KR20090079764A - 파장 가변 장치 및 그 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 단일 각도 조작을 통해 입출력 광의 위치가 변경되지 않으면서도 항상 최상의 효율을 유지할 수 있도록 한 파장 가변 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 이를 위하여 투과형 회절판의 최적 효율 반사각을 항상 유지하는 광경로가 구성되도록 회절판과 거울을 일체형으로 구성하고, 이러한 일체형 구성을 회전시켜 원하는 파장을 얻도록 함으로써, 조작 및 제어의 효율성과 정밀도를 높이며 비용을 줄일 수 있는 효과가 있다.

투과형 회절판, 격자 배치 각도, 파장 가변, 레이저, 회절각

Description

파장 가변 장치 및 그 방법{WAVELENGTH TUNING APPARATUS AND METHOD THEREOF}

본 발명은 파장 가변 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 특히 단일 각도 조작을 통해 입출력 광의 위치가 변경되지 않으면서도 항상 최상의 효율을 유지할 수 있도록 한 파장 가변 장치 및 그 방법에 관한 것이다.

광학 기술의 발전은 다양한 산업 전반에 영향을 주어 미세 가공에서부터 초고속 통신에 이르는 광범위한 차세대 기술의 기반이 되고 있다. 특히, 직진성이 강한 레이저를 이용하여 미세 가공이나 표면을 개질하는 기술, 의학용 메스나 특정 세포를 선별 제거하는 기술, 광학 매체를 이용하여 데이터를 재생하는 기술, 광섬유의 전반사를 활용한 초고속 통신 기술 및 나노 크기의 입체적 시료에 대한 구성을 파악하는 현미경 기술 등 산업 및 의료 기술에 접목된 광학 기술은 점차 그 중요성이 높아지고 있다.

일반적인 레이저 광학 기술은 주로 단일 파장을 이용하고 있으나, 점차 다양 한 파장을 활용하고자 하는 요구가 증가함에 따라 파장을 가변할 수 있는 파장 가변 레이저 광학 수단이 등장하여 통신의 대역을 획기적으로 증가시키거나, 다양한 시료를 분석하거나, 넓은 범위의 파장을 대상으로 최적 특성을 제공하는 파장을 선택하는 등의 활용이 가능해졌다.

이러한 레이저의 파장을 가변하는 기술을 적용한 파장 가변 레이저는 그 용도에 따라 상이한 구성을 가지게 되지만, 각종 광학 어플리케이션에 범용적으로 적용되는 가변 파장 레이저의 경우 일정한 파장 대역을 가지는 레이저 광원의 회절 각도를 조절하는 것으로 원하는 파장을 선택하여 출력하는 방식으로 구성된다.

도 1은 일반적으로 알려진 리트로우 캐비티(Littrow cavity)를 적용한 파장 가변 장치의 구성을 보인 구성도로서, 여기서 캐비티는 광학 공진을 위해 사용되는 회절판, 거울, 렌즈 등으로 이루어진 구성을 의미하며 일반적으로 광학 캐비티(Optical Cavity)라 칭해진다.

도시한 바와 같이 레이저 다이오드(1)를 통해 발생된 레이저 광이 시준 렌즈(collimator lens)(2)를 통해 평행광이 되어 반사 회절판(3)에 입사되고, 반사 회절판(3)의 구성에 따라 특정한 각도로 회절된 후 거울(4)에 반사되도록 구성되어 있다.

도시된 구성은 회절판(3)의 각도를 조절하는 방식으로 파장을 선택하게 되는데, 파장의 선택에 따라 광 경로가 변화되게 된다. 따라서, 광 경로를 고정하기 위해서는 입사광의 위치를 조절해 주거나 거울(4)을 연동시켜 조절해 주어야 하는 복잡한 과정이 필요하다. 또한, 입력되는 광의 회절 각도에 따른 효율 프로파일이 파 장에 따라 상이하므로 모든 파장에 대해 최상의 효율을 유지하기 어렵다. 즉, 정밀한 파장 변환이 어렵고 구성 부피가 크며 광의 위치와 경로를 유지하기 어려워 파장 가변 레이저 장치를 구현할 경우 비용이 많이 들고 구성 부피가 크며 정밀도가 낮다.

도 2는 리트만 캐비티(Littman cavity)를 적용한 파장 가변 장치의 구성을 보인 구성도로서, 도시한 바와 같이 레이저 다이오드(11)를 통해 발생 된 레이저 광이 시준 렌즈(12)를 통해 평행광이 되어 반사 회절판(13)에 의해 특정한 각도로 회절되고, 이는 거울(14)을 통해 다시 반사 회절판(13)으로 반사되어 특정한 각도로 회절된다.

