KR20230112653A - 중공 코어 광결정 광섬유 기반 광대역 방사선 발생기 - Google Patents
중공 코어 광결정 광섬유 기반 광대역 방사선 발생기 Download PDFInfo
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Abstract
펌프 방사선을 수신할 때 광대역 출력 방사선을 발생시키도록 구성되는 광대역 광 소스 디바이스가 개시되며, 이는 중공 코어 광결정 광섬유(HC-PCF)를 포함하고, 이는 HC-PCF의 1 이상의 주 부분에 대해 변동되는 HC-PCF의 적어도 하나의 구조적 파라미터를 갖는 적어도 하나의 구조적 변동부를 포함하며, 상기 적어도 하나의 구조적 변동부는 적어도 펌프 방사선이 변조 불안정 지배 비선형 광학 프로세스에 의해 스펙트럼 확장되는 HC-PCF의 길이를 따른 위치의 하류에 위치되는 제 1 구조적 변동부를 포함하고, 상기 적어도 하나의 구조적 변동부는 상기 광대역 출력 방사선이 자외 구역의 파장들을 포함하도록 구성되고 위치된다.
Description
본 출원은 2020년 12월 10일에 출원된 EP 출원 20213013.4 및 2021년 6월 8일에 출원된 EP 출원 21178292.5의 우선권을 주장하며, 이들은 본 명세서에서 그 전문이 인용참조된다.
본 발명은 중공 코어 광결정 광섬유 기반 광대역 방사선 발생기에 관한 것으로, 특히 집적 회로들의 제조 시 메트롤로지 적용들과 관련된 이러한 광대역 방사선 발생기에 관한 것이다.
리소그래피 장치는 기판 상에 원하는 패턴을 적용시키도록 구성되는 기계이다. 리소그래피 장치는, 예를 들어 집적 회로(IC)의 제조 시에 사용될 수 있다. 예를 들어, 리소그래피 장치는 기판(예를 들어, 웨이퍼) 상에 제공된 방사선-감응재(레지스트)층 상으로 패터닝 디바이스(예를 들어, 마스크)의 패턴(흔히 "디자인 레이아웃" 또는 "디자인"이라고도 함)을 투영할 수 있다.
기판 상에 패턴을 투영하기 위해, 리소그래피 장치는 전자기 방사선을 사용할 수 있다. 이 방사선의 파장은 기판 상에 형성될 수 있는 피처(feature)들의 최소 크기를 결정한다. 현재 사용중인 전형적인 파장들은 365 nm(i-line), 248 nm, 193 nm 및 13.5 nm이다. 4 내지 20 nm의 범위 내의 파장, 예를 들어 6.7 nm 또는 13.5 nm를 갖는 극자외(EUV) 방사선을 사용하는 리소그래피 장치가 사용되어, 예를 들어 193 nm의 파장을 갖는 방사선을 사용하는 리소그래피 장치보다 기판 상에 더 작은 피처들을 형성할 수 있다.
저(low)-k1 리소그래피가 리소그래피 장치의 전형적인 분해능 한계보다 작은 치수들을 갖는 피처들을 처리하는 데 사용될 수 있다. 이러한 공정에서, 분해능 공식은 CD = k1×λ/NA로서 표현될 수 있으며, 이때 λ는 채택되는 방사선의 파장이고, NA는 리소그래피 장치 내의 투영 광학기의 개구수(numerical aperture)이며, CD는 "임계 치수"[일반적으로, 프린트되는 최소 피처 크기, 이 경우에는 반-피치(half-pitch)]이고, k1은 경험적인 분해능 인자이다. 일반적으로, k1이 작을수록, 특정한 전기적 기능 및 성능을 달성하기 위하여 회로 설계자에 의해 계획된 형상 및 치수들과 비슷한 패턴을 기판 상에 재현하기가 더 어려워진다. 이 어려움을 극복하기 위해, 정교한 미세조정 단계들이 리소그래피 투영 장치 및/또는 디자인 레이아웃에 적용될 수 있다. 이들은, 예를 들어 NA의 최적화, 커스터마이징 조명 방식(customized illumination scheme), 위상 시프팅 패터닝 디바이스들의 사용, 디자인 레이아웃에서의 광 근접 보정(optical proximity correction: OPC, 때로는 "광학 및 공정 보정"이라고도 칭함)과 같은 디자인 레이아웃의 다양한 최적화, 또는 일반적으로 "분해능 향상 기술들"(resolution enhancement techniques: RET)로 정의되는 다른 방법들을 포함하며, 이에 제한되지는 않는다. 대안적으로, 리소그래피 장치의 안정성을 제어하는 엄격한 제어 루프가 저 k1에서 패턴의 재현을 개선하는 데 사용될 수 있다.
메트롤로지 툴들은 IC 제조 공정의 여러 측면에서, 예를 들어 노광 전 기판의 적절한 위치설정을 위한 정렬 툴, 기판의 표면 토폴로지를 측정하기 위한 레벨링 툴로서, 예를 들어 공정 제어에서 노광 및/또는 에칭된 제품을 검사/측정하는 포커스 제어 및 스케터로메트리 기반 툴들에 사용된다. 각각의 경우, 방사선 소스가 필요하다. 측정 견고성 및 정확성을 포함하는 다양한 이유로, 광대역 또는 백색 광 방사선 소스들이 이러한 메트롤로지 적용에 점점 더 사용되고 있다. 광대역 방사선 발생을 위해 현재 디바이스들에서 개선하는 것이 바람직할 것이다.
본 발명의 제 1 실시형태에서, 펌프 방사선(pump radiation)을 수용할 때 광대역 출력 방사선을 발생시키도록 구성되는 광대역 광 소스 디바이스가 제공되며, 이는 중공 코어 광결정 광섬유(HC-PCF)를 포함하고, 이는 HC-PCF의 1 이상의 주 부분에 대해 변동되는 HC-PCF의 적어도 하나의 구조적 파라미터를 갖는 적어도 하나의 구조적 변동부(structurally varied portion)를 포함하며, 상기 적어도 하나의 구조적 변동부는 적어도 펌프 방사선이 변조 불안정 지배 비선형 광학 프로세스에 의해 스펙트럼 확장되는 HC-PCF의 길이를 따른 위치의 하류에 위치되는 제 1 구조적 변동부를 포함하고, 상기 적어도 하나의 구조적 변동부는 상기 광대역 출력 방사선이 자외 스펙트럼 구역의 파장들을 포함하도록 구성되고 위치된다.
본 발명의 제 2 실시형태에서, 입력 방사선에 의한 여기 후 HC-PCF로부터 발생되는 광대역 출력 방사선이 자외 구역의 파장들을 포함하도록 중공 코어 광결정 광섬유(HC-PCF)의 길이를 따라 적어도 제 1 구조적 변동부의 위치를 최적화하는 방법이 제공되며, 상기 최적화는: 펌프 방사선이 변조 불안정 지배 비선형 광학 프로세스에 의해 스펙트럼 확장되는 HC-PCF의 길이를 따른 위치를 결정하는 단계, 및 결정된 위치의 하류에 상기 제 1 구조적 변동부를 위치시키는 단계를 포함한다.
본 발명의 다른 실시형태들은 제 1 실시형태의 광대역 광 소스 디바이스를 포함하는 메트롤로지 디바이스를 포함한다.
이제 첨부된 개략적인 도면들을 참조하여, 단지 예시의 방식으로만 본 발명의 실시예들을 설명할 것이다:
도 1은 리소그래피 장치의 개략적인 개요도;
도 2는 리소그래피 셀의 개략적인 개요도;
도 3은 반도체 제조를 최적화하기 위한 3 가지 핵심 기술들 간의 협력을 나타내는 전체론적(holistic) 리소그래피의 개략적인 표현을 도시하는 도면;
도 4는 본 발명의 실시예들에 따른 방사선 소스를 포함할 수 있는 메트롤로지 디바이스로서 사용되는 스케터로메트리 장치의 개략적인 개요도;
도 5는 본 발명의 실시예들에 따른 방사선 소스를 포함할 수 있는 레벨 센서 장치의 개략적인 개요도;
도 6은 본 발명의 실시예들에 따른 방사선 소스를 포함할 수 있는 정렬 센서 장치의 개략적인 개요도;
도 7은 횡단면(즉, 광섬유의 축에 수직)에서의 일 실시예에 따른 방사선 소스의 일부를 형성할 수 있는 중공 코어 광섬유의 개략적인 단면도;
도 8은 광대역 출력 방사선을 제공하는 일 실시예에 따른 방사선 소스의 개략적인 표현을 도시하는 도면;
도 9a 및 도 9b는 초연속체(supercontinuum) 생성을 위한 중공 코어 광결정 광섬유(HC-PCF) 디자인들의 예시들의 횡단면들을 개략적으로 도시하는 도면;
도 10은 30 ㎛ 코어 직경을 갖는 광섬유, 20 ㎛ 코어 직경을 갖는 광섬유, 및 더 낮은 압력에서 작동하는 30 ㎛ 코어 직경을 갖는 광섬유로부터 각각 생성되는 3 개의 출력 스펙트럼들의 시뮬레이션을 설명하는 파장(λ)에 대한 점 확산 전력 스펙트럼 밀도(PSD)의 플롯;
도 11a는 평활한 스펙트럼 프로파일 및 확장된 단파장 에지를 갖는 광대역 출력 방사선을 발생시키도록 구성되는 단일-허리형(single-waisted) 중공 코어 광섬유를 개략적으로 도시하는 도면;
도 11b는 단일 허리 구역이 중심 허리 섹션을 포함하지 않는 도 11a에 나타낸 단일-허리형 중공 코어 광섬유의 또 다른 구성을 개략적으로 도시하는 도면;
도 12a는 광섬유 길이를 따라 최적화된 위치에서 시작하는[예를 들어, 테이퍼링 다운 섹션(tapering down section)이 시작하는] 허리 구역을 포함하는 (예를 들어, 도 11b에 나타낸 바와 같은) 단일-허리형 중공 코어 광섬유 내에서의 입력 방사선 펄스의 스펙트럼 진화를 설명하는 시뮬레이션에 대한 광섬유 길이를 따른 위치(P)에 대한 파장(λ)-에너지[또는 신호(sig(dB))] 스펙트럼 밀도 플롯;
도 12b는 허리 구역이 최적화되지 않은 위치에 있을 때, 즉 테이퍼에서 MI 지배 스펙트럼 확장이 시작되는 경우에 도 11b에 나타낸 단일-허리형 중공 코어 광섬유 내에서의 방사선 펄스의 스펙트럼 진화의 시뮬레이션에 대한 도 12a와 동등한 플롯;
