KR20140035944A - 광 도파로를 위한 커플링 장치 - Google Patents

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볼케르 신호프
크리스챤 베슬링
카이 울프 마르쿠스
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인제너릭 게엠베하
빔컨 게엠베하
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Abstract

광 도파로의 과열을 자동적으로 인식하기 위해서, 광 도파로(28)를 위한 커플링 장치(16)는 제 1 광 도파로(28)를 위한 광 도파로 연결부(26)를 포함한다. 본 발명에 따른 커플링 장치(16)는 레이저 광원(11)과 광 도파로 연결부(26) 사이의 빔 경로 내에 배열된 광 필터(20)를 포함하는데, 이것은 제 1 파장 범위(22) 또는 제 1 편광 방향의 광은 반사하고, 제 2 파장 범위(24) 또는 제 2 편광 방향의 광은 전송한다.

Description

광 도파로를 위한 커플링 장치{COUPLING DEVICE FOR A OPTICAL WAVEGUIDE}
본 발명은 광 도파로를 연관된 광 도파로 연결부에 연결하기 위한 커플링 장치(coupling device)에 관한 것이다.
커플링 장치는 레이저 광원에 의해 발생된 광을 추후 사용을 위해 광 도파로에 접속시킨다. 광 도파로는 예컨대 치료 혹은 진단 목적으로 레이저 광을 사람이나 동물의 몸에 도입하도록 되어 있는 카테터(catheter) 혹은 의료기 제품의 일부이다. 그렇지 않으면, 광 도파로는 재료 가공이나 전기 통신 및 정보 기술의 분야에서 정보를 전송하는데 이용될 수도 있다. 특히, 의료 기술에서 카테터로 이용될 때, 광 도파로는 사실상 과열(overheating)의 위험이 존재한다. 손상되거나 오염된 광 도파로를 이용하면, 코어의 한계점(breaking point)에서, 그리고/또는 광 도파로 섬유를 둘러싸는 클래딩(cladding)내에서 레이저 방사선(laser radiation)이 흡수된다. 이로 인해 광 섬유는 발열된다. 이러한 발열(heating)은 섬유 소재를 녹이거나 심지어는 섬유 소재를 증발시키기도 한다. 구체적으로, 섬유의 파손으로 인해, 예컨대 심장 카테터가 액체에 둘러싸여 있는 경우에는 증가된 레이저 광 흡수가 1000℃ 이상의 온도로 플라즈마 형성을 유도할 수 있다. 특히, 심장 카테터를 이용하면, 만약 과열이 있을 경우에 형성된 플라즈마로 인해 환자는 50%의 사망 위험도에 육박한다. 광 도파로의 과열은 전형적으로 광 도파 섬유의 파손으로 인한 결과이다.
본 발명의 목적은 사전 결정된 시간 내에 광 도파로의 과열을 검출하는 것이다.
본 발명의 커플링 장치는 청구항 제1항의 특징들로 정의된다.
그에 따르면, 커플링 장치는 커플링 장치는 레이저 광원과 광 도파로 연결부사이의 빔 경로에 배열된 굴절 필터(refractive filter) 혹은 회절 필터(diffractive filter)를 포함하되, 상기 필터는 제 1 파장 범위의 광 혹은 제 1 편광 방향의 광은 반사하고, 제 2 파장 범위의 광 혹은 제 2 편광 방향의 광은 전송한다. 광의 반사 혹은 전송은 파장 혹은 편광에 따라서 광 필터에서 영향을 받는다. 따라서, 커플링 장치에서, 광 도파로가 과열될 때 발생되는 열 방사(heat radiation) 혹은 플라즈마인 경우에 발생되는 가시광의 파장 범위에서 백색광(white light)은 레이저 광의 빔 경로와는 상이한 빔 경로를 따라 필터로 인도될 수 있다. 그러므로, 본 발명의 기본적인 사상은, 도파로 과열의 경우에 발생되는 방사를 별도로 검출하여 그것을 도파로 과열의 표시(indication)로 인식하기 위해, 레이저 광 및 열 방사/백색광(이후부터 신호 방사(signal radization)로 칭함)와 관련해서 파장 종속적인(wavelength-dependent) 빔 경로의 분리 및/또는 편광 종속적인(polariation-dependent) 빔 경로의 분리를 제공한다.