도시된 구성은 거울(14)의 각도를 조절하는 방식으로 파장을 선택하게 되는데, 반사되는 회절판(13)의 위치가 고정되어 있으므로 입사광 위치와 출력광 경로가 변화되지 않는 장점이 있다. 하지만, 입력광을 100% 반사하지 못하는 회절판(13)을 이용하여 광을 복수로 반사시킬 뿐만 아니라 파장 별로 달라지는 반사 효율을 보상할 수 없어 효율이 크게 낮으며 그로 인해 선택 가능한 파장의 폭이 좁아진다. 즉, 넓은 파장을 제공하기 위해서는 일부 파장 영역이 중첩되는 많은 수의 레이저 다이오드가 필요하게 되어 비용이 증가하고, 파장 선택시 레이저 다이오드를 교체하는 주기가 짧아져 동작 시간이 길어지게 된다. 또한, 광 경로가 고정되는 반사 회절판(13)에 의해 제한되기 때문에 광 경로 선택이 제한되며 이를 변경하기 위해서는 추가적인 거울 구조물이 더 필요하여 부피가 증가하게 된다.

따라서, 광 경로 설계가 자유로우면서도 파장 선택에 따른 광 경로 변화가 없고, 출력 효율이 높으면서도 파장 선택 정밀도가 높으며, 파장 선택에 필요한 제어도 간단하고 구성 부피도 작은 파장 가변 장치 및 그 방법에 대한 요구가 급증하고 있다.

상기와 같은 파장 가변 장치의 문제점을 해결하기 위해 새롭게 제안하는 본 발명 실시예들의 목적은 투과형 회절판의 최적 효율 회절각을 항상 유지하는 광경로가 구성되도록 회절판과 거울을 일체형으로 구성하고, 이러한 일체형 구성을 회전시켜 원하는 파장을 얻도록 함으로써, 간단한 조작을 통해서 고효율 파장 선택이 가능하도록 한 파장 가변 장치 및 그 방법을 제공하는 것이다.

본 발명 실시예들의 다른 목적은 투과형 회절판의 회절 격자 배치 각도를 선택하는 것으로 최적 효율을 유지한 상태로 원하는 광 경로를 설계할 수 있어 파장 가변 장치의 설계 자유도를 높이며 부피를 줄일 수 있도록 한 파장 가변 장치 및 그 방법을 제공하는 것이다.

본 발명 실시예들의 또 다른 목적은 파장에 따른 단일 각도 조정만으로 넓은 파장 대역에서 선택한 파장에 대한 효율이 항상 해당 파장의 최고 효율에 해당 되도록 자동 설정되는 파장 가변 장치 및 그 방법을 제공하는 것이다.

본 발명 실시예들의 또 다른 목적은 넓은 파장 대역에 대한 투과 효율이 높은 홀로그래픽 회절판(Volume Phase Holographic Grating)에 입사한 광의 입사 각도와 회절 격자의 배치 각도를 고려한 투과 광의 회절 각도가 최고 효율 각도가 되면서 핀홀에 수렴하도록 홀로그래픽 회절판과 거울을 고정 각도로 결합하여 단일 동작부 만으로 크기를 줄이면서도 효율과 파장 선택 정밀도를 높일 수 있도록 한 파장 가변 장치 및 그 방법을 제공하는 것이다.

본 발명 실시예들의 또 다른 목적은 파장 선택에 따른 최적의 효율을 유지하여 레이저 다이오드가 제공하는 대부분의 파장 대역에 대한 유효 출력이 가능하도록 하고, 상이한 파장 대역을 가지는 복수의 레이저 다이오드를 기계적 혹은 전기적으로 선택할 수 있도록 함으로써, 작은 수의 레이저 다이오드 구성으로 넓은 대역에 대한 정밀한 파장 선택이 가능하도록 한 파장 가변 장치 및 그 방법을 제공하는 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 파장 가변 장치는 일정한 파장 대역을 가지는 광원부와; 상기 광원부가 제공하는 광선을 격자 배치 각도에 따라 상이한 각도로 회절시키는 투과형 회절부와; 상기 투과형 회절부에 입사하는 광선의 각도와 상기 격자 배치 각도를 통해 얻어지는 최고효율 회절 각도로 진행하는 광선이 목표 광 경로를 지나도록 상기 투과형 회절부에 인접 배치되는 거울과; 상기 투과형 회절부와 거울의 배치 각도를 고정하면서 이들을 하나의 구조물로 결합하는 결합부와; 상기 결합부를 선택 파장에 대응시켜 회전시키는 구동부를 포함하여 이루어진다.

상기 최고효율 회절 각도는 상기 격자 배치 각도를 기준으로 상기 투과형 회절부의 입사광에 대칭되는 광선의 각도로서, 입사광의 각도와 동일한 각도일 수 있다.

상기 광원부는 상이한 파장 대역을 가지는 복수의 광원과 상기 광원 중 하나 를 기계적으로 선택하는 광원 선택부를 포함하여 이루어질 수 있다.

상기 광원부는 레이저 포인터이며, 상기 거울을 통해 반사된 광선 중 적어도 일부를 반사시켜 외부 캐비티를 설정하는 커플러를 더 포함할 수 있다.

상기 거울에 반사되는 광선을 집광하는 렌즈와; 상기 렌즈를 통해 집광된 광선 중 중심 위치의 파장만 투과되는 핀홀 렌즈를 더 포함할 수 있다.

상기 거울에 반사되는 광선을 일부 반사시켜 출력의 세기를 전기적 신호로 변환시키는 부분 반사 수단 및 모니터 수단을 더 포함할 수 있다.