도 13은 도 12a 및 도 12b에 각각 나타낸 시뮬레이션과 동일한 파라미터들로의 방사선 소스의 2 개의 출력 스펙트럼들의 시뮬레이션을 나타내는 도면;
도 14a는 단파장 확장 및 출력 방사선의 균형 잡힌 스펙트럼 프로파일을 위하여 시뮬레이션을 통해 최적화된 예시적인 단일-허리형 중공 코어 광섬유의 길이를 따라 광섬유 코어 직경이 어떻게 변하는지를 개략적으로 도시하는 도면;
도 14b는 테이퍼가 없는 중공 코어 광섬유 및 (예를 들어, 도 14a에 나타낸 바와 같은) 단일-허리형 중공 코어 광섬유로부터 각각 방출되는 2 개의 측정된 출력 스펙트럼들을 나타내는 도면;
도 14c는 상이한 중공 코어 광섬유(예를 들어, 균일한 중공 코어 광섬유 및 테이퍼링된 중공 코어 광섬유)에 대해, 및 상이한 작동 조건들(예를 들어, 상이한 펌프 펄스 반복률)에서 입력 펌프 펄스 에너지에 따라 통합 출력 전력이 어떻게 변화하는지를 설명하는 3 개의 측정된 전력 전달 곡선들을 나타내는 도면;
도 15는 평활한 스펙트럼 프로파일 및 확장된 단파장 에지를 갖는 광대역 출력 방사선을 발생시키도록 구성되는 이중-허리형(double-waisted) 중공 코어 광섬유를 개략적으로 도시하는 도면;
도 16a는 (예를 들어, 도 15에 나타낸 바와 같은) 2 개의 허리 구역들 -제 1 허리 구역은 변조 불안정 프로세스를 제어하도록 적용되고, 제 2 허리 구역은 분산파 생성을 제어하도록 적용됨- 을 갖는 테이퍼링된 중공 코어 광섬유 내에서의 방사선 펄스의 스펙트럼 진화의 시뮬레이션에 대한 도 12와 동등한 플롯;
도 16b는 도 16a에 나타낸 시뮬레이션과 동일한 파라미터들로의 방사선 소스의 출력 스펙트럼의 시뮬레이션을 나타내는 도면;
도 17은 일 실시예에 따른 분산파의 솔리톤 트래핑(soliton trapping)을 위해 구성되는 대안적인 단일-허리형 중공 코어 광섬유를 개략적으로 도시하는 도면;
도 18a 및 도 18b는 각각 70 ㎝의 거리 및 110 ㎝의 거리에서 균일한 중공 코어 광섬유를 통해 전파된 후 입력 방사선 펄스의 시간적 및 스펙트럼 분포를 설명하는 시뮬레이션의 2 개의 스펙트로그램;
도 18c 및 도 18d는 (예를 들어, 도 17에 나타낸 바와 같은) 단일-허리형 중공 코어 광섬유를 통해 전파된 후 입력 방사선 펄스의 시간적 및 스펙트럼 분포를 설명하는 시뮬레이션의 2 개의 스펙트로그램;
도 19는 일 실시예에 따른 분산파의 솔리톤 트래핑을 위해 구성되는 또 다른 대안적인 단일-허리형 중공 코어 광섬유를 개략적으로 도시하는 도면;
도 20a 및 도 20b는 각각 27 ㎝의 거리 및 42 ㎝의 거리에서 균일한 중공 코어 광섬유를 통해 전파된 후 입력 방사선 펄스의 시간적 및 스펙트럼 분포를 설명하는 시뮬레이션의 2 개의 스펙트로그램;
도 20c 및 도 20d는 각각 27 ㎝의 거리 및 42 ㎝의 거리에서 (예를 들어, 도 19에 나타낸 바와 같은) 단일-허리형 중공 코어 광섬유를 통해 전파된 후 입력 방사선 펄스의 시간적 및 스펙트럼 분포를 설명하는 시뮬레이션의 2 개의 스펙트로그램; 및
도 21은 광대역 방사선 소스를 제어하기 위한 컴퓨터 시스템의 블록 다이어그램이다.
도 1은 리소그래피 장치의 개략적인 개요도;
도 2는 리소그래피 셀의 개략적인 개요도;
도 3은 반도체 제조를 최적화하기 위한 3 가지 핵심 기술들 간의 협력을 나타내는 전체론적(holistic) 리소그래피의 개략적인 표현을 도시하는 도면;
도 4는 본 발명의 실시예들에 따른 방사선 소스를 포함할 수 있는 메트롤로지 디바이스로서 사용되는 스케터로메트리 장치의 개략적인 개요도;
도 5는 본 발명의 실시예들에 따른 방사선 소스를 포함할 수 있는 레벨 센서 장치의 개략적인 개요도;
도 6은 본 발명의 실시예들에 따른 방사선 소스를 포함할 수 있는 정렬 센서 장치의 개략적인 개요도;
도 7은 횡단면(즉, 광섬유의 축에 수직)에서의 일 실시예에 따른 방사선 소스의 일부를 형성할 수 있는 중공 코어 광섬유의 개략적인 단면도;
도 8은 광대역 출력 방사선을 제공하는 일 실시예에 따른 방사선 소스의 개략적인 표현을 도시하는 도면;
도 9a 및 도 9b는 초연속체(supercontinuum) 생성을 위한 중공 코어 광결정 광섬유(HC-PCF) 디자인들의 예시들의 횡단면들을 개략적으로 도시하는 도면;
도 10은 30 ㎛ 코어 직경을 갖는 광섬유, 20 ㎛ 코어 직경을 갖는 광섬유, 및 더 낮은 압력에서 작동하는 30 ㎛ 코어 직경을 갖는 광섬유로부터 각각 생성되는 3 개의 출력 스펙트럼들의 시뮬레이션을 설명하는 파장(λ)에 대한 점 확산 전력 스펙트럼 밀도(PSD)의 플롯;
도 11a는 평활한 스펙트럼 프로파일 및 확장된 단파장 에지를 갖는 광대역 출력 방사선을 발생시키도록 구성되는 단일-허리형(single-waisted) 중공 코어 광섬유를 개략적으로 도시하는 도면;
도 11b는 단일 허리 구역이 중심 허리 섹션을 포함하지 않는 도 11a에 나타낸 단일-허리형 중공 코어 광섬유의 또 다른 구성을 개략적으로 도시하는 도면;
도 12a는 광섬유 길이를 따라 최적화된 위치에서 시작하는[예를 들어, 테이퍼링 다운 섹션(tapering down section)이 시작하는] 허리 구역을 포함하는 (예를 들어, 도 11b에 나타낸 바와 같은) 단일-허리형 중공 코어 광섬유 내에서의 입력 방사선 펄스의 스펙트럼 진화를 설명하는 시뮬레이션에 대한 광섬유 길이를 따른 위치(P)에 대한 파장(λ)-에너지[또는 신호(sig(dB))] 스펙트럼 밀도 플롯;
도 12b는 허리 구역이 최적화되지 않은 위치에 있을 때, 즉 테이퍼에서 MI 지배 스펙트럼 확장이 시작되는 경우에 도 11b에 나타낸 단일-허리형 중공 코어 광섬유 내에서의 방사선 펄스의 스펙트럼 진화의 시뮬레이션에 대한 도 12a와 동등한 플롯;
도 13은 도 12a 및 도 12b에 각각 나타낸 시뮬레이션과 동일한 파라미터들로의 방사선 소스의 2 개의 출력 스펙트럼들의 시뮬레이션을 나타내는 도면;
도 14a는 단파장 확장 및 출력 방사선의 균형 잡힌 스펙트럼 프로파일을 위하여 시뮬레이션을 통해 최적화된 예시적인 단일-허리형 중공 코어 광섬유의 길이를 따라 광섬유 코어 직경이 어떻게 변하는지를 개략적으로 도시하는 도면;
도 14b는 테이퍼가 없는 중공 코어 광섬유 및 (예를 들어, 도 14a에 나타낸 바와 같은) 단일-허리형 중공 코어 광섬유로부터 각각 방출되는 2 개의 측정된 출력 스펙트럼들을 나타내는 도면;
도 14c는 상이한 중공 코어 광섬유(예를 들어, 균일한 중공 코어 광섬유 및 테이퍼링된 중공 코어 광섬유)에 대해, 및 상이한 작동 조건들(예를 들어, 상이한 펌프 펄스 반복률)에서 입력 펌프 펄스 에너지에 따라 통합 출력 전력이 어떻게 변화하는지를 설명하는 3 개의 측정된 전력 전달 곡선들을 나타내는 도면;
도 15는 평활한 스펙트럼 프로파일 및 확장된 단파장 에지를 갖는 광대역 출력 방사선을 발생시키도록 구성되는 이중-허리형(double-waisted) 중공 코어 광섬유를 개략적으로 도시하는 도면;
도 16a는 (예를 들어, 도 15에 나타낸 바와 같은) 2 개의 허리 구역들 -제 1 허리 구역은 변조 불안정 프로세스를 제어하도록 적용되고, 제 2 허리 구역은 분산파 생성을 제어하도록 적용됨- 을 갖는 테이퍼링된 중공 코어 광섬유 내에서의 방사선 펄스의 스펙트럼 진화의 시뮬레이션에 대한 도 12와 동등한 플롯;
도 16b는 도 16a에 나타낸 시뮬레이션과 동일한 파라미터들로의 방사선 소스의 출력 스펙트럼의 시뮬레이션을 나타내는 도면;
도 17은 일 실시예에 따른 분산파의 솔리톤 트래핑(soliton trapping)을 위해 구성되는 대안적인 단일-허리형 중공 코어 광섬유를 개략적으로 도시하는 도면;
도 18a 및 도 18b는 각각 70 ㎝의 거리 및 110 ㎝의 거리에서 균일한 중공 코어 광섬유를 통해 전파된 후 입력 방사선 펄스의 시간적 및 스펙트럼 분포를 설명하는 시뮬레이션의 2 개의 스펙트로그램;
도 18c 및 도 18d는 (예를 들어, 도 17에 나타낸 바와 같은) 단일-허리형 중공 코어 광섬유를 통해 전파된 후 입력 방사선 펄스의 시간적 및 스펙트럼 분포를 설명하는 시뮬레이션의 2 개의 스펙트로그램;
도 19는 일 실시예에 따른 분산파의 솔리톤 트래핑을 위해 구성되는 또 다른 대안적인 단일-허리형 중공 코어 광섬유를 개략적으로 도시하는 도면;
도 20a 및 도 20b는 각각 27 ㎝의 거리 및 42 ㎝의 거리에서 균일한 중공 코어 광섬유를 통해 전파된 후 입력 방사선 펄스의 시간적 및 스펙트럼 분포를 설명하는 시뮬레이션의 2 개의 스펙트로그램;
도 20c 및 도 20d는 각각 27 ㎝의 거리 및 42 ㎝의 거리에서 (예를 들어, 도 19에 나타낸 바와 같은) 단일-허리형 중공 코어 광섬유를 통해 전파된 후 입력 방사선 펄스의 시간적 및 스펙트럼 분포를 설명하는 시뮬레이션의 2 개의 스펙트로그램; 및
도 21은 광대역 방사선 소스를 제어하기 위한 컴퓨터 시스템의 블록 다이어그램이다.
