에 의해서 특징지어지는 실리콘 옥시나이트라이드(SiON)이다. 도시된 예에서, 물질(208)은 플라즈마 강화 화학 기상 증착(PECVD)를 사용하여 하측 클래딩(202) 상에 증착되나; 임의의 적합한 증착 프로세스가 코어(204)를 형성하기 위해서 사용될 수 있다.
상측 클래딩(206)은 대략 500 nm의 두께를 갖는 이산화 규소 층이다.
하부 클래딩(202) 및 상부 클래딩(206) 각각의 물질은 대략 1.4485의 굴절률에 의해서 특징지어진다. 따라서, 도파관(200)의 전체 물질 적층체의 유효 굴절률은 (TE 편광 광에 대해서) 대략 1.472이다.
도시된 예에서, 코어(204)는 실리콘 옥시나이트라이드(SiON)을 포함하고 하측 클래딩(202) 및 상측 클래딩(206) 각각은 이산화 규소를 포함하나; 당업자는, 이 명세서를 읽은 후, 무수한 물질(예를 들어, 질화 규소, 실리콘, 니오브산 리튬, 화합물 반도체, 글래스, 이산화 규소 등)이 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서 도파관(200)의 코어 및 클래딩 층에 사용될 수 있다는 점을 알게될 것이다. 하기와 같이, 예시적인 실시형태가 열광학 효과에 기초하여 동작되는 도파관 스위치를 채용하는 지연 제어기를 포함하는 점이 주의되어야 하고, 결과적으로 이 실시형태가 상대적으로 높은 열광학 계수에 의해서 특징지어지는 표면 도파관을 채용하는 것이 바람직하다. 그러나 본 발명의 일부 실시형태는 상이한 스위칭 원리, 예를 들어 전자광학 효과, 유기 응력(induced stress) 등에 기초한 도파관 스위치들을 채용한다. 이러한 실시형태에서, 이들의 포함된 도파관이 채용된 각각의 스위칭 원리의 사용을 용이하게 하도록 설계되는 것이 바람직하다.
비록 예시적인 실시형태가 단일-모드 채널 도파관인 표면 도파관들을 포함하나, 상이한 전파 특성, 지오메트리, 구조 및/또는 물질을 갖는 표면 도파관들이 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서 본 발명의 실시형태에서 사용될 수 있다.
이제 도 1로 돌아가면, 커플러(116)는, 광 신호(112)를 샘플 신호(112A)와 기준 신호(112B)로 고르게 분배하고 이 신호들을 샘플 암(132A) 및 기준 암(132B) 각각에 제공하는 종래의 단열(adiabatic) 3-dB 방향성 커플러이다. 일부 양태에서, 커플러(116)의 분배 비율(split ratio)은 50 : 50 이외이다. 일부 양태에서, 커플러(116)는 상이한 광 파워 분배 요소, 예를 들어, y-커플러이다. 일부 양태에서, 커플러(116)는 결합 손실(coupling loss)을 줄이기 위해 인풋 포트에, 스폿사이즈(spotsize) 변환기, 렌즈 등과 같은 요소를 포함한다. 일부 양태에서, 커플러(116)는 에지 커플러(edge coupler), 수직 -격자 커플러 등을 통해서 인풋 신호(112)를 수신한다. 일부 양태에서, 커플러(116)는, 광 섬유, 벌크 렌즈(bulk lens), 렌즈형 광 섬유, 고-개구-수 섬유, 광-집적 회로(PIC) 또는 PLC의 아웃풋 포트 등과 같은 외부 요소로부터 인풋 신호(112)를 수신한다.
샘플 암(132A)은 인테러게이션 도파관(118), 리턴 도파관(120), 및 샘플 신호(112A)에 의해서 인테러게이트되는 샘플(134)의 부분(즉, 대상 지점(136))을 포함한다. 인테러게이션 도파관(118)는 커플러(116)로부터 샘플(134)로 샘플 신호(112A)를 전달한다. 리턴 도파관(120)는 샘플에 의해서 반사된 샘플 신호(112A)의 광을 수신하고 빔 컴바이너(126)로 반사된 광을 전달한다. 샘플 암이 PLC(110)와 샘플 사이(134)에 라운드 트립(round-trip) 자유 공간 경로를 또한 포함하나; 자유 공간에서 트레블 거리가 전형적으로 매우 짧기 때문에, 샘플 암에 대한 트레블 거리의 기여가 시스템(100)의 동작에 중요하지 않은 것으로 간주되고, 첨부된 청구항을 포함하여 샘플 암(132A)의 고려로부터 배제되는 점이 주의되어야 한다.
상기와 같이, 종래의 OCT 시스템은 고정된 길이의 기준 암을 포함한다. 불행하게도, 이러한 기준 암의 고정적인 본질뿐만 아니라 기준 암 내의 빛이 일반적으로 접근할 수 없다는 사실 때문에, 분산 보상(dispersion compensation)은 이러한 시스템에서 어렵다. 또한, 고정적인 기준 암은 신호대 잡음비(SNR)를 향상시키는 기준 신호의 광 파워의 조절을 배제한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 기준 암을 통해 전파되는 기준 신호의 광 파워 및 기준 암의 길이 모두에 대해 제어를 가능하게 하는 지연 제어기를 포함하는 기준 암을 포함한다. 또한, 지연 제어기는 기준 암에서의 기준 신호를 광검출기(108)에 광학적으로 커플링하도록 치수 지어지고 배치되며, 이 광검출기는 시스템에서 분산의 직접적인 표시를 프로세서에 제공한다. 결과적으로, 본 발명의 실시형태는 종래의 OCT 시스템에 비하여 상당한 장점, 예를 들어 더 높은 SNR 및 더욱 용이하게 달성되는 분산 보상을 제공받는다.