상기 구동부는 상기 투과형 회절부의 회절축 연장선과 거울의 반사면 연장선이 만나는 지점을 중심으로 상기 투과형 회절부와 거울을 회전시킨다.

상기 광원부와 투과형 회절부 사이에는 광원에서 제공되는 광선을 원형으로 보정하는 형태 보정부 및 초점을 보정하기 위한 초점 보정부 중 적어도 하나를 더 구비할 수 있다.

상기 투과형 회절부는 홀로그래픽 회절판(Volume Phase Holographic Grating)으로 이루어지는 것이 바람직하다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 파장 가변 장치는 복수의 파장 대역을 가지는 광원부와; 상기 광원부가 제공하는 광선을 반사시키는 거울과; 상기 거울이 반사시키는 광선을 투과시키면서 격자 배치 각도에 따라 상이한 각도로 회절시키고, 상기 회절된 광선 중 최고효율 회절 각도로 진행하는 광선이 목표 광 경로로 진행하도록 상기 거울에 인접 배치되는 투과형 회절부와; 상기 거울과 투과형 회절부의 배치 각도를 고정하면서 이들을 하나의 구조물로 결합하는 결합부와; 상기 결합부를 선 택 파장에 대응시켜 회전시키는 구동부를 포함하여 이루어진다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따른 파장 가변 장치는 레이저 광원부와 외부 캐비티를 가지는 레이저 출력 구성을 포함하는 파장 가변 장치에 있어서, 입사되는 레이저 광선을 격자 배치 각도에 따라 투과 회절시키는 투과형 홀로그램 회절판과, 상기 격자 배치 각도를 기준으로 상기 투과형 홀로그램 회절판의 입사광의 입사각도에 대칭되는 회절 각도로 출력되는 광선이 출력 지점에 수렴하도록 광 경로를 결정하는 거울과, 상기 투과형 홀로그램 회절판과 거울이 고정 각도를 이루도록 배치 고정하는 결합부와, 상기 결합부를 회전시키는 구동부를 포함하여 이루어진 광학 캐비티를 포함하여 이루어진다.

상기 투과형 홀로그램 회절판과 거울은 광 경로에 따라 배치 순서가 역순이 될 수 있다.

상기 광 경로 상의 결합부 각도에 따라 선택된 파장만 상기 출력 지점에 수렴하면서 피드백되어 공진하고, 그 외의 파장은 발산 소실된다.

외부 제어 신호에 따라 결정된 파장 및 그에 따른 각도로 상기 구동부를 제어하는 제어부를 더 포함하여 이루어질 수 있다.

또한, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 파장 가변 방법은 결정된 광 경로에 따라 복수의 파장을 출력하는 레이저 광원부를 배치하는 단계와; 상기 레이저 광원부가 제공하는 광선을 격자 배치 각도에 따라 투과 회절시키는 투과형 회절부를 광 경로 상에 배치하고, 상기 격자 배치 각도를 기준으로 상기 투과형 홀로그램 회절판의 입사광의 입사각도에 대칭되는 회절 각도로 출력되는 광선이 출력 지점에 수 렴하도록 광 경로를 결정하는 거울을 배치하는 단계와; 원하는 파장을 선택하여 상기 격자의 간격을 고려한 광선의 상기 투과형 회절부 입사각을 구하는 단계와; 상기 입사각이 되도록 상기 투과형 회절부와 거울을 일체로 회전시키는 단계와; 상기 레이저 광원에서 출력된 파장 중 선택된 파장만 공진되면서 상기 출력 지점으로 출력되는 단계를 포함하여 이루어진다.

상기 투과형 회절부는 홀로그래픽 회절판(Volume Phase Holographic Grating)으로 이루어진 것이 바람직하다.

상기 회전시키는 단계는 상기 투과형 회절부의 회절축과 거울의 반사면이 연장되어 교차되는 지점을 중심으로 회전시키는 것을 특징으로 한다.

상기 투과형 회절부 입사각을 구하는 단계는 θ=sin^-1(λ/2d) 의 식을 이용하며, 여기서, θ는 회절부의 입사각이고, λ는 원하는 선택 파장이며, d는 격자의 간격이다.

본 발명의 실시예에 따른 파장 가변 장치 및 그 방법은 투과형 회절판의 최적 효율 반사각을 항상 유지하는 광경로가 구성되도록 회절판과 거울을 일체형으로 구성하고, 이러한 일체형 구성을 회전시켜 원하는 파장을 얻도록 함으로써, 조작 및 제어의 효율성과 정밀도를 높이며 비용을 줄일 수 있는 효과가 있다.

본 발명의 실시예에 따른 파장 가변 장치 및 그 방법은 투과형 회절판의 회 절 격자 배치 각도를 선택하는 것으로 최적 효율을 유지한 상태로 원하는 광 경로를 설계할 수 있어 파장 가변 장치의 설계 자유도를 높이며 부피를 줄일 수 있는 효과가 있다.

