KR20220082268A - 광 도파로 기반 분광기 - Google Patents

광 도파로 기반 분광기 Download PDF

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KR20220082268A
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서홍석
이종무
송동훈
허철
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한국전자통신연구원
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Abstract

본 발명은 기판, 상기 기판 상에 제공되며, 상기 기판의 상면과 이격되는 광원, 상기 광원으로부터 방출된 광이 입력되는 입력부, 상기 입력부와 연결되는 제1 광 도파로, 상기 제1 광 도파로와 동일한 평면 상에 제공되고, 상기 제1 광 도파로와 연결되는 제2 광 도파로, 상기 제2 광 도파로의 단부와 인접하는 수광부, 및 상기 수광부와 연결되는 분석부를 포함하되, 상기 제2 광 도파로의 폭은 상기 제1 광 도파로의 폭보다 큰 광 도파로 기반 분광기를 제공한다.

Description

광 도파로 기반 분광기{SPECTROMETER BASED ON OPTICAL WAVEGUIDE}
본 발명은 광 도파로 기반 분광기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 단일 모드 광 도파로 및 다중 모드 광 도파로를 포함하는 광 도파로 기반 분광기에 관한 것이다.
분광기는 자외선, 가시광선 및/또는 적외선 대역의 빛을 분산시켜서 파장 별 분포를 측정하는 장치로, 측정 대상의 종류 및 농도 정보 등을 검출할 수 있다. 일반적으로, 광통신 분야에서 측정 대상의 분석을 위해 그레이팅 기반 고 분해능 분광기를 사용하고 있다. 이러한 분광기는 하나의 디텍터, 그레이팅 및 슬릿을 포함하며, 내부에서 그레이팅이 움직이면서 파장에 따라 분산된 빛이 디텍터에 들어가도록 구성되어 있다. 이때, 디텍터는 가시광 인식용 또는 적외선 인식용 등으로 구분될 수 있다.
최근에는 CCD를 사용하여 가격이 저렴하고 크기가 작은 소형 분광기에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 소형 분광기는 비파괴 및 비침습 분석이 가능하기 때문에 제약, 의료, 반도체, 환경 분야 등에서 광범위하게 사용될 수 있다.
본 발명은 가격이 저렴하고 크기가 작은 광 도파로 기반 분광기를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 광 도파로 기반 분광기는 기판, 상기 기판 상에 제공되며, 상기 기판의 상면과 이격되는 광원, 상기 광원으로부터 방출된 광이 입력되는 입력부, 상기 입력부와 연결되는 제1 광 도파로, 상기 제1 광 도파로와 동일한 평면 상에 제공되고, 상기 제1 광 도파로와 연결되는 제2 광 도파로, 상기 제2 광 도파로의 단부와 인접하는 수광부, 및 상기 수광부와 연결되는 분석부를 포함하되, 상기 제2 광 도파로의 폭은 상기 제1 광 도파로의 폭보다 클 수 있다.
상기 입력부는 제1 구조체 및 제2 구조체를 포함하고, 상기 제1 구조체는 상기 광원과 상기 제2 구조체 사이에 제공되고, 상기 제1 구조체는 렌즈 또는 광섬유 어댑터(fiber adaptor) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 제2 구조체는 그레이팅 커플러이고, 상기 그레이팅 커플러는 상기 제1 광 도파로와 연결될 수 있다.
상기 그레이팅 커플러는 소정의 간격으로 제공되는 리세스들에 의해 정의되는 격자 구조를 포함하고, 상기 격자 구조로부터 상기 제1 광 도파로로 갈수록 폭이 감소할 수 있다.
상기 제2 구조체는 경사면을 갖는 미러이고, 상기 미러는 상기 제1 광 도파로와 서로 이격될 수 있다.
상기 미러의 상기 경사면은 오목한(concave) 곡면 형상을 갖고, 상기 제1 구조체는 상기 광섬유 어댑터를 포함할 수 있다.
상기 미러의 상기 경사면은 상기 기판의 상면과 일정한 각도를 이루는 평면 형상을 갖고, 상기 제1 구조체는 상기 광섬유 어댑터 및 상기 광섬유 어댑터와 상기 미러 사이의 상기 렌즈를 포함할 수 있다.
상기 미러의 상기 경사면과 상기 제1 광 도파로 사이의 공간을 채우는 투명 수지를 더 포함할 수 있다.
상기 제1 광 도파로의 두께는 상기 제2 광 도파로의 두께와 동일할 수 있다.
상기 수광부는 카메라 및 상기 카메라와 상기 제2 광 도파로 사이의 집속 장치를 포함하고, 상기 카메라는 1차원 CCD 카메라일 수 있다.