이 시점에서, 일반적으로 광 필터는 유전체 거울(dielectric mirror)로 설계되어, 레이저 광을 광 도파로 연결부로 예컨대 90°각도로 반사하는 반면에, 과열 동안 발생되어 도파로에 의해 상기 광 필터로 반사된 신호 방사는 광 필터를 통해 전송되어 광 도파로 연결부와 마주하는 광 필터의 한 편(side)에서 검출됨을 추측할 수 있을 것이다. 선택적으로, 광 필터는 레이저 광이 레이저 광원으로부터 광 필터를 통해 맞은편 광 도파로 연결부의 한 편으로 전송되도록 설계될 수 있는 반면에, 반사된 신호 방사는 광 도파로 연결부로부터 예컨대 90°각도 미만으로 거울에 반사된다. 광 필터는, 커플링 장치내에서 광 도파로에 접속되는 광의 빔 경로를 도파로 과열의 경우에 반사되는 신호 방사의 빔 경로와 분리하기 위해 파장 종속적인 반사 및 전송 또는 편광 종속적인 반사 및 전송을 수행하는 것이 필요하며, 따라서 반사된 신호 방사는 광 도파로 과열의 표시로서 별도로 검출될 수 있다.
선택적으로, 광 필터는 도파로로부터 반사된 신호 방사를 상이한 방향으로 회절시키거나 굴절시키는 회절성 반사(diffractive reflection) 또는 전송 그리드, 또는 분산 프리즘(dispersion prism)으로 설계될 수 있고, 따라서 신호 방사는 복수의 검출기의 공간적 분리(spatial separation)에 의해 스펙트럼으로 분해될 수 있다. 바람직하게는, 제 1 노출계 수단(light meter means)이 광 도파로 연결부로부터 광 필터를 경유해 제 1 노출계 수단으로까지 뻗어있는 빔 경로내에 배열되고, 따라서 과열의 경우에 발생되어 반사된 신호 방사는 제 1 노출계 수단에 의해 측정될 수 있다. 바람직하게는, 제 1 노출계 수단이 광 필터와 마주하는 광 도파로 연결부의 한 편에 배열되고, 이때 광 필터는 반사된 신호 방사를 전송하며 레이저 광원으로부터 광 도파로 연결부로 레이저 광을 반사한다.
선택적으로 또는 추가적으로, 레이저 광원과 광 필터 사이의 도파로내의 케이블 파손이나 과열을 검출하기 위해 제 2 노출계 수단이 레이저 광원으로부터 광 필터를 경유해 제 2 노출계 수단으로 뻗어 있는 빔 경로내에 배열될 수 있다. 이때, 예컨대 측정 결과를 손상시킬 수 있는 레이저 광의 잡음 부분을 검출하지 않으면서 섬유 과열의 경우에 오로지 신호 방사만을 측정하기 위해 제 1 노출계 수단 및/또는 제 2 노출계 수단은 각각 제 1 또는 제 2 파장 범위내의 광 출력을 측정하도록 설계되어야 한다.
제 1 및/또는 제 2 노출계 수단은 바람직하게는 광 필터와 함께 포토다이오드(photodiode)를 포함하되, 포토다이오드와 광 필터 사이에는 빔 경로가 형성되고, 이때 광 필터는 오로지 한 파장 범위의 광만을 통과시키고 다른 파장 범위의 광은 차단한다. 선택적으로, 노출계 수단은 또한 한 줄(row)로 배열된 복수의 광 센서를 갖는 검출 셀(detector cell)일 수 있다.
광 필터에 의해 반사되는 제 1 파장 범위는 바람직하게는 가시광 범위 외부의 적어도 하나의 레이저 광원의 파장 범위를 포함하고, 따라서 어떠한 가시 신호 방사는 포함됨이 없이 오로지 레이저 광만이 광 필터에 의해 반사된다. 제 1 파장 범위는 800nm를 초과하는 적외선 범위내인 반면, 제 2 파장 범위는 특히 800nm 미만의 가시광의 파장 범위이다. 따라서, 광 필터는 섬유 파손으로 인한 과열의 경우에 발생되는 신호 방사만을 백색광의 형태로 전송하는 반면, 레이저 광원으로부터의 레이저 광은 전송되지 않는다. 전송된 신호 방사는 노출계 수단 중 하나에 의해 검출된다. 노출계 수단 중 하나가 신호를 검출하는 즉시, 비상 정지 기능(emergency stop function)이 활성화되어, 도파로가 과열될 때 수 초내에 레이저 광원이 비활성화(deactivation)되게 하여 환자의 건강상 위험을 방지한다.
광 필터는 제 1 파장 범위, 즉, 레이저 광의 광 출력의 일부를 반사할 수 있으며, 이 광 출력의 일부를 전송할 수 있다. 예를 들어, 반사된 레이저 광 부분은 레이저 광원에서 광 도파로 연결부로 향할 수 있는 반면, 다른 부분은 두 개의 노출계 수단 중 하나를 향해 전송되어, 측정된 광 출력으로부터 레이저 광원과 광 필터 사이의 공급 빔 경로에 대한 손상이 즉각적으로 검출된다.