본 명세서에서, "방사선" 및 "빔"이라는 용어는 (예를 들어, 365, 248, 193, 157 또는 126 nm의 파장을 갖는) 자외 방사선 및 EUV(예를 들어, 약 5 내지 100 nm 범위 내의 파장을 갖는 극자외 방사선)를 포함하는 모든 형태의 전자기 방사선을 포괄하는 데 사용된다.
본 명세서에서 채택된 "레티클", "마스크" 또는 "패터닝 디바이스"라는 용어는 기판의 타겟부에 생성될 패턴에 대응하여 입사하는 방사선 빔에 패터닝된 단면을 부여하는 데 사용될 수 있는 일반적인 패터닝 디바이스를 언급하는 것으로 폭넓게 해석될 수 있다. 또한, "광 밸브(light valve)"라는 용어가 이러한 맥락에서 사용될 수도 있다. 전형적인 마스크[투과형 또는 반사형, 바이너리(binary), 위상-시프팅, 하이브리드(hybrid) 등] 이외에, 다른 이러한 패터닝 디바이스의 예시들로 프로그램가능한 거울 어레이 및 프로그램가능한 LCD 어레이를 포함한다.
도 1은 리소그래피 장치(LA)를 개략적으로 도시한다. 리소그래피 장치(LA)는 방사선 빔(B)(예를 들어, UV 방사선, DUV 방사선 또는 EUV 방사선)을 컨디셔닝(condition)하도록 구성되는 조명 시스템(일루미네이터라고도 함)(IL); 패터닝 디바이스(예를 들어, 마스크)(MA)를 지지하도록 구성되고, 소정 파라미터들에 따라 패터닝 디바이스(MA)를 정확히 위치시키도록 구성된 제 1 위치설정기(PM)에 연결되는 마스크 지지체(예를 들어, 마스크 테이블)(MT); 기판(예를 들어, 레지스트 코팅된 웨이퍼)(W)을 유지하도록 구성되고, 소정 파라미터들에 따라 기판 지지체를 정확히 위치시키도록 구성된 제 2 위치설정기(PW)에 연결되는 기판 지지체(예를 들어, 웨이퍼 테이블)(WT); 및 기판(W)의 (예를 들어, 1 이상의 다이를 포함하는) 타겟부(C) 상으로 패터닝 디바이스(MA)에 의해 방사선 빔(B)에 부여된 패턴을 투영하도록 구성되는 투영 시스템(예를 들어, 굴절 투영 렌즈 시스템)(PS)을 포함한다.
작동 시, 조명 시스템(IL)은 예를 들어 빔 전달 시스템(BD)을 통해 방사선 소스(SO)로부터 방사선 빔을 수용한다. 조명 시스템(IL)은 방사선을 지향, 성형, 및/또는 제어하기 위하여, 굴절, 반사, 자기, 전자기, 정전기 및/또는 다른 타입의 광학 구성요소들, 또는 여하한의 그 조합과 같은 다양한 타입들의 광학 구성요소들을 포함할 수 있다. 일루미네이터(IL)는 패터닝 디바이스(MA)의 평면에서 방사선 빔의 단면에 원하는 공간 및 각도 세기 분포를 갖기 위해, 방사선 빔(B)을 컨디셔닝하는 데 사용될 수 있다.
본 명세서에서 사용되는 "투영 시스템"(PS)이라는 용어는, 사용되는 노광 방사선에 대하여, 및/또는 침지 액체의 사용 또는 진공의 사용과 같은 다른 인자들에 대하여 적절하다면, 굴절, 반사, 카타디옵트릭(catadioptric), 아나모픽(anamorphic), 자기, 전자기 및/또는 정전기 광학 시스템, 또는 여하한의 그 조합을 포함하는 다양한 타입의 투영 시스템을 내포하는 것으로서 폭넓게 해석되어야 한다. 본 명세서의 "투영 렌즈"라는 용어의 어떠한 사용도 "투영 시스템"(PS)이라는 좀 더 일반적인 용어와 동의어로 간주될 수 있다.
리소그래피 장치(LA)는 투영 시스템(PS)과 기판(W) 사이의 공간을 채우기 위해서, 기판의 적어도 일부분이 비교적 높은 굴절률을 갖는 액체, 예컨대 물로 덮일 수 있는 형태로 구성될 수 있다 - 이는 침지 리소그래피라고도 한다. 침지 기술에 대한 더 많은 정보는 US6952253에서 주어지며, 이는 본 명세서에서 인용참조된다.
또한, 리소그래피 장치(LA)는 2 이상의 기판 지지체들(WT)("듀얼 스테이지"라고도 함)을 갖는 타입으로 이루어질 수 있다. 이러한 "다수 스테이지" 기계에서는 기판 지지체들(WT)이 병행하여 사용될 수 있으며, 및/또는 기판 지지체(WT) 중 하나에 위치된 기판(W)이 기판(W) 상에 패턴을 노광하는 데 사용되고 있는 동안, 다른 기판 지지체(WT) 상의 또 다른 기판(W)에서는 다른 기판(W)의 후속한 노광의 준비작업 단계가 수행될 수 있다.
기판 지지체(WT)에 추가하여, 리소그래피 장치(LA)는 측정 스테이지를 포함할 수 있다. 측정 스테이지는 센서 및/또는 세정 디바이스를 유지하도록 배치된다. 센서는 투영 시스템(PS)의 속성 또는 방사선 빔(B)의 속성을 측정하도록 배치될 수 있다. 측정 스테이지는 다수 센서들을 유지할 수 있다. 세정 디바이스는 리소그래피 장치의 일부, 예를 들어 투영 시스템(PS)의 일부 또는 침지 액체를 제공하는 시스템의 일부를 세정하도록 배치될 수 있다. 측정 스테이지는 기판 지지체(WT)가 투영 시스템(PS)으로부터 멀어질 때 투영 시스템(PS) 아래로 이동할 수 있다.
작동 시, 방사선 빔(B)은 마스크 지지체(MT) 상에 유지되어 있는 패터닝 디바이스, 예를 들어 마스크(MA) 상에 입사되며, 패터닝 디바이스(MA)에 존재하는 패턴(디자인 레이아웃)에 의해 패터닝된다. 마스크(MA)를 가로질렀으면, 방사선 빔(B)은 투영 시스템(PS)을 통과하며, 이는 기판(W)의 타겟부(C) 상에 상기 빔을 포커스한다. 제 2 위치설정기(PW) 및 위치 측정 시스템(IF)의 도움으로, 기판 지지체(WT)는 예를 들어 포커스 및 정렬된 위치에서 방사선 빔(B)의 경로 내에 상이한 타겟부(C)들을 위치시키도록 정확하게 이동될 수 있다. 이와 유사하게, 제 1 위치설정기(PM) 및 가능하게는 (도 1에 명확히 도시되지 않은) 또 다른 위치 센서는 방사선 빔(B)의 경로에 대해 패터닝 디바이스(MA)를 정확히 위치시키는 데 사용될 수 있다. 패터닝 디바이스(MA) 및 기판(W)은 마스크 정렬 마크들(M1, M2) 및 기판 정렬 마크들(P1, P2)을 이용하여 정렬될 수 있다. 비록, 예시된 기판 정렬 마크들(P1, P2)은 지정된(dedicated) 타겟부들을 차지하고 있지만, 그들은 타겟부들 사이의 공간들 내에 위치될 수도 있다. 기판 정렬 마크들(P1, P2)은 이들이 타겟부들(C) 사이에 위치될 때 스크라이브-레인 정렬 마크(scribe-lane alignment mark)들로 알려져 있다.
도 2에 나타낸 바와 같이, 리소그래피 장치(LA)는 때때로 리소셀(lithocell) 또는 (리소)클러스터라고도 칭하는 리소그래피 셀(LC)의 일부분을 형성할 수 있으며, 이는 흔히 기판(W) 상에 노광-전(pre-exposure) 및 노광-후(post-exposure) 공정들을 수행하는 장치를 포함한다. 통상적으로, 이들은 레지스트 층들을 증착시키는 스핀 코터(spin coater: SC), 노광된 레지스트를 현상하는 디벨로퍼(developer: DE), 칠 플레이트(chill plate: CH) 및, 예를 들어 기판(W)의 온도를 컨디셔닝하는, 예를 들어 레지스트 층들에서 용매를 컨디셔닝하는 베이크 플레이트(bake plate: BK)를 포함한다. 기판 핸들러 또는 로봇(RO)이 입력/출력 포트들(I/O1, I/O2)로부터 기판(W)들을 집어올리고, 이들을 상이한 공정 장치 사이에서 이동시키며, 리소그래피 장치(LA)의 로딩 베이(loading bay: LB)로 기판(W)들을 전달한다. 흔히 집합적으로 트랙이라고도 하는 리소셀 내의 디바이스들은 통상적으로, 예를 들어 리소그래피 제어 유닛(LACU)을 통해 리소그래피 장치(LA)를 제어할 수도 있는 감독 제어 시스템(supervisory control system: SCS)에 의해 자체 제어될 수 있는 트랙 제어 유닛(TCU)의 제어를 받는다.
리소그래피 장치(LA)에 의해 노광되는 기판(W)들이 올바르고 일관성있게(consistently) 노광되기 위해서는, 후속한 층들 간의 오버레이 오차, 라인 두께, 임계 치수(CD) 등과 같은 패터닝된 구조체들의 속성들을 측정하도록 기판들을 검사하는 것이 바람직하다. 이를 위해, 리소셀(LC)에 검사 툴들(도시되지 않음)이 포함될 수 있다. 오차가 검출되는 경우, 특히 검사가 동일한 뱃치(batch) 또는 로트(lot)의 다른 기판(W)들이 노광 또는 처리되기 전에 행해진다면, 예를 들어 후속한 기판들의 노광에 대해 또는 기판(W)들에서 수행되어야 하는 다른 처리 단계들에 대해 조정이 수행될 수 있다.