상기 분석부는 합성곱 신경망(convolutional neural network; CNN)을 통해 상기 카메라에서 촬영된 간섭 무늬로부터 광의 특성을 계산 및 분석할 수 있다.
상기 입력부는 하나의 제1 구조체 및 복수의 제2 구조체들을 포함하고, 상기 제1 구조체는 상기 광원과 상기 제2 구조체들 사이에 제공되고, 상기 제1 구조체는 상기 제2 구조체들 각각에 상기 광원으로부터의 광이 전달되도록 구성될 수 있다.
상기 광원은 복수로 제공되고, 상기 입력부는 복수의 제1 구조체들 및 복수의 제2 구조체들을 포함하고, 상기 제1 구조체들은 상기 광원들 각각과 상기 제2 구조체들 각각의 사이에 제공되고, 상기 제1 구조체들 각각은 상기 제2 구조체들 각각에 상기 광원들로부터의 광이 전달되도록 구성될 수 있다.
상기 광원들은 각각 서로 다른 파장 밴드 대역을 가질 수 있다.
상기 제2 구조체들은 각각 서로 다른 투과 파장 대역을 갖고, 해당 파장 대역의 광만을 각각에 연결되는 상기 제1 광도파로로 전달할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 광 도파로 기반 분광기는 기판, 상기 기판 상에 제공되며, 상기 기판의 상면과 이격되는 광원, 상기 광원으로부터 방출된 광이 입력되는 입력부, 상기 입력부와 연결되며, 광의 파장 대역 중 단일 모드만을 투과시키는 제1 광 도파로, 상기 제1 광 도파로와 동일한 평면 상에 제공되고, 상기 제1 광 도파로와 연결되는 제2 광 도파로, 상기 제2 광 도파로의 단부로부터 방출되는 광이 전달되며, 광의 간섭 무늬를 촬영하는 수광부, 및 상기 수광부와 연결되며, 상기 수광부에서 촬영된 간섭 무늬로부터 광의 특성을 계산 및 분석하는 분석부를 포함하되, 상기 제2 광 도파로는 상기 입력부의 주변을 둘러싸고 여러 바퀴 회전하도록 제공되고, 상기 제2 광 도파로의 내에서 진행하는 광은 수직 방향으로 단일 모드 특성을 갖고, 상기 수직 방향 및 광의 진행 방향과 직교하는 방향을 따라 다중 모드 특성을 가질 수 있다.
상기 입력부는 상기 광원으로부터 방출되는 광을 상기 기판 상으로 전달하는 제1 구조체, 및 상기 기판 상에 제공되며, 상기 제1 구조체로부터 전달된 광을 상기 제1 광 도파로로 전달하는 제2 구조체를 포함할 수 있다.
상기 제1 구조체는 렌즈 또는 광섬유 어댑터(fiber adaptor) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 제2 구조체는 상기 제1 구조체로부터 전달된 광의 특정 파장 대역만을 투과시키고, 상기 제2 구조체는 상기 제1 광 도파로와 연결될 수 있다.
상기 제2 구조체는 상기 제1 구조체로부터 전달된 광을 반사시켜 상기 제1 광 도파로로 입사시키고, 상기 제2 구조체는 상기 제1 광 도파로와 서로 이격될 수 있다.
상기 분석부는 딥 러닝 알고리즘을 통해 상기 수광부에서 촬영된 간섭 무늬로부터 광의 파장 특성을 계산 및 분석할 수 있다.
본 발명에 따른 광 도파로 기반 분광기는 일반적인 반도체 소자의 제조 공정을 통해 제작될 수 있어서 제작 과정이 용이하고, 제작 비용이 저렴할 수 있다.
본 발명에 따른 광 도파로 기반 분광기는 칩 형태 또는 기판 형태의 내부에서 동작하므로 외부 진동 및 온도에 둔감하고 안정적일 수 있다.
본 발명에 따른 광 도파로 기반 분광기는 실시간으로 입력되는 광원의 파장을 분석할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 광 도파로 기반 분광기를 설명하기 위한 평면도이다.
도 2는 본 발명의 실시예들에 따른 광 도파로 기반 분광기를 설명하기 위한 사시도로, 도 1의 A 부분에 대응된다.
도 3은 본 발명의 실시예들에 따른 광 도파로 기반 분광기를 설명하기 위한 평면도이다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 실시예들에 따른 광 도파로 기반 분광기를 설명하기 위한 단면도들로, 각각 도 3의 Ⅰ-Ⅰ' 선을 따라 자른 단면에 대응된다.
도 5 내지 도 8은 본 발명의 실시예들에 따른 광 도파로 기반 분광기를 설명하기 위한 평면도들이다.