기준 암(132B)은 기준 도파관 부분(122-1 및 122-2) 및 지연 제어기(124)를 포함한다.
기준 도파관 부분(122-1 및 122-2) 각각은 기준 신호(112B)를 전달하기 위한 고정된 길이의 도파관이다. 도파관 부분(122-1)은 커플러(116)와 지연 제어기(124)를 광학적으로 커플링하는 한편, 도파관 부분(122-2)은 지연 제어기(124)와 빔 컴바이너(126)를 광학적으로 커플링한다.
지연 제어기(124)는 기준 암(132B)의 길이가 초기 길이와 최대 길이(하기와 같이 지연 제어기에 포함되는 스위치 스테이지의 개수에 기초함) 사이에서 디지털적으로 변하도록 할 수 있는, 도파관 스위치 및 도파관 부분의 네트워크이다. 지연 제어기(124)는, 커플러(116)로부터 기준 신호(112B)를 받고 지연 제어기가 포함하는 복수의 도파관 스위치의 구성에 근거하여 광 신호(146) 및 기준 신호(112B')(여기서 기준 신호(112B')는 기준 신호(112B)의 잠정적 지연된 버전이다)를 제공하기 위해 가동된다.
도 3은 예시적인 실시형태에 따른 지연 제어기의 개략도를 도시한다. 지연 제어기(124)는 스위치 스테이지(302-1 내지 302-4) 및 도파관 스위치(306-5)를 포함한다. 비록 예시적인 실시형태가 네 개의 스위치 스테이지를 갖는 지연 제어기를 포함하나, 본 발명에 따른 지연 제어기는 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서 임의의 실용적 개수의 스위치 스테이지를 포함할 수 있다.
각각의 스위치 스테이지(302-i)는, 도파관 스위치(306-i)와 광학적으로 커플링된 도파관 부분(304A-i 및 304B-i)을 포함하며, 여기서 i = 1 내지 4 이다. 각각의 도파관 스위치(306-i)는 프로세서(104)에 의해서 제공되는 제어 전압(CV-i)의 크기에 기초하여 각각의 도파관 부분(304A-i 및 304B-i)을 통하는 광 신호(112B)의 경로를 제어한다.
도 4a는 예시적인 실시형태에 따른 도파관 부분(304A-i)의 개략도를 도시한다. 도파관 부분(304A-i)은 길이(L1)를 갖는 실질적으로 직선인 도파관 섹션이다. 도시된 예에서, 도파관 부분들(304A-1 내지 304A-4)(집합적으로, 도파관 부분(304A)이라함)은 실질적으로 동일하고, L1은 1 cm와 같으나; 일부 양태에서, 도파관 부분들(304A) 중 적어도 하나는 상이한 형상 및/또는 길이를 가질 수 있다.
도 4b는 예시적인 실시형태에 따른 도파관 부분(304B-i)의 개략도를 도시한다. 도파관 부분(304B-i)은 도파관 섹션(402), 도파관 섹션(404) 및 도파관 섹션(406)을 포함하는 만곡된 도파관이다.
도파관 섹션(402)은 반경(R)을 갖는 반원 형상의 도파관이다.
각각의 도파관 섹션(404)은 반경(R)을 갖는 사분원 형상의 도파관이다.
각각의 도파관 섹션(406)은 길이(Ls)를 갖는 직선의 도파관이다.
도시된 예에서, R의 크기는, 도파관 섹션(402 및 404)이 도파관 부분(304A-i)의 길이(즉, L1)와 같은 결합된 길이를 갖도록 선택된다. 따라서, 도파관 부분(304B-i)의 전체 길이는 2Ls+L1와 동일하다. 도시된 예에서, 도파관 부분들(304B-1 내지 304B-4)(집합적으로, 도파관 부분(304B)이라함)은 실질적으로 동일하고, Ls는 1 cm이나; 일부 양태에서, 도파관 부분들(304B) 중 적어도 하나는 상이한 형상 및/또는 길이를 가질 수 있다. 당업자는, 이 명세를 읽은 후, Ls의 길이가 해상도(resolution)를 결정하며 이 해상도로 기준 암(132B)의 길이가 튜닝될 수 있는 점이 이해될 것이다.
예시의 실시형태에서, 기준 암(132B)의 초기 길이는 대략 20 cm이다. 지연 제어기(124)는 네 개의 스위치 스테이지(각각이 추가적인 2 cm가 더해질 수 있도록 함)를 포함하고 있기 때문에, 기준 암의 최대 길이는 28 cm이다. 따라서 기준 암의 길이는, 도파관 스위치(306-i) 각각에 적합한 제어 전압(CV-i)을 제공함으로써 2 cm의 증분으로, 대략 20 cm 내지 대략 28 cm의 범위 내에서 디지털적으로 제어될 수 있다. 이 값들이 단지 예시적이며, 임의의 실용적 길이가, 기준 암(132B)의 초기 길이뿐만 아니라 임의의 도파관 부분(304A 및 304B)의 길이를 포함하는 시스템(100)의 임의의 치수에 대하여 사용될 수 있다는 점이 주의되어야 한다.