본 발명의 실시예에 따른 파장 가변 장치 및 그 방법은 파장에 따른 단순 연산으로 얻어진 단일 각도 조정만으로 넓은 파장 대역에서의 선택 파장에 대한 효율이 항상 해당 파장의 최고 효율에 해당 되도록 자동 설정되기 때문에 별도의 보정이나 조작 없이도 최상의 효율을 유지할 수 있는 효과가 있다.

본 발명의 실시예에 따른 파장 가변 장치 및 그 방법은 넓은 파장 대역에 대한 투과 효율이 높은 홀로그래픽 회절판(Volume Phase Holographic Grating)에 입사한 광의 입사 각도와 회절 격자의 배치 각도를 고려한 투과 광의 회절 각도가 최고 효율 각도가 되면서 핀홀에 수렴하도록 홀로그래픽 회절판과 거울을 고정 각도로 결합하여 동작부의 크기와 수를 줄여 비용 및 부피를 줄이면서도 효율과 파장 선택 정밀도를 높일 수 있는 효과가 있다.

본 발명의 실시예에 따른 파장 가변 장치 및 그 방법은 파장 선택에 따른 최적의 효율을 유지하여 레이저 다이오드가 제공하는 대부분의 파장 대역에 대한 유효 출력이 가능하도록 하고, 상이한 파장 대역을 가지는 복수의 레이저 다이오드를 기계적 혹은 전기적으로 선택할 수 있도록 함으로써, 광원 교체 없이 선택할 수 있는 파장의 수를 증가시켜 선택 속도를 높이고 작은 수의 레이저 다이오드 구성으로 넓은 대역에 대한 정밀한 파장 선택이 가능하도록 하여 비용과 크기를 줄일 수 있는 효과가 있다.

상기한 바와 같은 본 발명을 첨부된 도면들과 실시예들을 통해 상세히 설명하도록 한다.

도 3은 투과형 회절판의 구성을 보인 것으로, 도시된 회절판은 볼륨 위상 홀로그래픽 회절판(Volume Phase Holographic Grating, 이하 VPHG)으로, 광학적으로 의미가 있는 대부분의 파장 대역에 대해 높은 투과성을 보이는 회절판이다.

도시된 회절판은 투명한 전후면 투과판(21) 사이에 특정 파장의 진행 방향을 회절시키는 격자(22)가 배치된 구성으로 이루어져 있다.

상기 회절판은 입사되는 광을 회절시켜 소정의 범위로 왜곡 투과시키는 특징이 있으나, 이러한 왜곡 투과되는 광 중에서 입사각과 동일한 반사각으로 출력되는 광의 효율이 가장 높다. 즉, 회절판의 입사 위치에 수직한 가상의 수직선(점선)(즉, 회절축에 수직한 수직선)에 대한 입사광의 입사 각도(θ_i)와 대칭되는 투과광의 회절 각도(θ_d)로 출력되는 광의 효율이 투과되는 광들 중 가장 높은데, 이러한 최적 효율의 입사 각도와 그에 대칭되는 투과광 각도는 원하는 파장과 격자의 간격(d)에 따라 상이하므로 최적의 효율로 투과되어 회절되는 광을 얻기 위해서는 파장(λ)에 따른 최적 입사각과 그에 따른 투과광의 각도를 얻을 필요가 있다. 이는 다음의 수학식 1을 통해 얻어질 수 있다.

λ=d(sinθ_i + sinθ_d )

즉, 원하는 파장에 대한 최적의 입사 각도(θ_i)와 투과광의 회절 각도(θ_d)는 sin^-1(λ/2d)의 식을 이용하여 구할 수 있다. 여기서, 입사 각도와 투과광의 회절 각도는 동일하다. 한편, 상기 입사각과 회절 각도를 구하는 기준선은 격자(22)의 배치 각도를 기준으로 하며, 도시된 상태는 격자 배치 각도가 회절판에 수직한 상태이므로 수직선을 기준으로 하는 것임에 주의한다. 격자 배치 각도가 변하는 경우는 도 9를 설명하면서 다시 설명한다.

도 4는 본 발명 실시예에 따른 광학 캐비티의 구성을 포함하는 파장 가변 장치의 구성 예를 보인 것으로, 여기서는 활용도가 높은 레이저 발생 장치의 구성을 보인 것이다. 하지만, 본 발명은 다양한 광원과 활용을 통해 분광기나 단파장 검사기 등으로 이용될 수도 있음에 유의한다.

도시된 구성은 복수 파장의 레이저를 출력할 수 있는 레이저 다이오드(101), 상기 레이저 다이오드(101)의 출력 광을 평행하게 하는 시준 렌즈(102), 해당 시준 렌즈(102)를 통해 평행해진 광선이 회절되면서 투과되는 투과형 회절판(103), 해당 회절된 광을 광 경로 설정을 위해 반사시키는 거울(104), 상기 거울(104)이 반사시킨 광선을 집광하여 핀홀 렌즈(106)의 핀홀에 제공하는 렌즈(105)로 이루어진다. 여기에 임의의 파장을 선택적으로 공진시키기 위해 입사광의 일부를 반사시키는 커플러(107)가 더 구성된다.