본 발명의 구성 및 효과를 충분히 이해하기 위하여, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라, 여러 가지 형태로 구현될 수 있고 다양한 수정 및 변경을 가할 수 있다. 단지, 본 실시예의 설명을 통해 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것이다. 첨부된 도면에서 구성 요소들은 설명의 편의를 위하여 그 크기가 실제보다 확대하여 도시한 것이며, 각 구성 요소의 비율은 과장되거나 축소될 수 있다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예를 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 또한 본 명세서에서 사용되는 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 통상적으로 알려진 의미로 해석될 수 있다.
본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 ‘포함한다(comprises)’ 및/또는 ‘포함하는(comprising)’은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
본 명세서에서 어떤 층이 다른 층 '상(上)에' 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 층 상면에 직접 형성되거나 그들 사이에 제 3의 층이 개재될 수도 있다.
본 명세서에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 영역, 층 등을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 영역, 층이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 소정 영역 또는 층을 다른 영역 또는 층과 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 따라서, 어느 한 실시예에서 제1 부분으로 언급된 부분이 다른 실시예에서는 제2 부분으로 언급될 수도 있다. 여기에 설명되고 예시되는 실시예는 그것의 상보적인 실시예도 포함한다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명에 따른 광 도파로 기반 분광기의 실시예에 대하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 광 도파로 기반 분광기를 설명하기 위한 평면도이다. 도 2는 본 발명의 실시예들에 따른 광 도파로 기반 분광기를 설명하기 위한 사시도로, 도 1의 A 부분에 대응된다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 광 도파로 기반 분광기는 광원(10), 기판(100), 입력부(200), 제1 광 도파로(300), 제2 광 도파로(400), 수광부(500) 및 분석부(600)를 포함할 수 있다. 입력부(200) 및 제1 및 제2 광 도파로들(300, 400)은 기판(100) 상에 제공될 수 있다. 제1 및 제2 광 도파로들(300, 400)은 기판(100) 상의 동일 평면에 제공될 수 있다. 보다 구체적으로, 제1 및 제2 광 도파로들(300, 400)은 기판(100) 상에서 실질적으로 동일한 수직적 레벨에 위치할 수 있다. 입력부(200)는 제1 광 도파로(300)와 연결될 수 있고, 제1 광 도파로(300)는 제2 광 도파로(400)와 연결될 수 있다. 제1 광 도파로(300)는, 예를 들어, 단일 모드 광 도파로일 수 있고, 제2 광 도파로(400)는, 예를 들어, 다중 모드 광 도파로일 수 있다.
광원(10)은 기판(100) 상에 제공될 수 있고, 기판(100)의 상면과 이격될 수 있다. 광원(10)은 입력부(200)와 연결되거나, 입력부(200)로 분석 대상이 되는 광을 입사시키도록 구성될 수 있다. 광원(10)으로부터 입력부(200)로 진행하는 광은 입력부(200)의 상면에 대하여 미리 결정된(predetermined) 각도로 입사될 수 있고, 광원(10)은 미리 결정된 위치에 배치될 수 있다. 광원(10)의 위치 및 광원(10)으로부터 입력부(200)로 진행하는 광의 입력부(200)의 상면에 대한 각도는 광 손실이 최소화되도록 결정될 수 있다. 분석 대상이 되는 광은 측정 샘플로부터 반사된 광일 수 있다. 도시하지 않았으나, 광원(10)과 입력부(200) 사이에 소정의 광학 소자들이 제공될 수도 있다.
기판(100) 상에 제1 클래드층(110), 코어층(130) 및 제2 클래드층(150)이 제공될 수 있다. 기판(100)은, 예를 들어, 실리콘 기판일 수 있으나 이에 제한되지 않는다. 기판(100)의 상면은 제1 방향(D1) 및 제2 방향(D2)과 평행하고, 제3 방향(D3)과 직교할 수 있다. 제1 방향(D1), 제2 방향(D2) 및 제3 방향(D3)은 서로 직교하는 방향일 수 있다.
코어층(130)은 제1 및 제2 클래드층들(110, 150) 사이에 제공될 수 있다. 제1 및 제2 광 도파로들(300, 400)은 코어층(130)을 평면적 관점에서 도시한 것이다. 제1 및 제2 클래드층들(110, 150)은, 예를 들어, SiO2를 포함할 수 있고, 코어층(130)은, 예를 들어, SiON 또는 Si을 포함할 수 있다. 다만, 이는 예시적인 것일 뿐 본 발명은 이에 제한되지 않으며, 코어층(130)은 제1 및 제2 클래드층들(110, 150)보다 큰 굴절률을 갖는 물질을 포함할 수 있다. 코어층(130)의 굴절률이 높을수록 광 도파로 기반 분광기의 크기가 소형화될 수 있으나, 외부 환경에 더 민감해질 수 있다.