도파관 부분(304B)에서 직선의 도파관 섹션(406)을 포함하는 것은 광학적 길이를 추가함으로써 디자인 유연성을 제공하는 한편 만곡된 도파관 섹션(402 및 404)은 각각의 도파관 부분(304B)을 위해서 요구되는 전체 칩 풋프린트를 상당히 작게 유지하는 것을 도와 시스템(100)을 위한 컴팩트한 디자인을 가능하게 한다.
위에서 제공된 예시적인 치수를 사용하면, PLC(110)의 전체는 2 cm x 2 cm 영역 내에 수용될 수 있으며, 이 영역은 단일 칩 상에 용이하게 형성된다. 그러나, 도파관(200)를 위해 (예를 들어, 실리콘 또는 질화 규소 등의 코어에 기초한) 높은-인덱스-콘트라스트(high-index-contrast) 도파관 재료 시스템을 사용함으로써, PLC(110) 를 위해서 요구되는 칩 면적이 상당히 감소될 수 있다.
도 5a는 예시적인 실시형태에 따른 도파관 스위치의 개략도를 도시한다. 도파관 스위치(306-i)는 제어 전압(CV-i)의 크기에 기초하여 인풋 포트(In1 및 In2)와 아웃풋 포트(Out1 및 Out2) 사이의 광학적 커플링을 제어하는 2x2 크로스바(cross-bar) 스위치이다. 도파관 스위치(306-i)는, 지연 섹션(504)의 양편에 있는 한 쌍의 방향성 커플러(502-1 및 502-2)를 포함하는 마하 젠더(Mach-Zehnder) 타입 간섭계식(interferometric) 커플러이다. 도파관 스위치(306-i)는 도파관 스위치(306-1 내지 306-5)의 각각을 나타낸다(집합적으로, 스위치(306)라함).
방향성 커플러(502-1 및 502-2)(집합적으로 커플러(502)라고함)의 각각은 길이(L2)를 갖는 종래의 방향성 커플러이다. 방향성 커플러(502-1 및 502-2)는 "상보적(complimentary) 방향성 커플러"이다. 첨부된 청구항을 포함하는 이 명세서의 목적을 위해서, 용어 "상보적 방향성 커플러"는 일 방향성 커플러에 도입된 임의의 일탈이 나머지 방향성 커플러에서 실질적으로 보정되도록 함께 동작하는 방향성 커플러로서 정의된다. 일부 양태에서, 방향성 커플러(502-1 및 502-2)는 "상보적 방향성 커플러"가 아니다.
지연 섹션(504)은 지연 도파관(506), 트렁크(trunk) 도파관(508), 및 히터(510)를 포함하며, 이 히터는 트렁크 도파관(508) 상에 배치되고 제어 신호(CV-i)에 전기적으로 연결된다.
도파관 스위치(306-i)는 열-광학 도파관 스위치이고; 따라서 광이 지연 도파관(506) 및 트렁크 도파관(508) 중 하나를 통해서 전파될 때, 이들 사이의 커플링이 히터(510)의 온도에 의해서 제어된다. 일부 양태에서, 지연 제어기(124)는 다른 효과, 예를 들어, 전기 광학, 압전, 스트레스, 액정 기반 등에 기초한 도파관 스위치를 포함한다.
도파관 스위치(306-i)는 0%(무 교차-커플링) 내지 100% (완전 교차-커플링) 범위 내의 어느 것으로든 튜닝될 수 있는 교차-커플링 비율을 갖는다. 도파관 스위치의 커플링 비율은 다음에 의해서 주어진다:
S = cos2(θ) sin2(
Figure 112019043433179-pct00001
1 +
Figure 112019043433179-pct00002
2) + sin2(θ)sin2(
Figure 112019043433179-pct00003
1 -
Figure 112019043433179-pct00004
2)
여기서,
Figure 112019043433179-pct00005
1 및
Figure 112019043433179-pct00006
2는 커플러(502-1 및 502-2)의 각각의 평행-도파관 커플러 섹션에 존재하는 기본 시스템 모드와 1-차 시스템 모드 사이의 하프-페이즈(half-phase) 차이이고, 2θ =β(λ)ΔL은 지연 도파관(506)와 트렁크 도파관(508) 사이의 경로-길이 차이(ΔL) 및 도파관 모드의 전파 상수(β(λ))에 의해 지연 섹션에 도입된 상대적 페이즈 지연이다.
도파관 스위치(306-i)(즉, 전체 커플러)에 최대 평탄 파장 응답을 제공하도록, 파라미터는 설계 및 제작의 용이성을 위해
Figure 112019043433179-pct00007
1=π/2 (전체 커플러),
Figure 112019043433179-pct00008
2=π/2 (전체 커플러), 및 2θ = 2π/3로서 선택될 수 있다. 이 디자인 파라미터에 기초하여, 도시된 예에서, 방향성 커플러(502-1 및 502-2) 각각의 길이는 155 미크론이고, 경로-길이 차이(ΔL)는 0.29 미크론이다. 도파관 스위치(306-i)의 전체 길이는 1.6 mm이다.