상기 투과형 회절판(103)은 투과율이 높은 VPHG 인 것이 바람직하며, 상기 거울(104)은 은거울 혹은 유전체 거울인 것이 바람직하다. 그리고, 상기 투과형 회절판(103)과 거울(104)은 도시된 바와 같이 일측에서 서로 접촉되도록 구성될 수도 있으나, 광의 경로 상에 위치하면서 상호 고정된 각도를 유지할 수 있는 어떠한 배치도 가능하다.

한편, 상기 투과형 회절판(103)과 상기 거울(104)은 고정된 각도로 배치된 상태로 결합시켜 단일한 회전 구성 요소로 취급한다. 즉, 상기 투과형 회절판(103)이 회전하여 입사되는 광선으로부터 특정 파장을 선택할 경우 상기 거울(104)은 입사되는 광선의 입사각과 동일한 회절각으로 출력되는 상기 선택 파장의 광 경로가 상기핀홀 렌즈(106)의 핀홀이 되도록 한다. 이러한 구성을 통해 상기 입사되는 광선 중 선택된 파장의 광선은 상기 투과형 회절판(103)를 통해 회절될 때 가장 높은 효율의 회절 각도로 회절되며, 이렇게 회절된 광선은 상기 거울(104)을 통해 상기 핀홀 렌즈(106)에 제공된다. 상기 입사되는 광선의 입사각을 조절하는 것으로 원하는 파장을 선택할 수 있는데, 상기 거울(104)이 상기 투과형 회절판(103)과 고정 각도를 이룬 상태로 회전하기 때문에 모든 선택 파장의 광선은 항상 최고 효율 회절 각도로 회절되면서 핀홀을 통해 출력된다.

일반적으로, 레이저의 경우 도 5와 같은 스팩트럼 프로파일(점선)과 이득 프로파일(실선)을 가지게 되는데, 예를 들어 630-638nm의 파장 대역을 가지는 레이저의 경우 중심 파장 근처인 635nm에서 가장 큰 이득을 가지며, 그 외의 파장에서도 일정 수준 이상의 이득을 가진다.

만일 외부 캐비티가 없는 단순한 레이저 포인터의 경우 중심 파장 근처인 635nm에서 빛을 낸다. 하지만, 외부 캐비티가 존재하여 특정한 선택 파장을 일부 반사시켜 공진을 유도할 경우 일정 크기 이상의 이득을 가지는 주변 파장에서도 빛을 낼 수 있게 된다.

따라서, 외부 캐비티를 구성하고 특정한 파장을 선택하여 해당 파장이 출력 지점으로 방사되면서 일부 반사되도록 하면 선택된 파장의 레이저가 출력되는 파장 가변 장치를 구현할 수 있게 된다.

본 실시예에서는 이러한 외부 캐비티를 구성하는 핵심적인 광학 캐비티의 요소로서 도시된 투과형 회절판(103)과 거울(104)의 일체형 구성을 적용하며, 파장 선택을 위해 이러한 일체형 구성을 회전시켜 입사광의 각도를 결정할 수 있도록 한다. 앞서 설명한 바와 같이 상기 회절판(103)과 거울(104)이 이루는 각도는 입사광의 각도와 회절광의 각도가 동일하면서 거울에 반사된 광이 출력 지점으로 수렴되도록 하는 각도이므로 항상 가장 높은 효율을 유지할 수 있다.

도 6 내지 도 8은 도 4에 제시된 본 발명 일 실시예에 따른 파장 가변 레이저 출력 장치의 공진 방식과 파장 가변 방식을 좀더 상세히 설명하기 위한 것으로, 설명의 편의를 위해 도 5의 스팩트럼 프로파일 중 3개의 파장(λ₁, λ₂, λ₃)에 대해서만 살펴본다. 예를 들어, λ₁은 635nm, λ₂는 636nm, λ₃는 634nm로 가정하며, 투과형 회절판은 VPHG로서 그 격자의 배열은 1200lpmm(line per milimeter)(1mm 당 1200개)로 가정한다. 한편, 설명을 위해 도면의 일부를 과장하여 도시하였음에 주의한다.

도 6은 공진 방식을 설명하기 위한 것으로, 도시된 레이저 다이오드(101)는 좌측에 전반사 거울이 존재하고 우측에는 무반사 코팅된 부분 반사 거울이 존재하여 내부적인 공진 잡음이 없도록 한 것으로, 해당 레이저 다이오드(101)에서 출력되는 복수 파장의 광선들은 시준 렌즈(102)를 통해 평행광이 되어 투과형 회절판(103)과 거울(104)로 이루어진 파장 선택 수단에 입사되며, 해당 광은 투과에 따른 회절 및 반사에 의해 기 설정된 광 경로로 진행하다가 렌즈(105)를 통해 집중되어 핀홀 렌즈(106)의 핀홀에 수렴하게 되는데, 이러한 광 경로 상에 입사광의 일부를 반사시키는 커플러(107)를 배치하여 광의 일부를 다시 레이저 다이오드(101)로 피드백시켜 공진을 유도하며, 이러한 공진에 의해 원하는 파장의 이득이 점차 증가하여 해당 파장에서도 빛이 발생하게 된다. 이때 입사각과 같은 회절 각도를 가지는 선택된 파장(λ₁)의 광만 핀홀을 통해 출력되며, 그 외의 다른 파장(λ₂, λ₃)을 가지는 광은 핀홀을 통과하지 못하여 소실된다.