입력부(200)는 제1 광 도파로(300)와 연결되며, 제1 광 도파로(300)로 광 신호를 입력할 수 있다. 입력부(200)는 제1 구조체(210) 및 제2 구조체를 포함할 수 있다. 제1 구조체(210)는 광원(10)으로부터 방출되는 광을 기판(100) 상으로 전달할 수 있고, 제2 구조체는 기판(100) 상에 제공되며, 제1 구조체(210)로부터 전달된 광을 제1 광 도파로(300)로 전달할 수 있다.
제1 구조체(210)는, 예를 들어, 렌즈 또는 광섬유 어댑터(fiber adaptor)일 수 있다. 제2 구조체는, 예를 들어, 도 1 및 도 2를 참조하여 설명하는 그레이팅 커플러(grating coupler, 230) 또는 도 3 및 도 4a(또는 도 4b)를 참조하여 후술하는 경사면(SW)을 갖는 미러(250)일 수 있다. 이하에서, 도 1 및 도 2를 참조하여 제2 구조체가 그레이팅 커플러(230)인 경우에 대하여 설명한다.
제1 구조체(210)는 광원(10)으로부터 입사된 광을 그레이팅 커플러(230)로 전달할 수 있다. 그레이팅 커플러(230)는 제1 구조체(210)로부터 전달받은 광을 제1 광 도파로(300)로 전달할 수 있다.
제1 구조체(210)는, 렌즈일 경우, 광원(10)으로부터 입사된 광을 집속시킬 수 있다. 제1 구조체(210)는, 광섬유 어댑터일 경우, 그레이팅 커플러(230)와 직접 접촉하여 광을 전달할 수 있다. 광섬유 어댑터는, 예를 들어, FC/PC 커넥터일 수 있다.
제1 구조체(210)는 광이 기판(100)의 상면과 수직하게 또는 기판(100)의 상면과 90도보다 작은 소정의 각도를 이룬 채 그레이팅 커플러(230)로 전달되도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 제1 구조체(210)는, 렌즈일 경우, 중심축이 기판(100)의 상면과 수직하거나, 기판(100)의 상면과 90도보다 작은 소정의 각도를 이룰 수 있다.
그레이팅 커플러(230)는 코어층(130)으로부터 제3 방향(D3)으로 돌출된 격자 구조를 포함할 수 있다. 격자 구조는 소정의 간격(P)으로 제공되는 리세스들(RC)에 의해 정의될 수 있다. 격자 구조의 리세스들(RC)의 간격(P) 및 깊이(D)는 일정한 것으로 도시되었으나, 이는 예시적인 것일 뿐 본 발명은 이에 제한되지 않는다. 예를 들어, 격자 구조의 리세스들(RC)의 간격(P) 및 깊이(D)는 제1 방향(D1)으로 가면서 연속적으로 또는 불연속적으로 변할 수 있다. 그레이팅 커플러(230)의 제2 방향(D2)으로의 폭은 격자 구조에서 제1 광 도파로(300)로 갈수록 감소할 수 있다. 그레이팅 커플러(230)는 광을 파장 별로 분산시킬 수 있다. 그레이팅 커플러(230)는 다른 구조에 비해 커플링 효율이 높을 수 있다.
제1 광 도파로(300)는 일 단부에서 그레이팅 커플러(230)와 연결될 수 있고, 타 단부에서 제2 광 도파로(400)와 연결될 수 있다. 제2 광 도파로(400)는 일 단부에서 제1 광 도파로(300)와 연결될 수 있고, 타 단부에서 광을 방출할 수 있다. 제1 광 도파로(300)의 폭(W1)은 제2 광 도파로(400)의 폭(W2)보다 작을 수 있다. 제1 광 도파로(300)의 폭(W1) 및 제2 광 도파로(400)의 폭(W2)은 각각 일정한 것으로 도시되었으나 본 발명은 이에 제한되지 않는다.
도시되지 않았으나, 제1 광 도파로(300)에 해당하는 코어층(130)의 제3 방향(D3)으로의 두께는 제2 광 도파로(400)에 해당하는 코어층(130)의 제3 방향(D3)으로의 두께와 실질적으로 동일할 수 있다. 제1 광 도파로(300)의 폭(W1)과 제1 및 제2 광 도파로들(300, 400)에 해당하는 코어층(130)의 제3 방향(D3)으로의 두께는, 예를 들어, 약 0.1 ㎛ 내지 1 ㎛일 수 있다.
제1 및 제2 광 도파로들(300, 400)은, 예를 들어, 매립형 채널 광 도파로(buried channel waveguide), 리지 형 광 도파로(ridge waveguide), 립 형 광 도파로(rib waveguide) 및 스트립로드 형 광 도파로(strip-loaded waveguide) 중 어느 하나의 형상을 가질 수 있다.