메트롤로지 장치라고도 칭해질 수 있는 검사 장치가 기판(W)의 속성들을 결정하는 데 사용되며, 특히 상이한 기판(W)들의 속성들이 어떻게 변하는지 또는 동일한 기판(W)의 상이한 층들과 연계된 속성들이 층마다 어떻게 변하는지를 결정하는 데 사용된다. 검사 장치는 대안적으로 기판(W) 상의 결함들을 식별하도록 구성될 수 있으며, 예를 들어 리소셀(LC)의 일부일 수 있거나, 리소그래피 장치(LA)에 통합될 수 있거나, 또는 심지어 독립형 디바이스(stand-alone device)일 수 있다. 검사 장치는 잠상(latent image)(노광 후 레지스트 층 내의 이미지), 또는 반(semi)-잠상[노광-후 베이크 단계(PEB) 후 레지스트 층 내의 이미지], 또는 현상된 레지스트 이미지(이때, 레지스트의 노광된 부분 또는 노광되지 않은 부분은 제거되었음), 또는 심지어 (에칭과 같은 패턴 전사 단계 후) 에칭된 이미지에 대한 속성들을 측정할 수 있다.
전형적으로, 리소그래피 장치(LA)에서의 패터닝 공정은 기판(W) 상의 구조체들의 높은 치수 및 배치 정확성을 필요로 하는 처리에서 가장 중요한 단계들 중 하나이다. 이 높은 정확성을 보장하기 위해, 3 개의 시스템들이 도 3에 개략적으로 도시된 바와 같이 소위 "전체론적" 제어 환경에서 조합될 수 있다. 이 시스템들 중 하나는 메트롤로지 툴(MT)(제 2 시스템) 및 컴퓨터 시스템(CL)(제 3 시스템)에 (가상으로) 연결되는 리소그래피 장치(LA)이다. 이러한 "전체론적" 환경의 핵심은 이 3 개의 시스템들 간의 협력을 최적화하여 전체 공정 윈도우를 향상시키고 리소그래피 장치(LA)에 의해 수행된 패터닝이 공정 윈도우 내에 유지될 것을 보장하도록 엄격한 제어 루프를 제공하는 것이다. 공정 윈도우는 특정 제조 공정이 정의된 결과(예를 들어, 기능적 반도체 디바이스)를 산출하는 공정 파라미터들(예를 들어, 도즈, 포커스, 오버레이)의 범위를 정의한다 - 전형적으로, 이 안에서 리소그래피 공정 또는 패터닝 공정의 공정 파라미터들이 변동하게 된다.
컴퓨터 시스템(CL)은 패터닝될 디자인 레이아웃(의 일부)을 사용하여, 어느 분해능 향상 기술이 사용될지를 예측하고, 전산(computational) 리소그래피 시뮬레이션들 및 계산들을 수행하여 어느 마스크 레이아웃 및 리소그래피 장치 설정들이 패터닝 공정의 가장 큰 전체 공정 윈도우를 달성하는지를 결정할 수 있다[도 3에서 제 1 스케일(SC1)의 양방향 화살표로 도시됨]. 전형적으로, 분해능 향상 기술들은 리소그래피 장치(LA)의 패터닝 가능성들과 매칭하도록 배치된다. 또한, 컴퓨터 시스템(CL)은 공정 윈도우 내에서 [예를 들어, 메트롤로지 툴(MT)로부터의 입력을 사용하여] 리소그래피 장치(LA)가 현재 작동하고 있는 곳을 검출하여, 예를 들어 차선의 처리로 인해 결함들이 존재할 수 있는지를 예측하는 데 사용될 수 있다[도 3에서 제 2 스케일(SC2)의 "0"을 가리키는 화살표로 도시됨].
메트롤로지 툴(MT)은 정확한 시뮬레이션 및 예측을 가능하게 하기 위해 컴퓨터 시스템(CL)에 입력을 제공할 수 있고, 예를 들어 리소그래피 장치(LA)의 캘리브레이션 상태에서 가능한 드리프트를 식별하기 위해 리소그래피 장치(LA)에 피드백을 제공할 수 있다[도 3에서 제 3 스케일(SC3)의 다수 화살표들로 도시됨].
리소그래피 공정들에서는, 예를 들어 공정 제어 및 검증(verification)을 위해, 흔히 생성되는 구조체들의 측정들을 수행하는 것이 바람직하다. 이러한 측정을 수행하는 툴들은 통상적으로 메트롤로지 툴(MT)이라고 한다. 이러한 측정들을 수행하는 상이한 타입들의 메트롤로지 툴들(MT)이 알려져 있으며, 스캐닝 전자 현미경 또는 다양한 형태의 스케터로미터 메트롤로지 툴들(MT)을 포함한다. 스케터로미터들은 스케터로미터의 대물렌즈의 퓨필 또는 퓨필과의 켤레면에 센서를 가짐으로써 -일반적으로, 퓨필 기반 측정들로 칭해지는 측정들- , 또는 이미지 평면 또는 이미지 평면과의 켤레면에 센서를 가짐으로써 -이 경우, 측정들은 일반적으로 이미지 또는 필드 기반 측정들로 칭해짐- , 리소그래피 공정의 파라미터들의 측정들을 허용하는 다목적 기구이다. 이러한 스케터로미터들 및 관련 측정 기술들은, 본 명세서에서 그 전문이 인용참조되는 특허 출원들 US20100328655, US2011102753A1, US20120044470A, US20110249244, US20110026032 또는 EP1,628,164A에서 더 설명된다. 앞서 언급된 스케터로미터는 연질 x-선 및 가시광선으로부터 근적외선(near-IR) 파장 범위까지의 광을 사용하여 격자들을 측정할 수 있다.
제 1 실시예에서, 스케터로미터(MT)는 각도 분해 스케터로미터(angular resolved scatterometer)이다. 이러한 스케터로미터에서는, 재구성 방법들이 측정된 신호에 적용되어 격자의 속성들을 재구성하거나 계산할 수 있다. 이러한 재구성은, 예를 들어 타겟 구조체의 수학적 모델과 산란된 방사선의 상호작용의 시뮬레이션 및 시뮬레이션 결과들과 측정 결과들의 비교로부터 발생할 수 있다. 수학적 모델의 파라미터들은 시뮬레이션된 상호작용이 실제 타겟으로부터 관찰되는 것과 유사한 회절 패턴을 생성할 때까지 조정된다.
제 2 실시예에서, 스케터로미터(MT)는 분광 스케터로미터(spectroscopic scatterometer)(MT)이다. 이러한 분광 스케터로미터(MT)에서, 방사선 소스에 의해 방출된 방사선은 타겟 상으로 지향되고, 타겟으로부터 반사 또는 산란된 방사선은 정반사된 방사선(specular reflected radiation)의 스펙트럼(즉, 파장의 함수로서 세기의 측정)을 측정하는 분광계 검출기(spectrometer detector)로 지향된다. 이 데이터로부터, 검출된 스펙트럼에 의해 생성되는 타겟의 프로파일 또는 구조체는, 예를 들어 RCWA(Rigorous Coupled Wave Analysis) 및 비-선형 회귀(non-linear regression)에 의해, 또는 시뮬레이션된 스펙트럼들의 라이브러리와의 비교에 의해 재구성될 수 있다.
제 3 실시예에서, 스케터로미터(MT)는 엘립소메트릭 스케터로미터(ellipsometric scatterometer)이다. 엘립소메트릭 스케터로미터는 각각의 편광 상태들에 대해 산란된 방사선을 측정함으로써 리소그래피 공정의 파라미터들의 결정을 허용한다. 이러한 메트롤로지 장치는, 예를 들어 메트롤로지 장치의 조명 섹션에서 적절한 편광 필터들을 사용함으로써 편광된 광(예를 들어, 선형, 원형 또는 타원형)을 방출한다. 메트롤로지 장치에 적절한 소스가 편광된 방사선도 제공할 수 있다. 기존 엘립소메트릭 스케터로미터의 다양한 실시예들이, 본 명세서에서 그 전문이 인용참조되는 미국 특허 출원들 11/451,599, 11/708,678, 12/256,780, 12/486,449, 12/920,968, 12/922,587, 13/000,229, 13/033,135, 13/533,110 및 13/891,410에서 설명된다.
스케터로미터(MT)의 일 실시예에서, 스케터로미터(MT)는 반사된 스펙트럼 및/또는 검출 구성에서 비대칭을 측정함으로써 2 개의 오정렬된 격자들 또는 주기적 구조체들의 오버레이를 측정하도록 구성되며, 비대칭은 오버레이의 크기와 관련된다. 2 개의 (전형적으로 겹쳐진) 격자 구조체들은 2 개의 상이한 층들(반드시 연속 층들인 것은 아님)에 적용될 수 있고, 실질적으로 웨이퍼 상의 동일한 위치에 형성될 수 있다. 스케터로미터는, 예를 들어 공유 특허 출원 EP1,628,164A에서 설명된 바와 같은 대칭적 검출 구성을 가져, 여하한의 비대칭이 명확하게 구별될 수 있도록 한다. 이는 격자들에서 오정렬을 측정하는 간단한 방식을 제공한다. 주기적 구조체들의 비대칭을 통해 타겟이 측정됨에 따라 주기적 구조체들을 포함한 두 층들 간의 오버레이 오차를 측정하는 추가 예시들은, 본 명세서에서 그 전문이 인용참조되는 PCT 특허 출원 공개공보 WO 2011/012624 또는 미국 특허 출원 US 20160161863에서 찾아볼 수 있다.
다른 관심 파라미터들은 포커스 및 도즈일 수 있다. 포커스 및 도즈는, 본 명세서에서 그 전문이 인용참조되는 미국 특허 출원 US2011-0249244에 설명된 바와 같이 스케터로메트리에 의해(또는 대안적으로 스캐닝 전자 현미경에 의해) 동시에 결정될 수 있다. 포커스 에너지 매트릭스(FEM - 포커스 노광 매트릭스라고도 함)의 각 지점에 대해 임계 치수 및 측벽 각도 측정들의 고유한 조합을 갖는 단일 구조체가 사용될 수 있다. 임계 치수 및 측벽 각도의 이 고유한 조합들이 이용가능한 경우, 포커스 및 도즈 값들은 이 측정들로부터 고유하게 결정될 수 있다.