도 5b는 도파관 스위치(306-i)에 대한 지연 도파관(506)와 트렁크 도파관(508) 사이의 상대적인 굴절률 및 교차-커플링된 광 파워의 시뮬레이션 결과를 도시한다. 플롯(512)은 지연 도파관(506)와 트렁크 도파관(508) 사이의 굴절률 차이의 함수로서 인풋 포트(In1)에 주입된 광 신호에 대한 아웃풋 포트(Out2)에서 광 파워를 도시한다. 플롯(512)에 도시되는 바와 같이, Δn = 2.4 x 10-3에 대해서, 트렁크 도파관(508) 안으로 주입된 광 신호의 96%는 지연 도파관(506)에 교차-커플링될 것이며, 이는 대략 102 K의 히터 온도에서 발생된다.
도 5c는 도파관 스위치(306-i)의 분배 비율에 대한 시뮬레이션 결과를 도시한다. 플롯(514)은, 0 전압이 히터(510)에 가해지고 스위치가 실온에 있을 때 교차-커플링이 스위치에 실질적으로 비-존재하는 것을 도시한다. 플롯(516)은, 충분한 전압이 히터(510)에 가해지고 스위치가 상승된 온도에 있을 때 완전 교차-커플링이 스위치에 존재하는 것을 도시한다.
도 5d는 도파관 스위치(306-i)의 분배 비율에 대한 시뮬레이션 결과를 도시한다. 플롯(518 및 520)은 지연 도파관(506)와 트렁크 도파관(508) 사이의 분배 비율이 스위치의 교차 상태 및 바(bar) 상태 모두에서 100-nm 광대역에 걸쳐서 실질적으로 독립적인 파장인 점을 보인다.
기준 신호(112B)는 스위치 스테이지(302-1 내지 302-4) 를 통과한 후, 기준 신호(112B)의 광 파워의 일부 또는 전부를 광 신호(146)로서 광검출기(108)로 또는 기준 신호(112B')로서 빔 컴바이너(126)로 지향시키는 스위치(306-5)를 통해서 전파된다. 도파관 스위치(306-5)는 도파관 스위치(306-1 내지 306-4)의 각각과 실질적으로 동일하다.
빔 컴바이너(126)는 간섭 신호(140)를 생성하여 이를 광검출기(106)에 제공하도록 샘플 신호(112A)와 반사된 신호(138)를 재결합하기 위해 가동되는 표면-도파관 요소이다.
도 6는 예시적인 실시형태에 따른 빔 커플러의 개략도를 도시한다. 빔 컴바이너(126)는 슬랩(slab)(602) 및 아웃풋 도파관(128)를 포함하며, 이들 각각은 도 2를 참조하여 위에서 설명된 도파관(200)와 유사하다.
슬랩(602)은 도파관(200)의 것과 유사한 도파관 구조체의 영역이나, 기준 도파관(122-2) 및 리턴 도파관(120)에 의해서 전달되는 광 신호들을 재결합하고 이 재결합된 광 신호를 간섭 신호(140)로서 아웃풋 도파관(128)에 제공하도록 치수 지어지고 구성된다. 슬랩(602)은 폭(w2) 및 길이(L3)를 가지며, 이들은 슬랩 영역 내에서 이중-모드 간섭(TMI)이 가능하도록 선택된다. 빔 컴바이너(126)의 구조체는 더 제조 내성(fabrication tolerant)이 있어 이의 성능이 더 재생가능하기 때문에, 더 종래의 Y-접합(junction)에 비해 선호된다. 도시된 예에서, w2는 6 미크론이고, L3는 33 미크론이고, 기준 도파관(122-2) 및 리턴 도파관(120)는 분리 거리(d1)에 의해서 분리되며, 이 거리는 1.4 미크론이다.
도 7a 내지 도 7c는 상이한 인풋 조건 하에서 빔 컴바이너(126)에 대한 BPM 시뮬레이션 결과를 도시한다. 빔 컴바이너의 방사 손실은, 슬랩(602)에서 수신되는 바와 같은 기준 신호(112B') 및 반사 신호(138)의 상대적인 파워뿐만 아니라, 이들 사이의 페이즈 차이에 의존한다.
플롯(700)은 기준 신호(112B') 및 반사 신호(138)가 균등한 파워를 갖고 동상(in phase)일 때 광 신호들의 커플링을 도시한다. 플롯에서 도시된 바와 같이, 모든 인풋 파워가 1차 우 모드(even mode)로 커플링되고, 따라서 슬랩 영역(602)을 통해서 아웃풋 도파관(128)로 송신된다. 이 경우에, 빔 컴바이너(126)가 기준 도파관(122-2) 및 리턴 도파관(120)로부터 수신된 광 파워의 대략 96%를 갖는 간섭 신호(140)를 제공할 것이라는 점이 예상된다. 달리 말하면, 빔 컴바이너를 통한 최소 광 손실은 대략 4%이다.
플롯(702)은 기준 신호(112B') 및 반사 신호(138)가 0.5의 파워 비율을 갖고 동상일 때 광 신호들의 커플링을 도시한다. 이 파워 불균형는, 플롯(700)에 도시된 균등 파워 경우에 비하여 단지 4%의 파워 감소를 발생시킨다(즉, 간섭 신호(140)는 기준 도파관(122-2) 및 리턴 도파관(120)로부터 수신된 광 파워의 대략 92%를 갖는다).