물론, 도시된 구성은 설명을 위해 구성 요소들을 단순화한 것이며, 추가로 광의 형태를 원형으로 보정하고 초점을 보정하기 위한 보정부, 정확한 공진을 위한 커플러 등이 구성될 수 있으나, 기본적인 원리는 유사하다.

도 7은 투과형 회절판(103)과 거울(104)의 배치와 광 경로의 배치 및 그 입사각 선택 방법에 관해 설명하기 위한 것이다.

앞서 가정한 수치를 통해 입사각(θ_i)과 회절각(θ_d)이 동일하면서 파장에 따른 최적 효율이 얻어지는 상기 입사각(θ_i)을 구해 본다. 우선 수학식 1을 통해 다음과 같은 등식이 성립하게 된다.

635nm = (1mm/1200)×2×sinθ

따라서, 635nm 파장에서 효율이 최대가 되는 입사각은 sin^-1(635×6×10^-4)로 구해보면 약 22.396°가 된다.

즉, 635nm 파장을 선택하고자 할 경우 투과형 회절판(103)을 회전시켜 입사광의 각도(θ_i)가 22.396°가 되도록 하고, 동일한 값의 회절 각도(θ_d)로 출력되는 광을 최대효율 회절각으로 간주한 후 해당 광이 핀홀 렌즈(106)의 핀홀에 수렴하도록 거울(104)과 투과형 회절판(130)을 배치하면 고정 각도(θ_f)가 얻어진다. 이러한 과정을 통해 초기 설계나 파장 선택이 이루어질 수 있다.

다시 말해서 초기 설계시 입사각과 회절각이 같은 파장의 입사광선이 출력 지점(핀홀)으로 수렴되도록 거울(104)의 배치 위치를 선택 고정할 수 있다.

도 8은 도 7을 통해 고정 배치된 투과형 회절판(103)과 거울(104)을 회전시켜 다른 파장을 선택하는 방법을 설명하기 위한 것으로, λ₂에 해당하는 636nm 파장을 선택하고자 할 경우, 입사각은 sin^{- 1}(636×6×10^-4)으로 얻어지는 바와 같이 약 22.433°가 되므로 회절판(103)과 거울(104)이 고정 각도로 결합된 결합 구성물을 제어 각도(θa)에 해당하는 약 0.037°만큼 회전축(P)을 기준으로 회전시키면 입사각이 22.433°이고 회절각이 22.433°일 때 최고 효율로 회절되는 636nm 파장이 핀홀로 출력된다. 상기 회전축은 회절판의 회절축과 거울면의 반사면의 연장선이 만 나는 지점이며, 도시된 접촉 구성에서는 회전축(P)의 지점이 된다.

만일, λ₃에 해당하는 634nm 파장을 선택하려면 입사각을 22.358°로 조절하면 된다.

즉, 회절판(103)과 거울(104)의 고정 각도 배치는 입사각과 회절각이 같은 광선을 출력 지점에 제공하는 광 경로를 설정하기 위한 것이고, 회절판(103)과 광원의 입사각 설정은 해당 입사각에 따라 선택된 파장의 광선을 상기 광 경로에 제공하기 위한 것이며, 이러한 구성에 의해 항상 선택된 파장의 광선에 대한 입사각과 회절각이 같아져 최적 효율이 유지되므로 최소의 부피와 단일 각도 조절만으로 원하는 파장의 광선만 선별하여 출력 지점에 최적 효율로 제공할 수 있게 된다.

도 9는 광 경로를 변화시킬 수 있는 투과형 회절판의 다른 구성을 보인 것으로, 도시한 바와 같이 회절판의 격자 배치 각도가 기울어져 구성된 경우의 회절 상태를 보인 것이다.

앞서 설명한 투과형 회절판과 일체형으로 결합되는 거울의 배치 각도는 출력 지점으로 선택된 파장의 최적 효율 회절각 출력을 수렴시키기 위한 광 경로 설정을 위한 것이나, 거울의 반사 범위가 제한되어 있고 반사 각도에 따라 광의 형태가 변화되거나 상이한 파장들의 밀집도가 변화될 수 있기 때문에 실질적으로 원하는 경로를 선택하기 어려울 수 있다. 다시 말해서 입사광을 진행 방향 그대로 출력할 수도 있고, 광 경로를 조절하여 입사광에 수직하게 광선을 출력할 수도 있는 등 레이저 장치의 구성과 크기, 용도 등에 따라 다양한 광 경로를 설계할 필요성이 있으나 단순한 거울만으로는 고정밀 파장 선택이 어렵거나 경로 선택에 제한이 발생한다. 이를 해결하기 위해서 격자의 배치 각도를 조절한 투과형 회절판을 이용하면 광 경로 선택의 제한이 추가적인 광소자(거울 등) 없이도 크게 완화될 수 있다.

