KR20230075675A - 일체형 광학계 기반의 광검출기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 일체형 광학계를 기반으로 외부 진동이나 온도 변화에 따른 광특성 변화를 최소화하고, 광학계들을 일체형으로 접착함으로써 별도의 정렬작업이 불필요하며 광학적 접착에 의해 광손실을 최소화하며 광전송 효율을 극대화할 수 있는 일체형 광학계 기반의 광검출기를 개시한다. 본 발명은 복수의 입력신호 사이의 광파워(optical power) 차이를 감지하여 광섬유 센서 프로브 내ㆍ외부의 환경적 변화를 센싱하는 광검출기에 있어서, 상기 광섬유의 일부가 수용된 상태로 내재된 복수의 광섬유 피그테일 블럭; 상기 피그테일 블럭과의 경계면이 서로 광학적으로 각각 접착된 다수의 광학소자로 이루어진 일체형 광학계; 및 상기 광학계로 부터 접수된 복수의 편광의 성분간 비교를 위한 밸런스 광검출 소자를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

Description

일체형 광학계 기반의 광검출기{Photodetector based on All-in-one Optics}

본 발명은 광검출기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 편광 변화를 기반으로 하는 광센서 및 광수신기의 신호 대 잡음비율을 증대시키기 위한 광계측 시스템에 적용되는 일체형 광학계 기반의 광검출기에 관한 것이다.

일반적으로, 광신호를 기반으로 한 광센서 시스템에는 밸런스 광검출기가 적용되고 있다. 이러한 밸런스 광검출기는 광계측기의 신뢰성 및 정확도를 확보하기 위한 매우 중요한 요소이다. 한편 밸런스 광검출기는 2개의 입력신호 사이의 광파워 차이를 감지하여 광섬유 센서 프로브 내ㆍ외부의 환경적 변화를 센싱하는 방식으로 작동한다. 이러한 입력 신호들의 어떠한 일반적인 변동을 크게 억제하여 센서의 신뢰성을 향상시킨다.

특히 종래의 밸런스 광검출기는 광원의 광파워에 영향을 미치는 노이즈를 효과적으로 제거함으로써 광계측기의 신호대 잡음 비율을 상승시켜 측정 값의 정확도를 향상시키는 역할을 한다.

한편 일반적으로 벌크형 편광 분배기 및 빔 분배기 광학 부품의 정렬을 통해 편광 상이 밸런스 광검출기를 제작하고 있다. 즉 종래의 벌크형 광학 부품들은 광신호가 효과적으로 전송될 수 있도록 광 정렬(Align)이 이루어진다. 이러한 광 정렬은 각 광학 부품을 지지하는 마운트(1)에 장착되는 과정이나 마운트에 장착된 후에 수행될 수 있다. 또한 광섬유(2)와 벌크 광학계(3)와의 커플링을 통해 삽입 손실을 최소화하여 광신호의 파워 감소를 최소화하는 정렬이 이루어진다(도 2 참조).

또한 기존 기계적 광학계 정렬과는 별개로 벌크형 광학 부품들의 접착제를 이용한 결합은, 광학 부품 간의 광 정렬을 수행한 후, 최적의 정렬 상태에서 접착시키는 방식이 적용된다.

이러한 기계적 또는 접착 방식에 의한 광 정렬은 정렬 상태를 지속적으로 유지하기 어렵고, 외부 충격이나 진동에 반응하여 틀어지거나, 온도나 습도의 변화에 반응하여 정렬 상태가 변형하는 단점을 가진다. 아울러 광학 부품이 서로 떨어진 상태로 장착되는 구조에서 광학계는 광학소자 간의 정밀한 정렬이 요구된다.

예를 들어 도 1을 참조하면, 이러한 광 정렬의 어려움의 해소를 위해 종래에는 상면 상의 동심축으로 반원의 홈(23,25,26)을 형성한 정렬본체(22)에 의해 광학 부품들을 정렬하는 기술이 개시되어 있다(도 1 참조).

그러나 이러한 정렬본체(22)는 광학 부품간의 정렬이 용이하게 할 수 있는 장점이 있지만, 이는 기존 광학 부품들의 형상을 고려하여 정렬본체(예를 들어, 22)를 개별 제작해야 하는 문제가 있고, 또한 서로 다른 형태의 정렬본체(22)에 따라 광학 부품의 광 정렬도 별도로 수행해야 되는 문제점이 있다.