광 도파로 연결부뿐만 아니라, 커플링 장치는 바람직하게는 외부 레이저 광원의 레이저 광을 커플링 장치로 공급하기 위해 제 2 광 도파로가 연결될 수 있는 도파로 입력을 더 포함한다.
레이저 광 또는 신호 방사를 결속(bundling)한 번들링 광학장치(bundling optics)가 제 2 도파로와 광 필터 사이, 광 필터와 제 1 도파로 사이, 광 필터와 제 1 노출계 사이 및/또는 광 필터와 제 2 노출계 사이에 제공될 수 있다.
이후부터 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들이 더 상세히 설명된다.
도 1은 제 1 실시예의 개략적인 예시도이다.
도 2는 제 1 및 제 2 파장 범위의 파장 성분을 포함하는 도표이다.
도 3은 제 1 실시예의 간략한 예시도이다.
도 4는 도 3의 예시도에 대응하는 제 2 실시예의 도시도이다.
도 5는 도 3의 예시도에 대응하는 제 3 실시예의 도시도이다.
도 6는 도 3의 예시도에 대응하는 제 4 실시예의 도시도이다.
도 7은 다른 실시예의 상세 예시도이다.
도 1은 레이저 광을 발생하기 위해 레이저 다이오드 형태의 레이저 광원(11)을 포함하는 종래의 설계의 레이저 장치(10)를 예시한다. 이 레이저 광은 380-780nm의 가시광의 파장 범위 외부의 약 980nm의 동작 파장을 갖는다. 발생된 레이저 광은 제 2 광 도파로(12)에 접속되고, 도파로 유입구(14)를 통해 본 발명의 커플링 장치(16)로 접속된다. 내부로 접속된 레이저 광은 번들링 광학장치(18)를 통해 광 필터(20)로 향하는데, 이때 필터는 도파로 유입구(14)로부터 광 필터(20)의 빔 경로내에 레이저 광의 전파에 대해 약 45°의 경사로 배열된다.
광 필터(20)는 850nm를 넘는 제 1 파장 범위(22)내의 광을 반사하는 반면, 850nm보다 작은 제 2 파장 범위(24)의 광은 전송한다. 따라서, 커플링 장치내에 접속된 980nm의 파장을 갖는 레이저 광은 광 필터에 의해 광 도파로 연결부(26)를 향해 90°로 반사되고, 광 도파로 연결부(26)를 통해 제 1 광 도파로(28)로 접속된다. 광 도파로(28)는 심장내과(cardiology)에서 적용되는 경우에 심장 기능부전(cardiac insuffi는 ciency) 또는 심근이나 심장 리듬의 교란(disturbances)을 치료하기 위해 약 40W의 전형적인 출력을 갖는 레이저 광을 심근(heart muscle)의 질병 부위로 쏘는 레이저 심장 카테터이다. 도파로 파손 혹은 복수의 도파로 섬유의 파손인 경우, 에너지는 파손 위치(breakage site)에서 열로 변환된다. 환자의 혈액으로 채워진 심장이나 혈관계(vascular system)에서 이용되는 경우, 1000℃를 넘는 최종 온도는 플라즈마를 일으키고 백색광의 형태로 신호 방사를 발생하게 한다. 레이저 광과 신호 방사(혹은 백색광) 사이의 차이는 오직 파장에 따른 것이거나, 또는 만약 적용 가능하다면, 편광에 따른 것이므로, 출력과는 무관하다. 그럼으로써, 레이저 광에 비해 상당히 낮은 출력을 갖는 신호 방사를 검출하는 것도 가능하고, 이러한 신호 방사는 광 도파로(28)를 통해 광 도파로 연결부(26)로 되돌아 간다.
광 도파로 연결부(26)에 의해 반사된 백색광은 광 도파로 연결부(26)와 광 필터(20)사이의 번들링 광학장치(30)를 통해 광 필터(20)로 향하고, 광 도파로 연결부에 의해 도파로 유입구(14)로는 반사되지 않지만 제 1 노출계 수단(32)을 향해 전송된다. 백색광은 전송되지만 반사되지는 않는데, 그 이유는 최대 780nm인 그 파장이 거울(20)에 의해 전송되지만 반사되지는 않는 850nm 미만의 제 2 파장 범위(24)내에 있기 때문이다. 제 1 노출계 수단(32)은 광 필터(20)와 마주하는 광 도파로 연결부(26)의 한 편에 배열되어, 빔 경로가 광 도파로 연결부(26)에서 광 필터(20)를 통해 제 1 노출계 수단(32)의 포토다이오드에 이르는 직선 경로를 따르게 한다.