플롯(704)은 광 신호(112B' 및 138)가 ð/6의 페이즈 차이를 가질 때 광 신호들의 커플링을 도시한다. 이 경우에, 기준 신호(140)의 아웃풋 파워는 기준 신호(112B') 및 반사 신호(138)의 결합된 인풋 파워의 대략 89%으로 감소된다(즉, 플롯(700)에 도시된 동상, 균등 파워의 경우로부터 7% 감소).
도시된 예에서, 빔 컴바이너(126)는 이중-모드 간섭(TMI)에 기초하나; 다른 빔 컴바이너가 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서 PLC(110)에서 사용될 수 있다.
도 8은 예시적인 실시형태에 따른 광 간섭 단층촬영을 수행하기 위해 적합한 방법의 동작을 도시한다. 방법(800)은 동작(801)으로 시작하며, 여기서 소스(102)는 광 신호(112)를 제공한다.
동작(802)에서, 광 신호(112)는 커플러(116)에서 샘플 신호(112A) 및 기준 신호(112B)로 분배된다.
동작(803)에서, 샘플(134)의 대상 지점(136)은 샘플 신호(112A)로 인테러게이트된다. 샘플(134)은 자유 공간 광 신호로서 인테러게이션 도파관(118)의 아웃풋 패시트(facet)(FC-1)로부터 샘플 신호(112A)를 받는다. 전형적으로, 렌즈 또는 다른 벌크 옵틱(bulk-optic) 시스템이 인테러게이션 도파관(118)로부터 방사되는 자유 공간 광을 캡쳐(capture)하고 이것을 샘플(134) 상의 스폿에 포커싱하기 위해서 사용된다(도 1에 미도시).
샘플 신호(112A)로 인테러게이트될 때, 대상 지점(136)은 반사 신호(138)를 반사하며, 이 신호는 리턴 도파관(120)의 인풋 패시트(FC-2) 안으로 광학적으로 커플링된다. 반사 신호(138)의 스펙트럼 컨텐츠는 대상 지점(136)의 표면 및 표면하(sub-surface) 특징부 및 샘플 신호의 파장 성분의 세트에 기초한다. 바람직하게는, FC-1 및 FC-2는 PLC(110)와 샘플(134) 사이의 광 손실을 감소시키기 위해서 가깝게 이격된다.
동작(804)에서, 리턴 도파관(120)는 반사 신호(138)를 빔 컴바이너(126)에 제공한다.
동작(805)에서, 프로세서(104)는 기준 암(132B)의 희망되는 길이를 수립하도록 지연 제어기(124)를 설정한다.
동작(806)에서, 기준 도파관(122-2)는 빔 컴바이너(126)에 기준 신호(112B')를 제공한다.
동작(807)에서, 광 신호(138 및 112B')는 빔 컴바이너(126)에서 결합되어 간섭 신호(140)를 생성한다.
동작(808)에서, 광검출기(106)는 간섭 신호(140)의 강도에 기초하여 아웃풋 신호(142)를 제공한다.
동작(809)에서, 프로세서(104)는 아웃풋 신호(142)에 기초하여 대상 지점(136)에서 구조체의 깊이-스캔(depth-scan) 이미지를 예측한다.
동작(810)에서, 프로세서(104)는 광 신호(146)로서 광검출기(108)에 기준 신호(112B')의 적어도 일 부분을 제공하도록 도파관 스위치(306-5)를 설정한다.
동작(811)에서, 광검출기(108)는 광 신호(146)에 기초하여 분산 신호(144)를 제공하고 이 신호를 프로세서(104)에 제공한다.
동작(812)에서, 프로세서(104)는 (전형적으로 3차 다항식 접근법(polynomial approach)을 통해서)시스템(100) 내 분산을 결정하고 분산 신호(144)에 기초한 도파관 스위치(306-1 내지 306-4)의 커플링 비율을 제어함으로써 시스템(100)을 위한 분산 보상을 제공한다.
동작(813)에서, 프로세서(104)는 아웃풋 신호(142)에 기초하여 도파관 스위치(306-5)의 커플링 비율을 제어함으로써 기준 신호(112B')의 광 파워를 제어한다. 기준 신호(112B')의 파워를 제어함으로써, 시스템(100)은 아웃풋 신호(142)가 향상된 SNR을 갖도록 한다.
상기와 같은 시스템(100)은 샘플(134) 상의 단일 대상 지점에서 축선-깊이 스캔(전형적으로 "A-스캔"이라 함)을 생성하기 위해 가동된다. 그러나, 샘플의 선형 영역의 단면 이미지를 생성하기 위해서 일 행의 대상 지점들을 스캔("B-스캔")하거나, 또는 일부 경우에, 대상 지점의 2-차원 어레이를 스캔("C-스캔")하는 것이 종종 바람직하다. B-스캔 및/또는 C-스캔을 가능하게 하기 위해서, 시스템(100) 및 샘플(136) 중 적어도 하나는 1차원 스캔닝 또는 2차원 스캔닝을 할 수 있는 스캔닝 스테이지 상에 위치될 수 있다. 불행하게, OCT 시스템과 샘플 사이의 물리적 배열을 변경하는 것은 아웃풋 신호의 위치적 부정확성 및 노이즈로 이어질 수 있으며, 이 아웃풋 신호로부터 이미지가 구축된다.