(특허문헌 0001) 한국공개특허 제10-1994-0017015호

(특허문헌 0002) 한국공개특허 제10-2010-0043709호

본 발명은 위와 같은 문제점을 해소하기 위해 창안된 것으로서, 일체형 광학계를 기반으로 외부 진동이나 온도 변화에 따른 광특성 변화를 최소화하고, 광학계들을 일체형으로 접착함으로써 별도의 정렬작업이 불필요하며 광학적 접착에 의해 광손실을 최소화하며 광전송 효율을 극대화할 수 있는 일체형 광학계 기반의 광검출기를 제공하는 것을 목적으로 한다.

위와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일실시 형태에 따르면, 복수의 입력신호 사이의 광파워(optical power) 차이를 감지하여 광섬유 센서 프로브 내ㆍ외부의 환경적 변화를 센싱하는 광검출기에 있어서, 상기 광섬유의 일부가 수용된 상태로 내재된 복수의 광섬유 피그테일 블럭; 상기 피그테일 블럭과의 경계면이 서로 광학적으로 각각 접착된 다수의 광학소자로 이루어진 일체형 광학계; 및 상기 광학계로 부터 접수된 복수의 편광의 성분간 비교를 위한 밸런스 광검출 소자를 포함하여 이루어진 일체형 광학계 기반의 광검출기가 제공된다.

상기 광섬유 피그테일 블럭은, 저열팽창 유리소재로 이루어지며, 상기 광섬유가 안착되는 V형 가공홈이 각각 구비된 복수의 블럭이 서로 맞물린 형상으로 제공된 것일 수 있다.

상기 일체형 광학계는, 입력신호 1의 광원을 45도로 회절시키는 45도 회절자와, 입력신호 1과 입력신호 2를 50:50으로 분배시키는 빔 분배기와, 상기 빔 분배기를 통해 상기 입력신호 1과 상기 입력신호 2의 광원을 교차시키는 복수의 편광 분배기를 포함하여 이루어진 것일 수 있다.

상기 복수의 편광 분배기는, 상기 빔 분배기의 상단측과 측면측에 각각 배치되고 그 경계면은 광학적 접착에 의해 접착된 것일 수 있다.

상기 복수의 편광 분배기의 경계면에 각각 측면이 광학적 접착되고, 상기 빔 분배기에 대해 대각선 상에 배치되며, 저열팽창 실리카 재질로 이루어진 더미 블럭을 더 포함하여 이루어진 것일 수 있다.

본 발명에 따르면, 광학 부품을 일체형으로 접착하여 광학 블럭 및 광섬유를 별도로 정렬하는 공정이 불필요하며, 일체형 광학계를 구성함으로써 광학부품 간에 경계 영역이 형성되지 않아 기존에 경계 영역에서 발생되는 광손실을 최소하며, 외부 충격이나 진동에 반응하여 틀어지는 것(오정렬)을 원천적으로 차단할 수 있으며, 이를 통해 광검출기의 측정 신뢰성을 높일 수 있는 효과가 있다.

또한 광원 및 센싱 광신호의 원활한 전송을 구현함으로써 출력되는 광원의 광손실을 최소화하여 안정적인 광검출이 이루질 수 있으며, 저열팽창 유리소재의 일체형 광학계를 기반으로 온도변화에 따른 광특성 변화를 최소화할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 종래의 광학 부품들을 정렬하기 위한 정렬본체의 사시도,
도 2는 종래의 벌크형 광부품 기반 편광 상이 밸런스 광검출기의 예시도,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 일체형 광학계 기반의 편광 상이 밸런스 광검출기의 개략적인 구성도, 및
도 4는 도 3의 평면 구성도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정하여 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 또한, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 갖는다. 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다. 첨부된 도면들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 또한, 명세서 전반에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다. 도면들 중 동일한 구성요소들은 가능한 한 어느 곳에서든지 동일한 부호들로 나타내고 있음에 유의해야 한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 일체형 광학계 기반의 편광 상이 밸런스 광검출기의 개략적인 구성도이고, 도 4는 도 3의 평면 구성도이다.