제1 광 도파로(300)는 그레이팅 커플러(230)를 통해 입력되는 광의 파장 대역 중에서 단일 모드(single mode)만을 투과시킬 수 있다. 예를 들어, 제1 광 도파로(300)에 해당하는 코어층(130)이 SiON을 포함하고, 코어층(130)의 단면이 정사각형 형상을 가지며, 코어층(130)의 단면의 가로 길이 및 세로 길이가 약 0.4 ㎛인 경우, 약 0.6 ㎛보다 긴 파장을 갖는 대역에서 단일 모드를 형성할 수 있다. 또한, 예를 들어, 제1 광 도파로(300)에 해당하는 코어층(130)이 Si을 포함하고, 코어층(130)의 단면이 정사각형 형상을 가지며, 코어층(130)의 단면의 가로 길이 및 세로 길이가 약 0.25 ㎛인 경우, 약 1.3 ㎛보다 긴 파장을 갖는 대역에서 단일 모드를 형성할 수 있다.
또한, 제1 광 도파로(300)는 모드 필터링(mode filtering)을 통해 광원(10)으로부터 전달되는 광의 품질을 개선할 수 있고, 광의 스펙트럼의 분해능을 좋게 할 수 있다.
제1 광 도파로(300)에서 제2 광 도파로(400)로 진행하는 광은 제2 광 도파로(400) 내에서 다양한 경로들로 진행할 수 있고, 서로 다른 경로들로 진행하는 광들 사이의 간섭이 발생할 수 있다. 제2 광 도파로(400)는, 평면적 관점에서, 입력부(200)의 주변을 둘러싸고 여러 바퀴 회전하도록 제공될 수 있고, 제2 광 도파로(400)의 길이가 길수록 서로 다른 경로들로 진행하는 광들 사이의 간섭이 많이 발생할 수 있다.
광은 제2 광 도파로(400) 내에서 제3 방향(D3)을 따라 단일 모드 특성을 가질 수 있고, 후술하는 수광부(500)의 카메라(530)에 의해 촬영되는 간섭 무늬는 가로 방향으로 형성될 수 있다. 광이 제2 광 도파로(400) 내에서 제3 방향(D3)을 따라 단일 모드 특성을 갖는 것은 제1 광 도파로(300)에 해당하는 코어층(130)의 제3 방향(D3)으로의 두께가 제2 광 도파로(400)에 해당하는 코어층(130)의 제3 방향(D3)으로의 두께와 실질적으로 동일한 것에 기인할 수 있다. 광은 제2 광 도파로(400) 내에서 제3 방향(D3) 및 광의 진행 방향과 직교하는 방향을 따라 다중 모드 특성을 가질 수 있다.
제2 광 도파로(400)의 타 단부에서 방출된 광은 수광부(500)로 전달될 수 있다. 수광부(500)는 제2 광 도파로(400)의 타 단부와 인접할 수 있다. 수광부(500)는 집속 장치(510) 및 카메라(530)를 포함할 수 있다. 집속 장치(510)는, 예를 들어, 광을 집속하는 렌즈일 수 있다. 카메라(530)는, 예를 들어, CCD 카메라(charge-coupled device camera)일 수 있고, 보다 구체적으로 1차원 CCD 카메라일 수 있다.
집속 장치(510)는 제2 광 도파로(400)의 타 단부에서 방출되는 광이 카메라(530)의 렌즈로 입력될 수 있도록 광을 집속할 수 있다. 카메라(530)는 집속 장치(510)를 사이에 두고 기판(100) 및 제2 광 도파로(400)와 서로 이격될 수 있고, 제2 광 도파로(400)로부터 방출되는 광의 간섭 무늬를 촬영할 수 있다.
카메라(530)에서 촬영된 간섭 무늬는, 예를 들어, 광의 선폭이 좁을수록 선명할 수 있고, 광의 선폭이 넓을수록 스펙클(speckle)들의 크기가 크고 서로 엉킨 듯한 무늬를 가질 수 있다. 또한, 광의 파장이 달라지면 간섭 무늬의 패턴이 달라질 수 있다.
수광부(500)의 카메라(530)는 분석부(600)와 연결될 수 있다. 분석부(600)는 수광부(500)의 카메라(530)에서 촬영된 간섭 무늬로부터 광의 특성을 계산 및 분석할 수 있다. 예를 들어, 분석부(600)는 딥 러닝(deep learning) 알고리즘 중 하나인 합성곱 신경망(convolutional neural network; CNN)을 통해 광의 파장과 같은 특성을 역으로 계산할 수 있다.