본 발명의 일부 양태에서, 솔리드-스테이트 스캔닝(solid-state scanning) 시스템은 B-스캔을 생성하기 위해 시스템(100) 또는 샘플(134)을 물리적으로 스캔하는 필요성을 제거하도록 샘플 암(132A)에 포함된다.
도 9는 본 발명의 대안적인 실시형태에 따른 솔리드-스테이트 빔 스캐너의 개략도를 도시한다. 스캐너(900)는 인테러게이션 도파관(118), 스캐너 도파관(904A-1 내지 904A-M 및 904B-1 내지 904B-1), 도파관 스위치(902A-1 내지 902A-M 및 902B-1 내지 902B-M) 및 아웃풋 포트(906)를 포함한다.
도파관 스위치(902A-1 내지 902A-M 및 902B-1 내지 902B-M) 각각은 상술된 도파관 스위치(306-i)와 유사하다.
스캐너 도파관(904A-1 내지 904A-M 및 904B-1 내지 904B-M)(집합적으로, 스캐너 도파관(904)라 함)는 상술된 도파관(200)와 유사하다. 스캐너 도파관(904A-1 내지 904A-M 및 904B-1 내지 904B-M)는 패시트(908A-1 내지 908A-M 및 908B-1 내지 908B-M)를 각각 포함한다.
아웃풋 포트(906)는 아웃풋 패시트(908A-1 내지 908A-M 및 908B-1 내지 908B-M)뿐만 아니라 인테러게이션 도파관(118)의 아웃풋 패시트(FC-1)를 포함한다. 아웃풋 포트(906)에 포함된 아웃풋 패시트는 바람직하게는 균일한 간격(d2)에 의해서 분리된다. 도시된 예에서, M은 100과 동일하고 d2는 10 미크론과 동일하고; 따라서 아웃풋 포트의 101 개의 아웃풋 패시트는 광 신호(112A)가 1 mm의 전체 스캔 길이(L3)에 걸쳐서 스캔될 수 있도록 한다. M, d2 및 L3 중 어느 하나는 본 발명의 범위로부터 벗어나지 않으면서 임의의 실용적인 값을 가질 수 있다는 점이 주의된다.
아웃풋 포트(906)를 따라 샘플 신호(112A)를 스캔하기 위해서, 도파관 스위치(902)의 적절한 세트는 이들이 완전 교차-커플링이 가능하게 하도록 작동된다. 예를 들어, 스캐닝 도파관(904A-M)의 아웃풋 패시트로부터 샘플 신호를 방출하기 위해서, 도파관 스위치(902A-1 내지 902A-M) 전부가 작동된다. 샘플 신호를 스캐닝 도파관(904A-(M-1))의 아웃풋 패시트로 이동시키기 위해서, 도파관 스위치(902A-1 내지 902A-M-1) 전부가 작동되나 902A-M은 아니다.
각각의 도파관 스위치의 작동은 마이크로초 단위로 발생될 수 있기 때문에, 아웃풋 포트(906)의 전체 스캔 길이(L3)에 걸친 스캐닝 샘플 신호(112A)는 기계적 스캐너, 예를 들어, 갈바노미터 스캐너 등에 대해서보다 상당히 더 짧은 시간 내에 행해질 수 있다.
개시가 예시적인 실시형태의 단지 하나의 예를 교시하고, 본 발명의 많은 변형예가 이 개시를 읽은 후 당업자에 의해서 용이하게 고안될 수 있고, 본 발명의 범위가 다음의 청구항에 의해서 결정될 것이라는 점이 이해될 것이다.

Claims (22)

  1. 샘플 암(sample arm) 및 기준 암(reference arm)을 갖는 집적 광학 기반(integrated-optics-based) 광 간섭 단층촬영(optical coherence tomography)(OCT) 시스템으로서,
    기판 상에 모놀리식으로 집적된 광자적 광파 회로(photonic lightwave circuit)(PLC)를 포함하되,
    상기 PLC는,
    (i) 인풋 광 신호를 상기 샘플 암 상의 샘플 신호 및 상기 기준 암 상의 기준 신호로 분배하기 위한 커플러;
    (ii) 간섭 신호를 생성하도록 상기 기준 신호와 샘플로부터의 반사 신호를 결합하기 위한 빔 컴바이너―상기 반사 신호는 상기 샘플 신호 및 상기 샘플에 기초함―;
    (iii) 상기 커플러로부터 상기 빔 컴바이너로 상기 기준 신호를 전송하기 위해 작동하는 상기 기준 암―상기 기준 암은 (1) 최소 길이부터 최대 길이까지의 범위 이내의 상기 기준 암의 길이 및 (2) 상기 빔 컴바이너에서 수신된 상기 기준 신호의 광 파워 중 적어도 하나를 디지털적으로 제어하기 위해 가동되는 지연 제어기를 포함함―;
    상기 간섭 신호를 기초로 하여 아웃풋 신호를 제공하도록 구성된 제1 광검출기;
    상기 지연 제어기로부터 수신된 제1 신호 - 상기 제1 신호는 상기 기준 신호의 적어도 일부를 포함함 - 를 기초로 하여 분산 신호를 제공하도록 구성된 제2 광검출기; 및
    상기 분산 신호를 기초로 하여 상기 기준 암과 상기 샘플 암 사이의 분산 어긋남(dispersion mismatch)을 보상하기 위해 작동하는 프로세서;를 포함하는
    집적 광학 기반 광 간섭 단층촬영 시스템.