메트롤로지 타겟은 리소그래피 공정에 의해 대부분은 레지스트에, 그러나 예를 들어 에칭 공정 후에도 형성되는 복합 격자들의 앙상블(ensemble)일 수 있다. 전형적으로, 격자들 내의 구조체들의 피치 및 선폭은 메트롤로지 타겟들로부터 오는 회절 차수들을 포착할 수 있도록 측정 광학기(특히, 광학기의 NA)에 크게 의존한다. 앞서 나타낸 바와 같이, 회절 신호는 두 층들 간의 시프트들('오버레이'라고도 함)을 결정하는 데 사용될 수 있거나, 또는 리소그래피 공정에 의해 생성되는 바와 같은 원래 격자의 적어도 일부를 재구성하는 데 사용될 수 있다. 이 재구성은 리소그래피 공정의 품질 지침을 제공하는 데 사용될 수 있으며, 리소그래피 공정의 적어도 일부를 제어하는 데 사용될 수 있다. 타겟들은 더 작은 하위-세분화(sub-segmentation)를 가질 수 있으며, 이는 타겟에서 디자인 레이아웃의 기능부의 치수들을 모방하도록 구성된다. 이 하위-세분화로 인해, 타겟들은 디자인 레이아웃의 기능부와 더 유사하게 거동하여, 전체 공정 파라미터 측정들이 디자인 레이아웃의 기능부와 더 많이 닮도록 할 것이다. 타겟들은 언더필링 모드(underfilled mode) 또는 오버필링 모드(overfilled mode)에서 측정될 수 있다. 언더필링 모드에서, 측정 빔은 전체 타겟보다 작은 스폿을 발생시킨다. 오버필링 모드에서, 측정 빔은 전체 타겟보다 큰 스폿을 발생시킨다. 이러한 오버필링 모드에서는, 상이한 타겟들을 동시에 측정하는 것이 가능하며, 이에 따라 상이한 처리 파라미터들을 동일한 시간에 결정할 수도 있다.
특정 타겟을 사용하는 리소그래피 파라미터의 전체 측정 품질은 적어도 부분적으로 이 리소그래피 파라미터를 측정하는 데 사용되는 측정 레시피(recipe)에 의해 결정된다. "기판 측정 레시피"라는 용어는 측정 자체의 1 이상의 파라미터, 측정되는 1 이상의 패턴의 1 이상의 파라미터, 또는 둘 모두를 포함할 수 있다. 예를 들어, 기판 측정 레시피에 사용되는 측정이 회절-기반 광학 측정인 경우, 측정의 파라미터들 중 1 이상은 방사선의 파장, 방사선의 편광, 기판에 대한 방사선의 입사각, 기판 상의 패턴에 대한 방사선의 방위(orientation) 등을 포함할 수 있다. 측정 레시피를 선택하는 기준 중 하나는, 예를 들어 처리 변수들에 대한 측정 파라미터들 중 하나의 민감도일 수 있다. 더 많은 예시들이, 본 명세서에서 그 전문이 인용참조되는 미국 특허 출원 US 2016-0161863 및 공개된 미국 특허 출원 US 2016/0370717A1에서 설명된다.
스케터로미터와 같은 메트롤로지 장치가 도 4에 도시되어 있다. 이는 기판(W) 상으로 방사선을 투영하는 광대역(백색 광) 방사선 투영기(2)를 포함한다. 반사 또는 산란된 방사선은 정반사된 방사선의 스펙트럼(6)(즉, 파장의 함수로서 세기의 측정)을 측정하는 분광계 검출기(4)로 통과된다. 이 데이터로부터, 검출된 스펙트럼을 야기하는 프로파일 또는 구조체가, 예를 들어 RCWA(Rigorous Coupled Wave Analysis) 및 비-선형 회귀에 의해, 또는 도 4의 하단에 나타낸 바와 같은 시뮬레이션된 스펙트럼들의 라이브러리와 비교함으로써, 처리 유닛(PU)에 의해 재구성될 수 있다. 일반적으로, 재구성을 위해 구조체의 일반적인 형태가 알려지며, 구조체가 만들어진 공정의 정보로부터 일부 파라미터들이 가정되어, 스케터로메트리 데이터로부터 결정될 구조체의 몇몇 파라미터들만이 남게 된다. 이러한 스케터로미터는 수직-입사(normal-incidence) 스케터로미터 또는 경사-입사(oblique-incidence) 스케터로미터로서 구성될 수 있다.
메트롤로지 타겟의 측정을 통한 리소그래피 파라미터의 전체 측정 품질은 적어도 부분적으로 이 리소그래피 파라미터를 측정하는 데 사용되는 측정 레시피에 의해 결정된다. "기판 측정 레시피"라는 용어는 측정 자체의 1 이상의 파라미터, 측정되는 1 이상의 패턴의 1 이상의 파라미터, 또는 둘 모두를 포함할 수 있다. 예를 들어, 기판 측정 레시피에 사용되는 측정이 회절-기반 광학 측정인 경우, 측정의 파라미터들 중 1 이상은 방사선의 파장, 방사선의 편광, 기판에 대한 방사선의 입사각, 기판 상의 패턴에 대한 방사선의 방위 등을 포함할 수 있다. 측정 레시피를 선택하는 기준 중 하나는, 예를 들어 처리 변동들에 대한 측정 파라미터들 중 하나의 민감도일 수 있다. 더 많은 예시들이, 본 명세서에서 그 전문이 인용참조되는 미국 특허 출원 US2016/0161863 및 공개된 미국 특허 출원 US2016/0370717A1에서 설명된다.
IC 제조 시 사용되는 또 다른 타입의 메트롤로지 툴은 토포그래피 측정 시스템, 레벨 센서 또는 높이 센서이다. 이러한 툴은 기판(또는 웨이퍼)의 최상부 표면의 토포그래피를 측정하기 위해 리소그래피 장치에 통합될 수 있다. 높이 맵이라고도 하는 기판의 토포그래피 맵은 기판 상의 위치의 함수로서 기판의 높이를 나타내는 이 측정들로부터 생성될 수 있다. 이 높이 맵은 후속하여 기판 상의 적절한 포커스 위치에 패터닝 디바이스의 에어리얼 이미지를 제공하기 위해 기판 상의 패턴의 전사 동안 기판의 위치를 보정하는 데 사용될 수 있다. 이 문맥에서 "높이"는 폭넓게 기판에 대한 평면을 벗어난 차원(Z-축이라고도 함)을 지칭함을 이해할 것이다. 통상적으로, 레벨 또는 높이 센서는 (자체 광학 시스템에 대해) 고정된 위치에서 측정을 수행하고, 레벨 또는 높이 센서의 광학 시스템과 기판 사이의 상대 이동이 기판에 걸친 위치들에서 높이 측정들을 유도한다.
당업계에 알려진 바와 같은 레벨 또는 높이 센서(LS)의 일 예시가 도 5에 개략적으로 도시되며, 이는 작동 원리만을 예시한다. 이 예시에서, 레벨 센서는 투영 유닛(LSP) 및 검출 유닛(LSD)을 포함하는 광학 시스템을 포함한다. 투영 유닛(LSP)은 투영 유닛(LSP)의 투영 격자(PGR)에 의해 부여되는 방사선 빔(LSB)을 제공하는 방사선 소스(LSO)를 포함한다. 방사선 소스(LSO)는, 예를 들어 편광 또는 비-편광 레이저 빔과 같이 편광 또는 비-편광, 펄스 또는 연속인 협대역 또는 광대역 광 소스, 예컨대 초연속 광 소스일 수 있다. 방사선 소스(LSO)는 복수의 LED들과 같은 상이한 색상들 또는 파장 범위들을 갖는 복수의 방사선 소스들을 포함할 수 있다. 레벨 센서(LS)의 방사선 소스(LSO)는 가시 방사선에 제한되지 않고, 추가적으로 또는 대안적으로 UV 및/또는 IR 방사선 및 기판의 표면으로부터 반사하기에 적절한 여하한 범위의 파장들을 포괄할 수 있다.
투영 격자(PGR)는 주기적으로 변동하는 세기를 갖는 방사선 빔(BE1)을 유도하는 주기적 구조체를 포함하는 주기적 격자이다. 주기적으로 변동하는 세기를 갖는 방사선 빔(BE1)은 0 도와 90 도 사이에서, 통상적으로는 70 도와 80 도 사이에서 입사 기판 표면에 수직인 축(Z-축)에 대해 입사각(ANG)을 갖는 기판(W) 상의 측정 위치(MLO)를 향해 지향된다. 측정 위치(MLO)에서, 패터닝된 방사선 빔(BE1)은 기판(W)에 의해 반사되고(화살표 BE2로 나타냄) 검출 유닛(LSD)을 향해 지향된다.
측정 위치(MLO)에서 높이 레벨을 결정하기 위해, 레벨 센서는 검출 격자(DGR), 검출기(DET) 및 검출기(DET)의 출력 신호를 처리하는 처리 유닛(도시되지 않음)을 포함하는 검출 시스템을 더 포함한다. 검출 격자(DGR)는 투영 격자(PGR)와 동일할 수 있다. 검출기(DET)는 수신된 광을 나타내는, 예를 들어 광검출기와 같이 수신된 광의 세기를 나타내는, 또는 카메라와 같이 수신된 세기의 공간 분포를 나타내는 검출기 출력 신호를 생성한다. 검출기(DET)는 1 이상의 검출기 타입의 여하한의 조합을 포함할 수 있다.
삼각측량 기술들에 의해, 측정 위치(MLO)에서의 높이 레벨이 결정될 수 있다. 검출된 높이 레벨은 통상적으로 검출기(DET)에 의해 측정된 바와 같은 신호 강도와 관련되며, 신호 강도는 특히 투영 격자(PGR)의 디자인 및 (비스듬한) 입사각(ANG)에 의존하는 주기성을 갖는다.
투영 유닛(LSP) 및/또는 검출 유닛(LSD)은 투영 격자(PGR)와 검출 격자(DGR) 사이의 패터닝된 방사선 빔의 경로를 따라, 렌즈 및/또는 거울과 같은 추가 광학 요소들을 포함할 수 있다(도시되지 않음).
일 실시예에서, 검출 격자(DGR)는 생략될 수 있고, 검출기(DET)는 검출 격자(DGR)가 놓이는 위치에 배치될 수 있다. 이러한 구성은 투영 격자(PGR)의 이미지의 더 직접적인 검출을 제공한다.
기판(W)의 표면을 효과적으로 커버하기 위해, 레벨 센서(LS)는 기판(W)의 표면 상에 측정 빔(BE1)들의 어레이를 투영하도록 구성될 수 있고, 이에 의해 더 큰 측정 범위를 덮는 스폿들 또는 측정 영역(MLO)들의 어레이를 생성한다.
일반적인 타입의 다양한 높이 센서들이, 예를 들어 인용참조되는 US7265364 및 US7646471에 개시되어 있다. 가시 방사선 또는 적외 방사선 대신에 UV 방사선을 사용하는 높이 센서가, 인용참조되는 US2010233600A1에 개시되어 있다. 인용참조되는 WO2016102127A1에는, 검출 격자를 필요로 하지 않고 격자 이미지의 위치를 검출하고 인식하기 위해 다-요소 검출기를 사용하는 컴팩트 높이 센서가 설명되어 있다.