본 발명에 따른 광 도파로 기반 분광기는 일반적인 반도체 소자의 제조 공정을 통해 일체로 제작될 수 있어서 제작 과정이 용이하고, 회절 격자 등 고가의 광학 소자들을 포함하지 않아서 제작 비용이 저렴할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 광 도파로 기반 분광기는 칩 형태 또는 기판 형태의 내부에서 동작하므로 광섬유 기반의 분광기에 비해 외부 진동 및 온도에 둔감하고 안정적일 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 광 도파로 기반 분광기는 실시간으로 입력되는 광원의 파장을 분석할 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예들에 따른 광 도파로 기반 분광기를 설명하기 위한 평면도이다. 도 4a 및 도 4b는 본 발명의 실시예들에 따른 광 도파로 기반 분광기를 설명하기 위한 단면도들로, 각각 도 3의 Ⅰ-Ⅰ' 선을 따라 자른 단면에 대응된다. 설명의 편의를 위하여, 앞서 도 1 및 도 2를 참조하여 설명한 것과 실질적으로 동일한 사항에 대한 설명을 생략하고, 차이점에 대하여 상세히 설명한다.
도 3 및 도 4a를 참조하면, 입력부(200)는 제1 구조체(210) 및 제2 구조체를 포함할 수 있다. 제2 구조체는, 예를 들어, 경사면(SW)을 갖는 미러(250)일 수 있다.
도 4a에 따른 단면적 관점에서, 미러(250)의 경사면(SW)은 오목한(concave) 곡면 형상을 가질 수 있고, 제1 광 도파로(300)의 측면과 서로 이격될 수 있다. 미러(250)의 경사면(SW)과 제1 광 도파로(300)의 측면 사이의 공간에 투명 수지(170)가 제공될 수 있다. 예를 들어, 투명 수지(170)는 제1 광 도파로(300)의 상면을 덮을 수도 있다.
미러(250)의 경사면(SW)이 오목한 곡면 형상을 갖는 경우, 제1 구조체(210)는 광섬유 어댑터(211)만을 포함할 수 있다. 광섬유 어댑터(211)의 단부에서 방출되는 광은 미러(250)의 경사면(SW)에서 반사되어 제1 광 도파로(300)의 코어층(130)으로 입사될 수 있다. 미러(250)는 광섬유 어댑터(211)의 단부에서 퍼져나가는 광을 집속시켜 제1 광 도파로(300)의 코어층(130)으로 입사되도록 할 수 있다. 미러(250)를 통해 제1 광 도파로(300)의 코어층(130)으로 입사되는 광은 밴드 폭(예를 들어, 100 nm 이상)이 넓을 수 있다.
한편, 도 4b에 따른 단면적 관점에서, 미러(250)의 경사면(SW)은 기판(100)의 상면과 일정한 각도를 이루는 평면 형상을 가질 수 있다. 설명의 편의를 위하여, 앞서 도 4a를 참조하여 설명한 것과 실질적으로 동일한 사항에 대한 설명을 생략하고, 차이점에 대하여 상세히 설명한다.
미러(250)의 경사면(SW)은 기판(100)의 상면과 약 40도 내지 50도, 보다 바람직하게는 약 45도의 각도를 이룰 수 있다. 미러(250)의 경사면(SW)이 평면 형상을 갖는 경우, 제1 구조체(210)는 광섬유 어댑터(211) 및 광섬유 어댑터(211)와 미러(250) 사이의 렌즈(213)를 포함할 수 있다. 광섬유 어댑터(211)의 단부에서 방출되는 광은 렌즈(213)에 의해 집속될 수 있고, 미러(250)의 경사면(SW)에서 반사되어 제1 광 도파로(300)의 코어층(130)으로 입사될 수 있다.
도 5 내지 도 8은 본 발명의 실시예들에 따른 광 도파로 기반 분광기를 설명하기 위한 평면도들이다. 설명의 편의를 위하여, 앞서 도 1 및 도 2를 참조하여 설명한 것과 실질적으로 동일한 사항에 대한 설명을 생략하고, 차이점에 대하여 상세히 설명한다.
이하, 도 5 내지 도 8에서 제2 구조체는 그레이팅 커플러(230)인 것으로 도시 및 설명하였으나, 본 발명은 이에 제한되지 않으며 제2 구조체는 도 3, 도 4a 및 도 4b를 참조하여 설명한 것과 같은 경사면(SW)을 갖는 미러(250)일 수도 있다. 또한, 도 5 내지 도 8에서 제2 구조체가 4개인 것으로 도시 및 설명하였으나, 본 발명은 이에 제한되지 않으며 본 발명에 따른 광 도파로 기반 분광기는 2개 이상의 제2 구조체들을 포함할 수 있다.
도 5 내지 도 8을 참조하면, 입력부(200)는 복수의 제2 구조체들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제2 구조체들은 도 1 및 도 2를 참조하여 설명한 것과 같은 그레이팅 커플러들(230)일 수 있다.
그레이팅 커플러들(230)은 복수의 제1 광 도파로들(300)과 각각 연결될 수 있다. 복수의 제1 광 도파로들(300) 각각은 하나의 제2 광 도파로(400)와 연결될 수 있다.