  2. 삭제
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 OCT 시스템은:
    (iv) 상기 커플러로부터 상기 샘플로 상기 샘플 신호를 전달하기 위한 제1 도파관; 및
    (v) 상기 샘플로부터 반사 신호를 수신하고 상기 반사 신호를 상기 빔 컴바이너로 전달하기 위한 제2 도파관―상기 반사 신호는 상기 샘플 신호 및 상기 샘플에 기초함―;를 더 포함하는
    집적 광학 기반 광 간섭 단층촬영 시스템.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 지연 제어기는 복수의 스위치 스테이지들을 포함하고,
    각 스위치 스테이지는:
    제1 길이를 갖는 제1 도파관 부분;
    상기 제1 길이와 상이한 제2 길이를 갖는 제2 도파관 부분; 및
    제1 인풋 포트에서 수신된 광 신호를 상기 제1 도파관 부분 및 상기 제2 도파관 부분 중 어느 하나에 광학적으로 커플링하기 위해 가동되는 도파관 스위치―상기 도파관 스위치는:
    트렁크 도파관 및 지연 도파관을 포함하는 지연 섹션을 포함하되, 상기 지연 섹션은, 제어 신호에 기초하여 상기 트렁크 도파관 및 상기 지연 도파관 사이의 교차 커플링을 제어하기 위해 가동되고;
    상기 트렁크 도파관은 상기 제1 도파관 부분 및 상기 제2 도파관 부분 중 하나와 광학적으로 커플링되며;
    상기 지연 도파관은 상기 제1 도파관 부분 및 상기 제2 도파관 부분 중 나머지 하나와 광학적으로 커플링됨―;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는
    집적 광학 기반 광 간섭 단층촬영 시스템.
  5. 삭제
  6. 제4 항에 있어서,
    각각의 도파관 스위치는,
    제1 방향성 커플러; 및
    제2 방향성 커플러;를 더 포함하되,
    상기 지연 섹션은 상기 제1 방향성 커플러와 상기 제2 방향성 커플러 사이에 있고;
    상기 제1 방향성 커플러 및 상기 제2 방향성 커플러는 상보적 방향성 커플러인 것을 특징으로 하는
    집적 광학 기반 광 간섭 단층촬영 시스템.
  7. 제4 항에 있어서,
    상기 복수의 도파관 스위치 중 적어도 하나의 도파관 스위치는 열광학 효과에 기초하여 상기 제1 도파관 부분과 상기 제2 도파관 부분 각각에 광학적으로 커플링되는 각각의 광 신호의 분배(portion)를 제어하기 위해 가동되는 것을 특징으로 하는
    집적 광학 기반 광 간섭 단층촬영 시스템.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 시스템은 광검출기를 더 포함하되, 상기 지연 제어기는 또한 상기 광검출기에 상기 기준 신호의 적어도 한 부분을 제공하기 위해 가동되는 것을 특징으로 하는
    집적 광학 기반 광 간섭 단층촬영 시스템.
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 빔 컴바이너는 이중-모드 간섭에 기초하여 상기 기준 신호와 상기 반사 신호를 결합하기 위해 가동되는 것을 특징으로 하는
    집적 광학 기반 광 간섭 단층촬영 시스템.
  10. 제1 항에 있어서,
    상기 PLC는 상기 샘플 상의 복수의 대상 지점에 상기 샘플 신호를 제공하기 위해 가동되는 빔 스캐너를 더 포함하되,
    상기 빔 스캐너는:
    각각 패시트(facet)를 포함하는 복수의 도파관―상기 복수의 패시트는 집합적으로 아웃풋 포트를 정의함―; 및
    복수의 도파관 스위치―각각의 웨이브 가이드 스위치는 상기 복수의 도파관 스위치의 상이한 한 쌍의 도파관 사이에서 광을 스위칭하기 위해 가동됨―;를 포함하며,
    상기 복수의 도파관 중의 제1 도파관은 상기 커플러로부터 상기 샘플 신호를 받도록 치수 지어지고 배치되는 것을 특징으로 하는
    집적 광학 기반 광 간섭 단층촬영 시스템.
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 복수의 패시트는 균일하게 이격되는 것을 특징으로 하는
    집적 광학 기반 광 간섭 단층촬영 시스템.
  12. 광 간섭 단층촬영(OCT)을 수행하는 방법으로서,
    커플러, 기준 도파관, 지연 제어기, 및 빔 컴바이너를 포함하는 평면 광파 회로(PLC)를 제공하는 단계―상기 PLC는 기판 상에 모놀리식으로 집적됨―;
    상기 커플러에서 수신된 인풋 광 신호를 기준 암 상의 기준 신호 및 샘플 암 상의 샘플 신호로 분배하는 단계―상기 기준 암은 기준 도파관 및 상기 지연 제어기를 포함함―;
    상기 샘플 신호를 샘플에 제공하는 단계;
    상기 빔 컴바이너에서 반사 신호를 수신하는 단계―상기 반사 신호는 상기 샘플 신호 및 상기 샘플에 기초함―;
    상기 기준 도파관 및 상기 지연 제어기를 통해서 상기 커플러로부터 상기 빔 컴바이너로 상기 기준 신호를 전달하는 단계;
    간섭 신호를 생성하도록 상기 빔 컴바이너에서 상기 기준 신호와 상기 반사 신호를 결합하는 단계;
    제1 광검출기로부터의 아웃풋 신호 - 상기 아웃풋 신호는 상기 간섭 신호를 기초로 함 - 를 제공하는 단계;
    (1) 초기 길이부터 최대 길이까지의 범위 이내의 상기 기준 암의 길이 및 (2) 상기 빔 컴바이너에서 수신된 상기 기준 신호의 광 파워 중 적어도 하나를 디지털적으로 제어하도록 상기 지연 제어기를 제어하는 단계;
    분산 신호 - 상기 분산 신호는 상기 기준 신호의 적어도 일부를 포함함 - 를 제2 광검출기로 지향시키는 단계; 및
    상기 분산 신호를 기초로 하여 상기 기준 암과 상기 샘플 암 사이의 분산 어긋남(dispersion mismatch)을 보상하는 단계;
    를 포함하는
    광 간섭 단층촬영을 수행하는 방법.