IC 제조 시 사용되는 또 다른 타입의 메트롤로지 툴은 정렬 센서이다. 그러므로, 리소그래피 장치의 성능의 중요한 측면은 (동일한 장치 또는 상이한 리소그래피 장치에 의해) 적용된 패턴을 이전 층들에 배치된 피처들과 관련하여 정확하고 올바르게 배치하는 능력이다. 이를 위해, 기판에는 1 이상의 마크 또는 타겟 세트가 제공된다. 각각의 마크는 위치 센서, 통상적으로 광학 위치 센서를 사용하여 나중에 위치가 측정될 수 있는 구조체이다. 위치 센서는 "정렬 센서"라고 칭해질 수 있고, 마크들은 "정렬 마크"라고 칭해질 수 있다.
리소그래피 장치는 기판 상에 제공된 정렬 마크들의 위치들을 정확하게 측정할 수 있는 1 이상의(예를 들어, 복수의) 정렬 센서를 포함할 수 있다. 정렬(또는 위치) 센서들은 회절 및 간섭과 같은 광학 현상을 사용하여 기판에 형성된 정렬 마크들로부터 위치 정보를 얻을 수 있다. 현재 리소그래피 장치에서 사용되는 정렬 센서의 일 예시는 US6961116에 설명된 바와 같은 자기-참조 간섭계(self-referencing interferometer)에 기초한다. 예를 들어, US2015261097A1에 개시된 바와 같이 위치 센서의 다양한 개선 및 수정 사항들이 개발되었다. 이들은 모두 그 내용이 본 명세서에서 인용참조된다.
도 6은, 예를 들어 인용참조되는 US6961116에 설명되어 있는 알려진 정렬 센서(AS)의 일 실시예의 개략적인 블록 다이어그램이다. 방사선 소스(RSO)가 1 이상의 파장의 방사선 빔(RB)을 제공하며, 이는 전환 광학기(diverting optics)에 의해 조명 스폿(SP)으로서 기판(W) 상에 위치된 마크(AM)와 같은 마크 상으로 전환된다. 이 예시에서, 전환 광학기는 스폿 거울(SM) 및 대물 렌즈(OL)를 포함한다. 마크(AM)가 조명되는 조명 스폿(SP)은 마크 자체의 폭보다 직경이 약간 더 작을 수 있다.
정렬 마크(AM)에 의해 회절된 방사선은 [이 예시에서는 대물 렌즈(OL)를 통해] 정보-전달 빔(information-carrying beam: IB)으로 시준(collimate)된다. "회절된"이라는 용어는 마크로부터의 0차 회절(이는 반사라고 할 수 있음)을 포함하도록 의도된다. 예를 들어, 앞서 언급된 US6961116에 개시된 타입의 자기-참조 간섭계(SRI)가 빔(IB)을 광검출기(PD)에 의해 빔이 수용된 후 자신과 간섭한다. 방사선 소스(RSO)에 의해 1보다 많은 파장이 생성되는 경우에 별개의 빔들을 제공하기 위해 추가적인 광학기(도시되지 않음)가 포함될 수 있다. 광검출기는 단일 요소일 수 있거나, 이는 원하는 경우에 다수의 픽셀들을 포함할 수 있다. 광검출기는 센서 어레이를 포함할 수 있다.
이 예시에서 스폿 거울(SM)을 포함하는 전환 광학기는 마크로부터 반사된 0차 방사선을 차단하는 역할도 할 수 있으므로, 정보-전달 빔(IB)은 마크(AM)로부터의 고차 회절 방사선만을 포함한다(이는 측정에 필수적인 것은 아니지만, 신호 대 잡음 비를 개선함).
세기 신호들(SI)이 처리 유닛(PU)에 공급된다. 블록 SRI에서의 광학 처리 및 유닛 PU에서의 전산 처리의 조합에 의해, 기준 프레임에 대한 기판의 X 및 Y 위치에 대한 값들이 출력된다.
나타낸 타입의 단일 측정은 단지 마크의 한 피치에 대응하는 소정 범위 내에 마크의 위치를 고정한다. 이와 함께 더 개략적인 측정 기술들이 사용되어 마크 위치를 포함하는 사인파의 주기를 식별한다. 마크가 만들어지는 재료들 및 마크가 위 및/또는 아래에 제공되는 재료들에 관계없이 마크의 견고한 검출 및/또는 증가된 정확성을 위해 상이한 파장들에서 더 개략적인 및/또는 미세한 레벨들의 동일한 프로세스가 반복될 수 있다. 파장들은 광학적으로 다중화 및 역다중화되어 동시에 처리될 수 있고, 및/또는 이들은 시분할 또는 주파수 분할에 의해 다중화될 수 있다.
이 예시에서, 정렬 센서 및 스폿(SP)은 정지 상태로 유지되는 한편, 이동하는 것은 기판(W)이다. 따라서, 정렬 센서는 기판(W)의 이동 방향과 반대인 방향으로 마크(AM)를 효과적으로 스캔하면서 기준 프레임에 견고하고 정확하게 장착될 수 있다. 기판(W)은 기판 지지체 및 기판 지지체의 이동을 제어하는 기판 위치설정 시스템 상의 장착에 의해 이 이동이 제어된다. 기판 지지체 위치 센서(예를 들어, 간섭계)는 기판 지지체(도시되지 않음)의 위치를 측정한다. 일 실시예에서, 1 이상의 (정렬) 마크가 기판 지지체 상에 제공된다. 기판 지지체 상에 제공된 마크들의 위치의 측정이 위치 센서에 의해 결정된 바와 같은 기판 지지체의 위치로 하여금 (예를 들어, 정렬 시스템이 연결되는 프레임에 대해) 캘리브레이션되게 한다. 기판 상에 제공된 정렬 마크들의 위치의 측정이 기판 지지체에 대한 기판의 위치로 하여금 결정되게 한다.
앞서 언급된 스케터로미터, 토포그래피 측정 시스템, 또는 위치 측정 시스템과 같은 메트롤로지 툴들(MT)은 측정을 수행하기 위해 방사선 소스로부터 발생하는 방사선을 사용할 수 있다. 메트롤로지 툴에 의해 사용되는 방사선의 속성들은 수행될 수 있는 측정들의 타입 및 품질에 영향을 미칠 수 있다. 일부 적용들에 대해, 기판을 측정하기 위해 다수 방사선 주파수들을 사용하는 것이 유리할 수 있으며, 예를 들어 광대역 방사선이 사용될 수 있다. 다수의 상이한 주파수들이 다른 주파수들과 간섭하지 않거나 최소한의 간섭으로 메트롤로지 타겟으로부터 전파, 조사 및 산란될 수 있다. 그러므로, 예를 들어 더 많은 메트롤로지 데이터를 동시에 얻기 위해 상이한 주파수들이 사용될 수 있다. 또한, 상이한 방사선 주파수들은 메트롤로지 타겟의 상이한 속성들의 정보를 얻고 발견할 수 있다. 광대역 방사선은, 예를 들어 레벨 센서, 정렬 마크 측정 시스템, 스케터로메트리 툴, 또는 검사 툴과 같은 메트롤로지 시스템(MT)에서 유용할 수 있다. 광대역 방사선 소스는 초연속 소스일 수 있다.
고품질 광대역 방사선, 예를 들어 초연속 방사선은 생성하기 어려울 수 있다. 광대역 방사선을 생성하는 한 가지 방법은 고출력 협대역 또는 단일 주파수 입력 방사선 또는 펌프 방사선을 넓히는 것, 예를 들어 비-선형, 고차 효과들을 사용하는 것일 수 있다. (레이저를 사용하여 생성될 수 있는) 입력 방사선은 펌프 방사선이라고 칭해질 수 있다. 대안적으로, 입력 방사선은 시드 방사선(seed radiation)이라고 칭해질 수 있다. 확장 효과들을 위한 고출력 방사선을 얻기 위해, 방사선이 작은 영역으로 한정되어 강하게 국부화된 높은 세기의 방사선이 달성되도록 할 수 있다. 이러한 영역들에서, 방사선은 광대역 출력 방사선을 생성하기 위해 비-선형 매질을 형성하는 재료들 및/또는 확장 구조체들과 상호작용할 수 있다. 높은 세기의 방사선 영역들에서, 상이한 재료들 및/또는 구조체들이 사용되어 적절한 비-선형 매질을 제공함으로써 방사선 확장을 가능하게 하고, 및/또는 개선할 수 있다.
일부 구현들에서, 광대역 출력 방사선은 광결정 광섬유(PCF)에서 생성된다. 몇몇 실시예들에서, 이러한 광결정 광섬유는 섬유 코어에서 섬유를 통해 이동하는 방사선을 한정하는 것을 돕는 섬유 코어 주위의 미세구조들을 갖는다. 섬유 코어는 비-선형 속성들을 갖고 높은 세기의 펌프 방사선이 섬유 코어를 통해 전송될 때 광대역 방사선을 생성할 수 있는 고체 재료로 만들어질 수 있다. 고체 코어 광결정 광섬유에서 광대역 방사선을 생성하는 것이 가능하지만, 고체 재료를 사용하는 데 몇 가지 단점이 있을 수 있다. 예를 들어, 고체 코어에서 UV 방사선이 생성되는 경우, 이 방사선은 대부분의 고체 재료에 의해 흡수되기 때문에 섬유의 출력 스펙트럼에 존재하지 않을 수 있다.
일부 구현들에서, 도 8을 참조하여 아래에서 더 논의되는 바와 같이, 입력 방사선을 넓히는 방법들 및 장치는 입력 방사선을 한정하고 입력 방사선을 넓혀 광대역 방사선을 출력하기 위해 섬유를 사용할 수 있다. 섬유는 중공 코어 섬유일 수 있고, 섬유에서의 방사선의 효과적인 안내 및 한정을 달성하기 위한 내부 구조들을 포함할 수 있다. 섬유는 중공 코어 광결정 광섬유(HC-PCF)일 수 있고, 이는 주로 섬유의 중공 코어 내부의 강한 방사선 한정에 특히 적절하여 높은 방사선 세기들을 달성한다. 섬유의 중공 코어는 입력 방사선을 넓히기 위한 확장 매질로서 작용하는 가스로 채워질 수 있다. 이러한 섬유 및 가스 구성은 초연속 방사선 소스를 생성하는 데 사용될 수 있다. 섬유에 입력되는 방사선은 전자기 방사선, 예를 들어 적외선, 가시광선, UV 및 극자외선 스펙트럼들 중 1 이상에서의 방사선일 수 있다. 출력 방사선은 본 명세서에서 백색 광이라고 칭해질 수 있는 광대역 방사선으로 이루어지거나 이를 포함할 수 있다.
일부 실시예들은 광섬유를 포함하는 이러한 광대역 방사선 소스의 새로운 디자인에 관한 것이다. 광섬유는 중공-코어, 광결정 광섬유(HC-PCF)이다. 특히, 광섬유는 방사선의 한정을 위한 공진-방지 구조체들을 포함하는 타입의 중공-코어, 광결정 광섬유일 수 있다. 공진-방지 구조체들을 포함하는 이러한 섬유들은 공진-방지 섬유, 관형 섬유, 단일-고리 섬유, 음 곡률 섬유 또는 커플링 억제 섬유로서 당업계에 알려져 있다. 이러한 섬유들의 여러 상이한 디자인들이 당업계에 알려져 있다. 대안적으로, 광섬유는 광밴드갭 광섬유(HC-PBF, 예를 들어 Kagome 광섬유)일 수 있다.