도 5 및 도 7을 참조하면, 그레이팅 커플러들(230)은 제2 방향(D2)을 따라 1열로 배열될 수 있고, 제2 방향(D2)으로 서로 이격될 수 있다. 그레이팅 커플러들(230) 각각에서 제1 광 도파로들(300)과 연결되는 방향은 서로 동일할 수 있다.
도 6 및 도 8을 참조하면, 그레이팅 커플러들(230)은 제2 방향(D2)을 따라 2열로 배열될 수 있고, 제1 방향(D1) 및 제2 방향(D2)으로 서로 이격될 수 있다. 다만, 이는 예시적인 것일 뿐 본 발명은 이에 제한되지 않으며 그레이팅 커플러들(230)은 3열 이상으로 배열될 수 있다. 서로 제1 방향(D1)으로 마주보는 그레이팅 커플러들(230)에서 제1 광 도파로들(300)과 연결되는 방향은 서로 반대일 수 있다. 광의 단면이 원 또는 정사각형에 가까운 경우, 도 5 및 도 7에 따른 광 도파로 기반 분광기보다 수광량이 클 수 있다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 입력부(200)는 하나의 제1 구조체(210)를 포함할 수 있다. 제1 구조체(210)는 복수의 그레이팅 커플러들(230) 각각과 제3 방향(D3)으로 중첩될 수 있다.
하나의 제1 구조체(210)를 통해 입사되는 광을 복수의 그레이팅 커플러들(230)을 통해 제1 및 제2 광 도파로들(300, 400)로 전달하는 것으로 인하여, 수광부(500)로 전달되는 광의 세기가 보다 커질 수 있고, 보다 민감하게 광의 특성을 측정할 수 있다. 또한, 복수의 제1 광 도파로들(300)을 포함하는 것으로 인하여, 하나의 제1 광 도파로(300)만을 포함하는 경우와 다른 간섭 무늬가 나타날 수 있다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 입력부(200)는 복수의 제1 구조체들(210)을 포함할 수 있다. 복수의 제1 구조체들(210) 각각은 복수의 그레이팅 커플러들(230) 각각과 제3 방향(D3)으로 중첩될 수 있다. 복수의 제1 구조체들(210)은 서로 다른 광원들로부터 방출되는 광을 전달할 수 있다. 서로 다른 광원들은 서로 다른 파장 밴드 대역을 가질 수 있다. 복수의 그레이팅 커플러들(230)은 서로 다른 투과 파장 대역을 가질 수 있고, 해당 파장 대역의 광만을 각각에 연결되는 제1 광도파로(300)로 전달할 수 있다. 즉, 도 7 및 도 8에 따른 광 도파로 기반 분광기는 서로 다른 파장 밴드 대역을 갖는 광원들로부터 방출되는 광을 각각 또는 동시에 측정할 수 있다.
이상, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
10: 광원
100: 기판
110: 제1 클래드층
130: 코어층
150: 제2 클래드층
200: 입력부
300: 제1 광 도파로
400: 제2 광 도파로
500: 수광부
600: 분석부

Claims (20)

  1. 기판;
    상기 기판 상에 제공되며, 상기 기판의 상면과 이격되는 광원;
    상기 광원으로부터 방출된 광이 입력되는 입력부;
    상기 입력부와 연결되는 제1 광 도파로;
    상기 제1 광 도파로와 동일한 평면 상에 제공되고, 상기 제1 광 도파로와 연결되는 제2 광 도파로;
    상기 제2 광 도파로의 단부와 인접하는 수광부; 및
    상기 수광부와 연결되는 분석부를 포함하되,
    상기 제2 광 도파로의 폭은 상기 제1 광 도파로의 폭보다 큰 광 도파로 기반 분광기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 입력부는 제1 구조체 및 제2 구조체를 포함하고,
    상기 제1 구조체는 상기 광원과 상기 제2 구조체 사이에 제공되고,
    상기 제1 구조체는 렌즈 또는 광섬유 어댑터(fiber adaptor) 중 적어도 어느 하나를 포함하는 광 도파로 기반 분광기.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제2 구조체는 그레이팅 커플러이고,
    상기 그레이팅 커플러는 상기 제1 광 도파로와 연결되는 광 도파로 기반 분광기.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 그레이팅 커플러는 소정의 간격으로 제공되는 리세스들에 의해 정의되는 격자 구조를 포함하고,
    상기 그레이팅 커플러는 상기 격자 구조로부터 상기 제1 광 도파로로 갈수록 폭이 감소하는 광 도파로 기반 분광기.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 제2 구조체는 경사면을 갖는 미러이고,
    상기 미러는 상기 제1 광 도파로와 서로 이격되는 광 도파로 기반 분광기.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 미러의 상기 경사면은 오목한(concave) 곡면 형상을 갖고,