제 1 노출계 수단(32)은 또한 광 필터(20)와 제 1 노출계 수단(32)의 포토다이오드 사이에 광 필터를 더 구비한다. 이 광 필터는 가시광의 범위내의 통과대역을 갖는 대역 통과 필터이며, 따라서 900nm 초과의 파장을 갖는 가능한 레이저 광은 포토다이오드에 도달하지 못한다.
제 2 노출계 수단(34)은 필터(20)와 마주하는 광 도파로 유입구(14)의 한 편에 배열되고, 따라서 광 도파로 유입구(14)로부터의 광은 광 필터(20)를 통해 제 2 노출계 수단(34)의 포토다이오드에 도달한다. 그러므로, 인-커플링(in-coupling) 제 2 광 도파로(12) 내의 파손으로 인해 광 도파로 유입구(14)에 영향을 미치는 백색광은 광 필터(20)를 통해 전송될 수 있고, 제 2 노출계 수단(34)의 포토다이오드에 의해 측정될 수 있다. 더욱이, 광 필터(20)는 제 1 파장 범위(22)의 레이저 광의 약 99.99%가 반사되고 그 출력의 약 0.01%가 전송되도록 설계된다. 그러므로, 파손되지 않은 제 2 도파로(12)와 함께 정상 동작시, 제 2 노출계 수단(34)은 레이저 출력의 0.01%를 검출한다. 만약 예컨대 레이저 광원(11)의 결함이나 오작동 혹은 도파로 파손으로 인해 너무 작은 레이저 광이 커플링 장치(10)에 도달하게 되어 레이저 광 출력이 0.01%와 많이 다를 경우나 또는 레이저 광원(11)의 오작동으로 인해 접속된 레이저 광 출력이 환자를 위험하게 하는 범위를 초과하는 경우에는, 측정 신호는 레이저 광원을 비활성화시키기 위해 비상 정지 기능을 활성화시킬 수 있다.
도 2는 광 필터(20)에 의해 서로 분리된 두 개의 파장 범위(22, 24)를 예시한다. 레이저 광원(11)에 의해 발생된 레이저 광은 980nm의 레이저의 동작 파장의 범위내에서 표준화된 최대 1의 값을 갖는다. 광 필터(20)의 전송 곡선(점선으로 표시됨)으로 예시된 바와 같이, 980nm의 동작 파장을 갖는 레이저 광은 전송되지 않고 반사된다. 제 2 파장 범위(24)에서, 670nm 내지 750nm 사이의 범위내에 또다른 극대값(local maximum)을 볼 수 있다. 파장 성분은 도파로(28)의 파손에 의해 초래되는 가시광(백색광)의 범위내 신호 방사로부터 기인한다. 이러한 신호 방사의 파장 성분은, 도 2에서 전송된 파장 성분을 점선으로 겹쳐 표시한 것처럼 광 필터(20)에 의해 거의 완전히 전송되지만 반사되지는 않는다.
도 3은 제 1 실시예의 기본 원리를 간략화한 예시로서, 여기에서 레이저 광(빗금친 부분)은 광 도파로 유입구(14)로부터 광 도파로 연결부(26)로 대부분이 반사되고, 제 2 노출계 수단(34)을 향해서는 적은 부분만 전송된다. 광 필터(20)는 광 도파로(28)에서 반사된 신호 방사(점을 찍어 표시됨)를 광 도파로 연결부(26)에서 제 1 노출계 수단(32)으로 완벽하게 전송한다.
도 4에 예시된 제 2 실시예는 광 도파로 유입구(14)와 광 도파로 연결부(26)가 광 필터(20)와 관련해 마주하는 직선 경로를 따라 배열되어 있다는 점에서 도 3의 제 1 실시예와는 상이한데, 이때 제 1 파장 범위(22)의 광(레이저 광)의 주요 부분은 광 필터(20통해 광 도파로 연결부(26)를 향해 전송되고, 반면에 제 1 파장 범위(22)의 광 출력의 아주 작은 부분은 광 필터(20)에 의해 제 2 노출계 수단(34)으로 반사된다. 광 도파로(28)에서 반사된 신호 방사(점으로 표시됨)는 광 필터(20)에서 광 도파로 연결부(26)로부터 제 1 노출계 수단(32)으로 완전히 반사된다.