여러 타입의 HC-PCF들이 각각 상이한 물리적 안내 메카니즘에 기초하여 설계될 수 있다. 이러한 2 개의 HC-PCF는: 중공 코어 광밴드갭 광섬유(HC-PBF) 및 중공 코어 공진-방지 반사 광섬유(HC-ARF)를 포함한다. HC-PCF의 디자인 및 제조에 대한 세부사항은 (HC-PBF에 대해) 미국 특허 US2004/015085A1 및 (중공 코어 공진-방지 반사 광섬유에 대해) 국제 PCT 특허 출원 WO2017/032454A1에서 찾아볼 수 있으며, 이들은 본 명세서에서 인용참조된다. 도 9a가 Kagome 격자 구조를 포함하는 Kagome 섬유를 나타낸다.
이제, 방사선 소스에 사용하기 위한 광섬유의 일 예시가 도 7을 참조하여 설명되며, 이는 횡단면에서의 광섬유(OF)의 개략적인 단면도이다. 도 7의 섬유의 실제 예시와 유사한 추가 실시예들이 WO2017/032454A1에 개시되어 있다.
광섬유(OF)는 한 치수가 섬유(OF)의 다른 두 치수들에 비해 더 긴 세장형 몸체(elongate body)를 포함한다. 이 더 긴 치수는 축 방향으로 지칭될 수 있고, 광섬유(OF)의 축을 정의할 수 있다. 2 개의 다른 치수들은 횡단면으로 지칭될 수 있는 평면을 정의한다. 도 7은 x-y 평면으로 라벨링된 이 횡단면(즉, 축에 수직)에서의 광섬유(OF)의 단면을 나타낸다. 광섬유(OF)의 횡단면은 섬유 축을 따라 실질적으로 일정할 수 있다.
광섬유(OF)는 어느 정도의 유연성을 가지며, 이에 따라 축의 방향은 일반적으로 광섬유(OF)의 길이를 따라 균일하지 않을 것임을 이해할 것이다. 광축, 횡단면 등과 같은 용어는 국부적인 광축, 국부적인 횡단면 등을 의미하는 것으로 이해될 것이다. 또한, 구성요소들이 원통형 또는 관형인 것으로 설명되는 경우, 이러한 용어들은 광섬유(OF)가 구부러질 때 왜곡되었을 수 있는 이러한 형상들을 포함하는 것으로 이해될 것이다.
광섬유(OF)는 여하한의 길이를 가질 수 있고, 광섬유(OF)의 길이는 적용예에 의존할 수 있음을 이해할 것이다. 광섬유(OF)는 1 cm 내지 10 m의 길이를 가질 수 있고, 예를 들어 광섬유(OF)는 10 cm 내지 100 cm의 길이를 가질 수 있다.
광섬유(OF)는: 중공 코어(HC); 중공 코어(HC)를 둘러싸는 클래딩 부분; 및 클래딩 부분을 둘러싸고 지지하는 지지 부분(SP)을 포함한다. 광섬유(OF)는 중공 코어(HC)를 갖는 몸체[클래딩 부분 및 지지 부분(SP)을 포함함]를 포함하는 것으로 간주될 수 있다. 클래딩 부분은 중공 코어(HC)를 통해 방사선을 안내하기 위한 복수의 공진-방지 요소들을 포함한다. 특히, 복수의 공진-방지 요소들은 광섬유(OF)를 통해 전파하는 방사선을 주로 중공 코어(HC) 내부에 한정하고 광섬유(OF)를 따라 방사선을 안내하도록 배치된다. 광섬유(OF)의 중공 코어(HC)는 실질적으로 광섬유(OF)의 중심 구역에 배치되어, 광섬유(OF)의 축이 광섬유(OF)의 중공 코어(HC)의 축을 정의할 수도 있도록 할 수 있다.
클래딩 부분은 광섬유(OF)를 통해 전파하는 방사선을 안내하기 위한 복수의 공진-방지 요소들을 포함한다. 특히, 이 실시예에서, 클래딩 부분은 6 개의 관형 모세관(CAP)들의 단일 링을 포함한다. 관형 모세관(CAP)들 각각이 공진-방지 요소로서 작용한다.
또한, 모세관(CAP)들은 튜브라고 칭해질 수도 있다. 모세관(CAP)들은 단면이 원형이거나, 또 다른 형상을 가질 수 있다. 각각의 모세관(CAP)은 광섬유(OF)의 중공 코어(HC)를 적어도 부분적으로 정의하고 모세관 캐비티(CC)로부터 중공 코어(HC)를 분리하는 일반적으로 원통형인 벽 부분(WP)을 포함한다. 벽 부분(WP)은 중공 코어(HC)를 통해 전파하는[그리고 스침 입사각으로 벽 부분(WP)에 입사될 수 있는] 방사선에 대한 반사-방지 파브리-페로(Fabry-Perot) 공진기로서 작용할 수 있음을 이해할 것이다. 벽 부분(WP)의 두께는, 중공 코어(HC)로의 반사가 일반적으로 향상되는 반면 모세관 캐비티(CC)로의 투과는 일반적으로 억제될 것을 보장하기에 적절할 수 있다. 일부 실시예들에서, 모세관 벽 부분(WP)은 0.01 내지 10.0 ㎛의 두께를 가질 수 있다.
본 명세서에서 사용된 바와 같이, 클래딩 부분이라는 용어는 광섬유(OF)를 통해 전파하는 방사선을 안내하기 위한 광섬유(OF)의 부분[즉, 중공 코어(HC) 내에 상기 방사선을 한정하는 모세관(CAP)]을 의미하는 것으로 의도됨을 이해할 것이다. 방사선은 가로 모드의 형태로 한정되어 섬유 축을 따라 전파할 수 있다.
지지 부분은 일반적으로 관형이고, 클래딩 부분의 6 개의 모세관들(CAP)을 지지한다. 6 개의 모세관들(CAP)은 내측 지지 부분(SP)의 내표면 주위에 고르게 분포된다. 6 개의 모세관들(CAP)은 일반적으로 육각형 형태로 배치되는 것으로 설명될 수 있다.
모세관들(CAP)은 각각의 모세관이 다른 모세관들(CAP) 중 어느 것과도 접촉하지 않도록 배치된다. 모세관들(CAP) 각각은 내측 지지 부분(SP)과 접촉하고, 링 구조에서 인접한 모세관들(CAP)과 이격되어 있다. 이러한 구성은 (예를 들어, 모세관들이 서로 접촉하는 구성에 비해) 광섬유(OF)의 전송 대역폭을 증가시킬 수 있기 때문에 유리할 수 있다. 대안적으로, 일부 실시예들에서, 모세관들(CAP) 각각은 링 구조에서 인접한 모세관들(CAP)과 접촉할 수 있다.
클래딩 부분의 6 개의 모세관들(CAP)은 중공 코어(HC) 주위에 링 구조로 배치된다. 모세관들(CAP)의 링 구조의 내표면이 적어도 부분적으로 광섬유(OF)의 중공 코어(HC)를 정의한다. (화살표 d로 표시된 마주하는 모세관들 사이의 최소 치수로서 정의될 수 있는) 중공 코어(HC)의 직경(d)은 10 내지 1000 ㎛일 수 있다. 중공 코어(HC)의 직경(d)은 중공 코어 광섬유(OF)의 모드 필드 직경, 충격 손실, 분산, 모드 복수성(modal plurality) 및 비-선형성 속성들에 영향을 미칠 수 있다.
이 실시예에서, 클래딩 부분은 (공진-방지 요소들로서 작용하는) 모세관들(CAP)의 단일 링 구성을 포함한다. 그러므로, 중공 코어(HC)의 중심에서 광섬유(OF)의 외부까지의 여하한의 반경 방향으로의 라인은 단 하나의 모세관(CAP)만을 통과한다.
다른 실시예들에는 공진-방지 요소들의 상이한 구성들이 제공될 수 있음을 이해할 것이다. 이들은 공진-방지 요소들의 다수 링들을 갖는 구성들 및 네스티드(nested) 공진-방지 요소들을 갖는 구성들을 포함할 수 있다. 도 9a는 모세관들(CAP)의 3 개의 링들이 반경 방향을 따라 서로 겹쳐져 있는 HC-PCF의 일 실시예를 나타낸다. 이 실시예에서, 각각의 모세관(CAP)은 동일한 링 및 상이한 링 모두에서의 다른 모세관들과 접촉하고 있다. 또한, 도 7에 나타낸 실시예는 6 개의 모세관들의 링을 포함하지만, 다른 실시예들에서 여하한 수의 공진-방지 요소들(예를 들어, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11 또는 12 개의 모세관들)을 포함하는 1 이상의 링이 클래딩 부분에 제공될 수 있다.
도 9b가 관형 모세관들의 단일 링을 갖는 앞서 논의된 HC-PCF의 수정된 실시예를 나타낸다. 도 9b의 예시에서는, 관형 모세관(CAP)들의 2 개의 동축 링들이 존재한다. 관형 모세관들(CAP)의 내측 및 외측 링들을 유지하기 위해, 지지 튜브(support tube: ST)가 HC-PCF에 포함될 수 있다. 지지 튜브는 실리카로 만들어질 수 있다.
도 7 및 도 9a 및 도 9b의 예시들의 관형 모세관들은 원형 단면 형상을 가질 수 있다. 타원형 또는 다각형 단면과 같은 다른 형상들도 관형 모세관들에 대해 가능하다. 추가적으로, 도 7 및 도 9a 및 도 9b의 예시들의 관형 모세관들의 고체 재료는 PMA와 같은 플라스틱 재료, 실리카와 같은 유리, 또는 연질 유리를 포함할 수 있다.
도 8은 광대역 출력 방사선을 제공하는 방사선 소스(RDS)를 도시한다. 방사선 소스(RDS)는 펄스 펌프 방사선 소스(PRS) 또는 원하는 길이 및 에너지 레벨의 짧은 펄스들을 생성할 수 있는 여하한의 다른 타입의 소스; 중공 코어(HC)를 갖는 (예를 들어, 도 7에 나타낸 타입의) 광섬유(OF); 및 중공 코어(HC) 내에 배치된 작용 매질(WM)(예를 들어, 가스)을 포함한다. 도 8에서 방사선 소스(RDS)는 도 7에 나타낸 광섬유(OF)를 포함하지만, 대안적인 실시예들에서 다른 타입들의 중공 코어(HC) 광섬유(OF)가 사용될 수 있다.