    상기 제1 구조체는 상기 광섬유 어댑터를 포함하는 광 도파로 기반 분광기.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 미러의 상기 경사면은 상기 기판의 상면과 일정한 각도를 이루는 평면 형상을 갖고,
    상기 제1 구조체는 상기 광섬유 어댑터 및 상기 광섬유 어댑터와 상기 미러 사이의 상기 렌즈를 포함하는 광 도파로 기반 분광기.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 광 도파로의 두께는 상기 제2 광 도파로의 두께와 동일한 광 도파로 기반 분광기.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 수광부는 카메라 및 상기 카메라와 상기 제2 광 도파로 사이의 집속 장치를 포함하고,
    상기 카메라는 1차원 CCD 카메라인 광 도파로 기반 분광기.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 분석부는 합성곱 신경망(convolutional neural network; CNN)을 통해 상기 카메라에서 촬영된 간섭 무늬로부터 광의 특성을 계산 및 분석하는 광 도파로 기반 분광기.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 입력부는 하나의 제1 구조체 및 복수의 제2 구조체들을 포함하고,
    상기 제1 구조체는 상기 광원과 상기 제2 구조체들 사이에 제공되고,
    상기 제1 구조체는 상기 제2 구조체들 각각에 상기 광원으로부터의 광이 전달되도록 구성되는 광 도파로 기반 분광기.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 광원은 복수로 제공되고,
    상기 입력부는 복수의 제1 구조체들 및 복수의 제2 구조체들을 포함하고,
    상기 제1 구조체들은 상기 광원들 각각과 상기 제2 구조체들 각각의 사이에 제공되고,
    상기 제1 구조체들 각각은 상기 제2 구조체들 각각에 상기 광원들로부터의 광이 전달되도록 구성되는 광 도파로 기반 분광기.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 광원들은 각각 서로 다른 파장 밴드 대역을 갖는 광 도파로 기반 분광기.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 제2 구조체들은 각각 서로 다른 투과 파장 대역을 갖고, 해당 파장 대역의 광만을 각각에 연결되는 상기 제1 광도파로로 전달하는 광 도파로 기반 분광기.
  15. 기판;
    상기 기판 상에 제공되며, 상기 기판의 상면과 이격되는 광원;
    상기 광원으로부터 방출된 광이 입력되는 입력부;
    상기 입력부와 연결되며, 광의 파장 대역 중 단일 모드만을 투과시키는 제1 광 도파로;
    상기 제1 광 도파로와 동일한 평면 상에 제공되고, 상기 제1 광 도파로와 연결되는 제2 광 도파로;
    상기 제2 광 도파로의 단부로부터 방출되는 광이 전달되며, 광의 간섭 무늬를 촬영하는 수광부; 및
    상기 수광부와 연결되며, 상기 수광부에서 촬영된 간섭 무늬로부터 광의 특성을 계산 및 분석하는 분석부를 포함하되,
    상기 제2 광 도파로는 상기 입력부의 주변을 둘러싸고 여러 바퀴 회전하도록 제공되고,
    상기 제2 광 도파로의 내에서 진행하는 광은 수직 방향으로 단일 모드 특성을 갖고, 상기 수직 방향 및 광의 진행 방향과 직교하는 방향을 따라 다중 모드 특성을 갖는 광 도파로 기반 분광기.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 입력부는:
    상기 광원으로부터 방출되는 광을 상기 기판 상으로 전달하는 제1 구조체; 및
    상기 기판 상에 제공되며, 상기 제1 구조체로부터 전달된 광을 상기 제1 광 도파로로 전달하는 제2 구조체를 포함하는 광 도파로 기반 분광기.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 제1 구조체는 렌즈 또는 광섬유 어댑터(fiber adaptor) 중 적어도 어느 하나를 포함하는 광 도파로 기반 분광기.
  18. 제 16 항에 있어서,
    상기 제2 구조체는 상기 제1 구조체로부터 전달된 광의 특정 파장 대역만을 투과시키고,
    상기 제2 구조체는 상기 제1 광 도파로와 연결되는 광 도파로 기반 분광기.
  19. 제 16 항에 있어서,
    상기 제2 구조체는 상기 제1 구조체로부터 전달된 광을 반사시켜 상기 제1 광 도파로로 입사시키고,
    상기 제2 구조체는 상기 제1 광 도파로와 서로 이격되는 광 도파로 기반 분광기.
  20. 제 15 항에 있어서,
    상기 분석부는 딥 러닝 알고리즘을 통해 상기 수광부에서 촬영된 간섭 무늬로부터 광의 파장 특성을 계산 및 분석하는 광 도파로 기반 분광기.
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