도 5에 예시된 제 3 실시예는 제 1 파장 범위(22)의 광 출력이 그 광 출력의 그 일부가 전송됨이 없이 광 필터(20)에서 광 도파로 유입구(14)로부터 광 도파로 연결부(26)로 완전히 반사된다는 점에서 도 3의 제 1 실시예와 상이하다. 제 1 노출계 수단(32)은 제공되지 않는다.
도 6에 예시된 제 4 실시예는 제 1 파장 범위(22)의 광 출력의 일부가 반사됨이 없이 제 1 파장 범위(22)의 광 출력(레이저 광) 그 전체가 광 도파로 유입구(14)로부터 광 필터(200를 통해 광 도파로 연결부(26)의 방향으로 전송된다는 점에서 도 4에 예시된 제 2 실시예와 상이하다. 제 2 노출계 수단934)은 제공되지 않는다.
도 1 내지 도 6의 보완으로서, 도 7은 회절 광 필터(20)를 포함하는 배열을 설명하며, 이때 신호 광(22)은 회절에 의해 상이한 부분 빔(24a, 24b, 24c)으로 스펙트럼적으로 분해되어, 노출계 수단(32a, 32b, 32c)으로 분산된다.

Claims (11)

  1. 제 1 광 도파로(28)를 위한 광 도파로 연결부(26)를 포함하는 광 도파로(28)용 커플링 장치(16)에 있어서,
    상기 커플링 장치(16)는 레이저 광원(11)과 광 도파로 연결부(26) 사이의 빔 경로 내에 배열된 광 필터(20) - 상기 광 필터는 제 1 파장 범위(22)의 광 또는 제 1 편광 방향의 광은 반사하고, 제 2 파장 범위(24)의 광 또는 제 2 편광 방향의 광은 전송함 - 를 포함하는
    커플링 장치(16).
  2. 제1항에 있어서,
    제 1 노출계 수단(a first light meter means)(32)이 상기 광 도파로 연결부(26)로부터 상기 광 필터(20)를 경유해 상기 제 1 노출계 수단(32)까지의 빔 경로 내에 배열되는
    커플링 장치(16).
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    제 2 노출계 수단(34)이 상기 레이저 광원(11)으로부터 상기 광 필터(20)를 경유해 상기 제 2 노출계 수단(34)까지의 빔 경로 내에 배열되는
    커플링 장치(16).
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    상기 제 1 노출계 수단(32) 및/또는 상기 제 2 노출계 수단(34)은 각각 상기 제 1 파장 범위(22)나 상기 제 2 파장 범위(24) 중 하나의 광의 출력을 측정하도록 설계되는
    커플링 장치(16).
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제 1 노출계 수단(32) 및/또는 상기 제 2 노출계 수단(34)은 각각 포토다이오드와 상기 광 필터(20) 사이의 빔 경로 내에 상기 포토다이오드 및 상기 광 필터를 포함하고, 상기 광 필터(20)는 하나의 파장 범위의 광만을 전송하는
    커플링 장치(16).
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 파장 범위(22)는 가시광의 범위밖에 있는 적어도 하나의 레이저 공급원의 파장 범위를 포함하고, 바람직하게는 800nm 초과의 적외선 파장 범위를 포함하는
    커플링 장치(16).
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 2 파장 범위(24)는 가시광의 파장 범위이고, 특히 800nm 미만의 파장 범위인
    커플링 장치(16).
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광 필터(20)는 상기 제 1 파장 범위(22)의 광 출력의 일부는 반사하고 상기 제 1 파장 범위(22)의 상기 광 출력의 일부는 전송하는
    커플링 장치(16).
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광 필터(20)와 상기 제 1 도파로(28) 사이, 상기 광 필터(20)와 상기 제 2 도파로(12) 사이, 상기 광 필터(20)와 상기 제 1 노출계 수단(32) 사이 및/또는 상기 광 필터와 상기 제 2 노출계 수단(34) 사이에 광 번들링 광학장치(light bundling optics)(18, 30)가 제공되는
    커플링 장치(16).
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 커플링 장치는 제 2 광 도파로(12)를 위한 광 도파로 유입구(optical waveguide inlet)(14)를 포함하고, 상기 광 필터(20)는 상기 광 도파로 유입구(14)와 상기 광 도파로 연결부(26) 사이의 빔 경로 내에 배열되는
    커플링 장치(16).
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 커플링 장치는 신호 광(signal light)에 대해, 상기 신호 광을 상이한 광 노출 수단으로 스펙트럼적으로 분산시키는 회절 필터(diffractive filter) 또는 분산 필터(dispersive filter)를 포함하는
    커플링 장치(16).
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