도시된 바와 같이 격자를 회절판의 길이 방향 중심선(점선)을 기준으로 β만큼 기울여 배치할 경우 입사 각도(θ_i)와 회절 각도(θ_d)는 상기 격자의 배치 각도를 기준(기울어진 점선)으로 산출된다. 이러한 경우에도 앞서 설명한 수학식 1의 관계는 동일하게 유지되므로 격자의 기울어진 각도를 기준으로 고려해 주기만 하면 된다.

즉, 상기 회절 각도(θ_d)는 상기 입사 각도(θ_i)와 동일할 경우 최적 효율 회절각이 되므로, 격자 배치 각도를 기준으로 입사 각도에 대칭되는 회절 각도를 광 경로 설정을 위한 거울의 배치 각도를 결정하는데 활용하며, 파장 선택을 위한 입사각 선택은 기존의 공식을 그대로 활용한다.

도 10과 도 11은 투과형 회절판과 거울의 광 경로 설정 방식을 보인 것으로 도 10과 같은 구성은 투과형 회절판(210)과 거울(220) 사이의 각도(θ_f)를 둔각으로 설정할 수 있고, 도 11과 같은 구성은 투과형 회절판(230)과 거울(240) 사이의 각도를 예각으로 설정한 경우이다. 즉, 도 12와 같이 회절판의 격자 배치와 거울의 각도를 조절하여 회절판과 거울이 결합된 단일 구성 요소(회절부(250))만으로 최적의 효율과 파장 선택 정밀도를 유지하면서도 넓은 범위(w)에서 자유로운 광 경로 설계가 가능하다. 따라서, 파장 변환 장치를 원하는 형태와 크기로 구성할 수 있고 필요에 따라 광원과 출력을 배치할 수 있게 된다.

도 13 및 도 14는 투과형 회절판과 거울의 실질적인 배치와 구성의 예를 보인 것으로, 도 13은 투과형 회절판(261)과 거울(262)을 단일 몸체의 결합부(263)에 고정시키고, 상기 결합부(263)를 회전부(264)를 통해 회전시키도록 구성한 것이다. 상기 결합부(263)에서 회전 축은 투과형 회절판(261)의 회절 축과 거울(262)의 반사면이 연장되어 만나는 점(도시된 구성에서는 접촉 지점)이 되며, 상기 회전부(264)는 정밀한 회전이 가능하도록 구성되어야 한다. 경우에 따라서, 상기 회전 축의 위치를 달리 설정(회절판의 입사 지점 등)할 수도 있음에 주의한다. 도 14는 판형이 아닌 원형으로 투과형 회절판(271)과 거울(272)을 결합부(273)에 배치한 구성을 보인 것으로 광원이 입사되는 영역과 광 경로를 결정하기 위한 영역이 크지 않기 때문에 상기 투과형 회절판(271)과 거울(272) 및 결합부(273)의 크기는 소형화 될 수 있다.

도 15는 앞서 설명한 구성을 이용하여 실질적인 제어가 가능하도록 한 것으로, 도시한 바와 같이 레이저 다이오드(300)와 시준 렌즈(301) 다음에 평행광의 형태를 보정하는 형태 보정부와 초점을 보정하는 초점 보정부 중 하나 이상으로 된 보정부(307)가 구비되고, 상기 보정부(307)를 통과한 광선이 투과형 회절판과 거울로 된 회절부(302)를 지나 커플러(306)를 통과하면서 일부가 반사되어 선택 파장이 공진되며, 커플러(306)를 통과한 광선이 렌즈(303)를 통해 집중되어 핀홀 렌즈(305)의 핀홀에 수렴한다. 여기서, 상기 렌즈(303)를 통과한 광선의 일부를 상기 광 경로 외부로 반사키는 부분 반사 거울(305)과 상기 부분 반사된 광선의 출력을 전기 신호로 변환하는 모니터부(304)가 더 구성된다. 한편, 상기 회절부(302)를 회전시키는 회절판 구동부(312)와 레이저 다이오드(300)를 구동시키는 레이저 구동부(313) 및 외부 제어 신호에 따른 각도로 상기 회절판 구동부(312)를 제어하고 상기 모니터부(304)의 출력과 상기 외부 제어 신호에 따른 출력 세기를 비교하여 레이저 구동부(313)가 제공하는 전류의 크기를 제어하는 제어부(310)가 더 구성될 수 있다.

상기 구성을 통해 외부 제어 신호에 따라 원하는 파장을 원하는 출력 세기로 선택하여 출력할 수 있게 된다. 물론, 보다 정밀한 제어를 위해서 추가적인 구성이 더 부가될 수 있고, 온도를 유지하기 위한 수단도 구성될 수 있다.

도 16과 도 17은 파장의 선택 폭을 넓히기 위하여 복수의 레이저 광원들을 전기적 또는 기계적으로 선택하기 위한 구성을 보인 것으로, 도 16은 복수의 레이저 광원들(401, 402, 403)이 밀집 배치하고 각 레이저 광원들이 동일한 지점에서 투과형 회절판(410)에 입사되도록 한 후 필요한 파장을 제공할 수 있는 광원만 선택적으로 구동시키는 방식(Spectral combining)을 보인 것이다.