도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명은 광학적 접착을 이용하여 일체형 광학계를 구성함에 있어 베이스(10)에 다수의 광섬유 피그테일 블럭(B)이 제공된다. 여기서 광섬유 피그테일 블럭(B)은 각각 저열팽창 유리소재로 이루어진 하단블럭과 상단블럭 사이에 V형 가공홈을 형성하고, 이 V형 가공홈에 광섬유가 피그테일된 상태로 서로 맞물려 블럭 형태로 제공된다. 여기서 광섬유 피그테일 블럭(B)은 필요에 따라 포컬 렌즈(광출력부) 및 콜리메이터 렌즈(광입력부)를 구성할 수 있다. 이는 광결합시 정렬의 난이도를 조절하여 광손실을 최소화는데 도움이 될 수 있다.

이러한 광섬유 피그테일 블럭(B)은 신호 입력신호 1(Reference)와 입력신호 2(Sample)의 단자를 수용한 구성으로 제공될 수 있다.

한편 45도 회절자(50)가 빔 분배기(40)의 전방에 배치된다. 이에 따라 입력신호 1가 광원 자체의 신호로 45도 회절자(50)를 통해 선편광된 참조(Reference) 신호를 45도로 회절시켜 빔 분배기(40)를 통해 50:50으로 나눠질 수 있다.

입력신호 2는 광섬유 센서 프로브를 거쳐 샘플 신호(Sample)가 입력되는데, 입력신호 2가 입력되는 광단자는 입력신호 1의 광원과 교차할 수 있도록 입력신호 1이 접수되는 광단자가 빔 분배기(40)에 결합한다. 이렇게 결합된 빔 분배기(40)를 통해 입력신호 1의 광신호와 입력신호 2의 광신호가 서로 교차하여 50:50 비율로 각각 편광 분배기(30a,30b; 30)로 전송된다. 여기서 편광 분배기(30a,30b)는 빔 분배기(40)의 상부 및 측부에 배치된다. 바람직하게 편광 분배기(30a,30b)의 안정적인 결합을 위해 저열팽창 실리카 블럭으로 이루어진 더미 블럭(20)이 배치된다.

이렇게 구성된 광학계는 다시 편광 분배기(30a,30b)를 통해 입력신호 1과 입력신호 2의 광신호를 각각 P-편광(P1)과 S-편광(S1)으로 나눠 광학적으로 접착된 광섬유 피그테일 블럭(B1~B4)들을 통해 4채널로 분기된다. 총 6개의 광섬유 피그테일 블럭(B1~B4)과 45도 회절자(50), 빔 분배기(40), 편광 분배기(30a,30b), 및 더미 블럭(20)은 각각 광학적 접착을 통해 일체형 광학계를 구성한다.

이후, 4채널로 분기된 P-편광(P1,P2) 및 S-편광(S1,S2)의 성분들은 각각의 편광 성분간 비교를 위한 밸런스 광검출 소자(60)로 접수되어 연산 과정을 통해 광신호를 검출한다.

한편 본 발명에서 광학적 접착을 위해, 일체형 광학계를 구성하는 각 광학소자의 일면은 거의 같은 표면형상으로 형성되고, 연마작업을 통해 표면조도 및 표면질(surface quality) 성능을 높이고 세척을 통해 이물질을 제거하도록 한다.

이러한 광학적 접착은 분자간 인력(Van der Waal'Force)에 의한 접합으로써 접착 경계영역이 사라지는 효과가 있기 때문에 광학 부품을 통과한 광신호가 경계영역에서 손상이나 손실 없이 안정적으로 전달할 수 있다.

이러한 광학적 접착은 공지의 접착방식으로서 접착하려고 하는 재료를 서로 거의 같은 곡률(曲率)로 마무리, 표면을 세정한 후 그대로 또는 물, 벤젠을 적셔서 압착한다. 표면 상태에서 부착력은 부착 후 시간이 경과함에 따라서 점차 증가하며, 접착면 간격은 4mμ이하로, 접합으로 인한 각도 오차가 거의 생기지 않는다. 또 접착 후 뒤틀림이 생기지 않는 특성이 있다.

또한 본 발명에서는 광학 소자간의 손실없이 안정적으로 광신호를 전달하여 검출할 수 있도록 저열팽창 유리 소재를 기반으로 하며, 굴절률이 동일한 것을 사용하는 것이 바람직하다.