  13. 삭제
  14. 제12 항에 있어서,
    상기 방법은 광검출기에 상기 기준 신호의 적어도 일 부분을 제공하도록 상기 지연 제어기를 제어하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는
    광 간섭 단층촬영을 수행하는 방법.
  15. 제12 항에 있어서,
    상기 방법은 상기 빔 컴바이너가 이중-모드 간섭에 기초하여 상기 기준 신호와 상기 반사 신호를 결합하기 위해 가동되도록 상기 빔 컴바이너를 제공하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는
    광 간섭 단층촬영을 수행하는 방법.
  16. 제12 항에 있어서,
    상기 기준 암의 길이가 상기 지연 제어기의 길이를 제어함으로써 제어되는 것을 특징으로 하는
    광 간섭 단층촬영을 수행하는 방법.
  17. 제16 항에 있어서,
    상기 방법은,
    상기 지연 제어기가 복수의 스위치 스테이지 - 각각의 상기 스위치 스테이지는:
    (i) 제1 길이를 갖는 제1 도파관 부분;
    (ii) 상기 제1 길이와 상이한 제2 길이를 갖는 제2 도파관 부분; 및
    (iii) 제1 인풋 포트에서 수신된 제1 광 신호를 상기 제1 도파관 부분 및 상기 제2 도파관 부분 중 어느 하나로 광학적으로 커플링하기 위해 가동되는 도파관 스위치;를 포함하되,
    상기 도파관 스위치는, 트렁크 도파관 및 지연 도파관을 포함하는 지연 섹션을 포함하고, 상기 지연 섹션은, 각각의 상기 도파관 스위치에 제공되는 제어 신호에 기초하여 상기 트렁크 도파관과 상기 지연 도파관 사이의 교차 커플링을 제어하도록 구성됨 - 를 포함하도록 상기 지연 제어기를 제공하는 단계; 및
    각각의 제1 도파관 부분 및 제2 도파관 부분과 각각의 인풋 포트를 광학적으로 커플링하는 것을 제어하도록 상기 복수의 도파관 스위치의 각각에 상기 제어 신호를 제공하는 단계;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는
    광 간섭 단층촬영을 수행하는 방법.
  18. 삭제
  19. 제17 항에 있어서,
    상기 지연 제어기는 상기 복수의 도파관 스위치 중 적어도 하나의 도파관 스위치가 제1 방향성 커플러 및 제2 방향성 커플러를 더 포함하도록 제공되고, 상기 제1 방향성 커플러 및 제2 방향성 커플러는 상보적 방향성 커플러이고, 상기 지연 섹션은 상기 제1 방향성 커플러와 상기 제2 방향성 커플러 사이에 있는 것을 특징으로 하는
    광 간섭 단층촬영을 수행하는 방법.
  20. 제17 항에 있어서,
    상기 복수의 도파관 스위치 중 적어도 하나의 도파관 스위치는 열광학 효과에 기초하여 상기 제1 도파관 부분과 상기 제2 도파관 부분 각각에 광학적으로 커플링되는 각각의 광 신호의 분배를 제어하기 위해 가동되도록 제공되는 것을 특징으로 하는
    광 간섭 단층촬영을 수행하는 방법.
  21. 제12 항에 있어서,
    상기 방법은 동작에 의해 상기 샘플 상의 복수의 대상 지점의 각각에 상기 샘플 신호를 제공하는 단계― 상기 동작은, 복수의 도파관, 복수의 도파관 스위치, 및 복수의 패시트를 포함하는 아웃풋 포트를 포함하는 빔 스캐너에 상기 커플러로부터 상기 샘플 신호를 전달하는 동작이며, 상기 복수의 도파관 중 각각의 도파관은 상기 복수의 패시트 중 상이한 패시트를 포함하고, 상기 복수의 도파관 스위치 중 각각의 도파관 스위치는 상기 복수의 도파관 중 상이한 한 쌍의 도파관 사이에서 광을 스위칭하기 위해 가동됨―; 및
    상기 샘플 신호가 상기 아웃풋 포트의 상이한 패시트로부터 상기 복수의 대상 지점 중 각각의 대상 지점에 제공되도록 상기 복수의 도파관 스위치를 제어하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는
    광 간섭 단층촬영을 수행하는 방법.
  22. 제21 항에 있어서,
    상기 방법은 상기 복수의 패시트가 균일하게 이격되도록 상기 빔 스캐너를 제공하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는
    광 간섭 단층촬영을 수행하는 방법.
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