도 17은 기계식으로 복수의 레이저 광원들을 파장 대역별로 순차 배치한 후 원하는 파장을 제공할 수 있는 레이저 광원을 광원 제공 위치에 배치할 수 있도록 구성한 것이다. 도 17a는 리볼버 형태(420)로 광원들(421)을 구성한 예이고, 도 17b는 리니어 형태(430)로 광원들(431)을 구성한 예이다.

상기와 같은 기계식 구성을 도 15의 구성에서 제어부가 선택 파장에 따라 선별 제어하여 필요한 레이저 광원을 자동적으로 선택 배치할 수 있다.

도 18은 투과형 회절판(452)과 거울(451)의 배치를 광 경로를 기준으로 역순으로 배치한 경우를 보인 것으로, 도시한 바와 같이 이러한 배치를 통해서도 앞서 설명한 순방향 배치와 동일한 효과를 얻을 수 있어 배치의 순서는 자유롭게 변경될 수 있다.

도 19는 투과형 회절판을 이용할 경우의 파장별 효율을 나타낸 것으로, 입사각을 고정시키고 파장을 가변하면서 측정한 효율을 나타낸 것으로 각 포물선이 하나의 고정 입사각에서 측정한 파장별 효율의 값을 의미한다. 도시한 바와 같이, 투과형 회절판의 입사 각도가 파장과 대응되지 않을 경우 효율의 급격한 하락을 보이기 때문에 투과형 회절판을 이용할 경우 파장별 입사각을 제어하고, 그에 따라 달라지는 회절각에 대한 광 경로 설정을 제어해 줄 필요성이 있음을 알 수 있다. 즉, 효과적인 파장 가변을 위해서는 2단계의 제어가 필요함을 보인 그래프이다.

도 20은 본 발명 실시예에 따른 광학 캐비티의 효율을 보인 것으로, 도시한 바와 같이 설계시 최적 효율의 회절각도로 광 경로를 구성하고 선택 파장에 대해서 해당 최적 환경이 자동적으로 제공되도록 동작하기 때문에 단일 제어만으로도 모든 파장에 대해서 파장별 최대효율을 얻을 수 있게 된다.

이상에서는 본 발명에서 특정의 바람직한 실시예들에 대하여 도시하고 또한 설명하였다. 그러나 본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 아니하며, 특허 청구의 범위에서 첨부하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능할 것이다.

도 1은 종래의 리트로우 캐비티 구성을 보인 개념도.

도 2는 종래의 리트만 캐비티 구성을 보인 개념도.

도 3은 투과형 회절판의 특성을 설명하기 위한 회절판 구성도.

도 4는 본 발명 실시예에 따른 기본 구성을 보인 구성도.

도 5는 레이저 다이오드의 스팩트럼 및 이득 프로파일을 보인 그래프도.

도 6은 본 발명 실시예에 따른 구성의 동작 방식을 설명하기 위한 동작 개념도.

도 7은 본 발명 실시예에 따른 구성의 광 경로 설정 방식을 설명하기 위한 동작 개념도.

도 8은 본 발명 실시예에 따른 구성의 파장 가변 방식을 설명하기 위한 동작 개념도.

도 9는 투과형 회절판의 회절 특성을 설명하기 위한 구성도.

도 10 및 도 11은 광 경로 설정 방식의 예를 보인 구성도.

도 12는 본 발명 실시예에 따른 광 경로 설정 범위를 보인 개념도.

도 13 및 도 14는 본 발명 실시예에 따른 광학 캐비티의 구성을 보인 사시도.

도 15는 본 발명 실시예에 따른 구성도.

도 16 및 도 17은 복수의 광원을 사용하기위한 배치 방식을 보인 예시도.

도 18은 광학 캐비티의 배치 순서를 달리한 예시도.

도 19는 일반적인 파장별 회절 효율을 보인 그래프도.

도 20은 본 발명 실시예에 따른 파장별 회절 효율을 보인 그래프도.

** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 **

101: 레이저 다이오드 102: 시준렌즈

103: 투과형 회절판 104: 거울

105: 렌즈 106: 핀홀 렌즈

107: 커플러 201, 203: 투명판

202: 격자 300: 레이저 다이오드

301: 시준렌즈 302: 회절부

303: 렌즈 304: 부분 반사 거울

305: 핀홀 렌즈 306: 커플러

307: 보정부 310: 제어부

311: 모니터부 312: 회절판 구동부

313: 레이저 구동부

Claims (1)

1. 일정한 파장 대역을 가지는 광원부와;

   상기 광원부가 제공하는 광선을 격자 배치 각도에 따라 상이한 각도로 회절시키는 투과형 회절부와;

   상기 투과형 회절부에 입사하는 광선의 각도와 상기 격자 배치 각도를 통해 얻어지는 최고효율 회절 각도로 진행하는 광선이 목표 광 경로를 지나도록 상기 투과형 회절부에 인접 배치되는 거울과;

   상기 투과형 회절부 및 거울을 하나의 구조물로 결합하는 결합부와;

   상기 결합부를 선택 파장에 대응시켜 회전시키는 구동부를 포함하는 것을 특징으로 하는 파장 가변 장치.

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