본 발명은 편광 상이 밸런스 광검출기를 개발함에 있어, 저열팽창 유리 소재로 이루어진 일체형 광학계를 제공한다. 이를 통해 외부 진동 및 온도 변화에 따른 광특성 변화를 최소화할 수 있다. 또한, 편광 분배기(30a,30b) 및 45도 회절자(50), 빔 분배기(40), 광섬유 피그테일 블럭(B1~B4)을 일체형으로 광학적 접착하여 광학 블럭 및 광섬유간 별도의 정렬없이 간단하게 구성할 수 있다.

이러한 광학 블럭의 일체화는 적용되는 각각의 광학 블럭이 직각도를 갖도록 가공하여 가공면 간의 별도의 접착제 없이 광학적 접착 방식으로 상호 접착시킴으로써 경계면이 사라지는 효과를 발생시켜 경계면에서 발생되는 광손실을 최소화할 수 있다.

또한 광원 및 센싱 광신호 원활한 전송을 통해 출력되는 광원의 광손실을 최소화할 수 있다. 또한 광섬유와 벌크형 광학 소자 간의 커플링을 위한 정렬 공정이 이루어지지 않도록 직접 접착하여 일체화함으로써 기존의 정렬 공정이 불필요하여 광전송 효율을 극대화할 수 있다.

그리고 기존 벌크형 광학 부품들의 기계적 방식이나 접착제를 이용한 결합은 광학 부품간의 광 정렬을 수행한 후 최적 정렬 상태에서 기계적으로 고정(fix)시키거나 접착시키는 방식을 활용하였지만, 본 발명에서는 가공면간의 별도의 접착제 없이 광학적 접착 방식으로 상호 접착시킴으로써 외부 충격이나 진동에 반응하여 틀어지거나(오정렬되거나), 온도나 습도의 변화에 반응하여 광손실 및 노이즈 증대를 최소화할 수 있다.

이상에서는 본 발명을 특정의 실시예에 대해서 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 실시예에만 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이하의 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상의 요지를 벗어나지 않는 범위에서 얼마든지 다양하게 변경하여 실시할 수 있을 것이다.

10: 베이스
20: 더미 블럭
30a: 제1 편광 분배기
30b: 제2 편광 분배기
40: 빔 분배기
50: 45도 회절자
60: 밸런스 광검출 소자

Claims (5)

1. 복수의 입력신호 사이의 광파워(optical power) 차이를 감지하여 광섬유 센서 프로브 내ㆍ외부의 환경적 변화를 센싱하는 광검출기에 있어서,
   상기 광섬유의 일부가 수용된 상태로 내재된 복수의 광섬유 피그테일 블럭;
   상기 피그테일 블럭과의 경계면이 서로 광학적으로 접착된 다수의 광학소자로 이루어진 일체형 광학계; 및
   상기 광학계로부터 접수된 복수의 편광의 성분간 비교를 위한 밸런스 광검출 소자를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 일체형 광학계 기반의 광검출기.
2. 제1항에 있어서,
   상기 광섬유 피그테일 블럭은,
   저열팽창 유리재질로 이루어지며, 상기 광섬유이 안착되는 V형 가공홈이 각각 구비된 복수의 블럭이 서로 맞물린 형상으로 제공된 것을 특징으로 하는 일체형 광학계 기반의 광검출기.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 일체형 광학계는,
   입력신호 1의 광원을 45도로 회절시키는 45도 회절자,
   상기 입력신호 1과 입력신호 2를 50:50으로 분배시키는 빔 분배기, 및
   상기 빔 분배기를 통해 상기 입력신호 1과 상기 입력신호 2의 광원을 교차시키는 복수의 편광 분배기를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 일체형 광학계 기반의 광검출기.
4. 제3항에 있어서,
   상기 복수의 편광 분배기는,
   상기 빔 분배기의 상단측과 측면측에 각각 배치되고, 그 경계면은 광학적 접착에 의해 접착된 것을 특징으로 하는 일체형 광학계 기반의 광검출기.
5. 제4항에 있어서,
   상기 복수의 편광 분배기의 경계면에 각각의 측면이 광학적으로 접착되고,
   상기 빔 분배기에 대해 대각선 상에 배치되며, 저열팽창 실리카 재질로 이루어진 더미 블럭을 더 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 일체형 광학계 기반의 광검출기.

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