펄스 펌프 방사선 소스(PRS)는 입력 방사선(IRD)을 제공하도록 구성된다. 광섬유(OF)의 중공 코어(HC)는 펄스 펌프 방사선 소스(PRS)로부터 입력 방사선(IRD)을 수용하고 이를 확장하여 출력 방사선(ORD)을 제공하도록 배치된다. 작용 매질(WM)은 광대역 출력 방사선(ORD)을 제공하기 위해 수용된 입력 방사선(IRD)의 주파수 범위의 확장을 가능하게 한다.
방사선 소스(RDS)는 저장부(reservoir: RSV)를 더 포함한다. 광섬유(OF)는 저장부(RSV) 내부에 배치된다. 저장부(RSV)는 하우징, 컨테이너, 또는 가스 셀이라고 칭해질 수도 있다. 저장부(RSV)는 작용 매질(WM)을 포함하도록 구성된다. 저장부(RSV)는 저장부(RSV) 내부의 (가스일 수 있는) 작용 매질(WM)의 조성을 제어, 조절 및/또는 모니터링하기 위해 당업계에 알려진 1 이상의 특징을 포함할 수 있다. 저장부(RSV)는 제 1 투명창(transparent window: TW1)을 포함할 수 있다. 사용 시, 광섬유(OF)는 제 1 투명창(TW1)이 광섬유(OF)의 입력단(IE)에 근접하여 위치되도록 저장부(RSV) 내부에 배치된다. 제 1 투명창(TW1)은 저장부(RSV)의 벽의 일부를 형성할 수 있다. 제 1 투명창(TW1)은 적어도 수용된 입력 방사선 주파수들에 대해 투명하여, 수용된 입력 방사선(IRD)(또는 적어도 그 대부분)이 저장부(RSV) 내부에 위치된 광섬유(OF)로 커플링될 수 있도록 할 수 있다. 입력 방사선(IRD)을 광섬유(OF)에 커플링하기 위해 광학기(도시되지 않음)가 제공될 수 있음을 이해할 것이다.
저장부(RSV)는 저장부(RSV)의 벽의 일부를 형성하는 제 2 투명창(TW2)을 포함한다. 사용 시, 광섬유(OF)가 저장부(RSV) 내부에 배치되는 경우, 제 2 투명창(TW2)은 광섬유(OF)의 출력단(OE)에 근접하여 위치된다. 제 2 투명창(TW2)은 적어도 장치(120)의 광대역 출력 방사선(ORD)의 주파수들에 대해 투명할 수 있다.
대안적으로, 또 다른 실시예에서, 광섬유(OF)의 2 개의 양 단부들은 상이한 저장부들의 내부에 배치될 수 있다. 광섬유(OF)는 입력 방사선(IRD)을 수용하도록 구성되는 제 1 단부 섹션, 및 광대역 출력 방사선(ORD)을 출력하는 제 2 단부 섹션을 포함할 수 있다. 제 1 단부 섹션은 작용 매질(WM)을 포함하는 제 1 저장부 내부에 배치될 수 있다. 제 2 단부 섹션은 제 2 저장부 내부에 배치될 수 있으며, 여기서 제 2 저장부도 작용 매질(WM)을 포함할 수 있다. 저장부들의 기능은 앞서 도 8과 관련하여 설명된 바와 같을 수 있다. 제 1 저장부는 입력 방사선(IRD)에 대해 투명하도록 구성되는 제 1 투명창을 포함할 수 있다. 제 2 저장부는 광대역 출력 방사선(ORD)에 대해 투명하도록 구성되는 제 2 투명창을 포함할 수 있다. 또한, 제 1 및 제 2 저장부들은 광섬유(OF)가 부분적으로 저장부 내부에 그리고 부분적으로 저장부 외부에 배치되게 하는 밀봉가능한 개구부(sealable opening)를 포함하여, 가스가 저장부 내부에 밀봉될 수 있도록 할 수 있다. 광섬유(OF)는 저장부 내부에 포함되지 않은 중간 섹션을 더 포함할 수 있다. 2 개의 개별 가스 저장부들을 사용하는 이러한 구성은 광섬유(OF)가 비교적 긴(예를 들어, 길이가 1 m보다 긴 경우) 실시예들에 특히 편리할 수 있다. 2 개의 개별 가스 저장부들을 사용하는 이러한 구성들에 대해, 2 개의 저장부들(이는 2 개의 저장부들 내부의 가스의 조성을 제어, 조절 및/또는 모니터링하기 위해 당업계에 알려진 1 이상의 특징을 포함할 수 있음)은 광섬유(OF)의 중공 코어(HC) 내에 작용 매질(WM)을 제공하는 장치를 제공하는 것으로 간주될 수 있음을 이해할 것이다.
이러한 맥락에서, 창에서의 그 주파수의 입사 방사선의 적어도 50 %, 75 %, 85 %, 90 %, 95 %, 또는 99 %가 창을 통해 투과되는 경우에 창이 주파수에 대해 투명할 수 있다.
제 1(TW1) 및 제 2(TW2) 투명창들은 둘 다 (가스일 수 있는) 작용 매질(WM)이 저장부(RSV) 내에 포함될 수 있도록 저장부(RSV)의 벽들 내에서 기밀 시일(airtight seal)을 형성할 수 있다. 가스(WM)는 저장부(RSV)의 주위 압력과 상이한 압력에서 저장부(RSV) 내에 포함될 수 있음을 이해할 것이다.
작용 매질(WM)은 아르곤, 크립톤 및 제논과 같은 희가스, 수소, 듀테륨 및 질소와 같은 라만 활성 가스, 또는 아르곤/수소 혼합물, 제논/듀테륨 혼합물, 크립톤/질소 혼합물 또는 질소/수소 혼합물과 같은 가스 혼합물을 포함할 수 있다. 충전 가스의 타입에 의존하여, 비선형 광학 프로세스들은 변조 불안정(modulational instability: MI), 솔리톤 자체-압축(soliton self-compression), 솔리톤 분열(soliton fission), 커 효과, 라만 효과 및 분산파 생성(DWG)을 포함할 수 있으며, 이에 대한 세부사항은 WO2018/127266A1 및 US9160137B1에 설명되어 있다(둘 다 본 명세서에서 인용참조됨). 충전 가스의 분산은 저장부(RSV) 내의 작용 매질(WM) 압력(즉, 가스 셀 압력)을 변동시킴으로써 조정될 수 있으므로, 생성된 광대역 펄스 역학 및 관련 스펙트럼 확장 특성이 조정되어 주파수 변환을 최적화할 수 있다.
일 구현예에서, 작용 매질(WM)은 광대역 출력 방사선(ORD)을 생성하기 위해 적어도 입력 방사선(IRD)의 수용 동안에 중공 코어(HC) 내에 배치될 수 있다. 광섬유(OF)가 광대역 출력 방사선을 생성하기 위한 입력 방사선(IRD)을 수용하고 있지 않은 동안, 가스(WM)는 중공 코어(HC)에 완전히 또는 부분적으로 없을 수 있음을 이해할 것이다.
주파수 확장을 달성하기 위해, 높은 세기의 방사선이 바람직할 수 있다. 중공 코어(HC) 광섬유(OF)를 갖는 이점은, 이것이 광섬유(OF)를 통해 전파하는 방사선의 강한 공간적 한정을 통해 높은 세기의 방사선을 달성하여, 높은 국부적 방사선 세기들을 달성할 수 있다는 것이다. 광섬유(OF) 내부의 방사선 세기는, 예를 들어 높은 수용된 입력 방사선 세기 및/또는 광섬유(OF) 내부의 방사선의 강한 공간적 한정으로 인해 높을 수 있다. 중공 코어 광섬유들의 이점은, 이들이 고체-코어 섬유들 및, 특히 중공 코어 광섬유들이 자외선 및 적외선 범위들 모두에서 방사선을 안내할 수 있는 더 넓은 파장 범위를 갖는 방사선을 안내할 수 있다는 것이다.
중공 코어(HC) 광섬유(OF)를 사용하는 이점은, 광섬유(OF) 내부에서 안내되는 방사선의 대부분이 중공 코어(HC)에 한정된다는 것일 수 있다. 그러므로, 광섬유(OF) 내부에서의 방사선 상호작용의 대부분은 광섬유(OF)의 중공 코어(HC) 내부에 제공되는 작용 매질(WM)과 이루어진다. 결과로서, 방사선에 대한 작용 매질(WM)의 확장 효과들이 증가될 수 있다.
수용된 입력 방사선(IRD)은 전자기 방사선일 수 있다. 입력 방사선(IRD)은 펄스 방사선으로서 수용될 수 있다. 예를 들어, 입력 방사선(IRD)은 예를 들어 레이저에 의해 생성되는 초고속 펄스들을 포함할 수 있다.
입력 방사선(IRD)은 코히런트 방사선(coherent radiation)일 수 있다. 입력 방사선(IRD)은 시준된 방사선일 수 있고, 그 이점은 입력 방사선(IRD)을 광섬유(OF)에 커플링하는 효율을 촉진 및 개선한다는 것일 수 있다. 입력 방사선(IRD)은 단일 주파수 또는 좁은 범위의 주파수들을 포함할 수 있다. 입력 방사선(IRD)은 레이저에 의해 생성될 수 있다. 유사하게, 출력 방사선(ORD)은 시준될 수 있고, 및/또는 코히런트일 수 있다.
출력 방사선(ORD)의 광대역 범위는 연속 범위일 수 있으며, 방사선 주파수들의 연속 범위를 포함한다. 출력 방사선(ORD)은 초연속 방사선을 포함할 수 있다. 연속 방사선은 다수의 적용예들, 예를 들어 메트롤로지 적용예들에서 사용하는 데 유리할 수 있다. 예를 들어, 주파수들의 연속 범위는 많은 속성들의 정보를 얻는 데 사용될 수 있다. 주파수들의 연속 범위는 예를 들어 측정된 속성의 주파수 의존성을 결정 및/또는 제거하는 데 사용될 수 있다. 초연속 출력 방사선(ORD)은, 예를 들어 100 nm 내지 4000 nm의 파장 범위에 걸친 전자기 방사선을 포함할 수 있다. 광대역 출력 방사선(ORD) 주파수 범위는, 예를 들어 400 nm 내지 900 nm, 500 nm 내지 900 nm, 또는 200 nm 내지 2000 nm일 수 있다. 초연속 출력 방사선(ORD)은 백색 광을 포함할 수 있다.
펄스 펌프 방사선 소스(PRS)에 의해 제공되는 입력 방사선(IRD)은 펄스형일 수 있다. 입력 방사선(IRD)은 200 nm 내지 2 ㎛의 1 이상의 주파수의 전자기 방사선을 포함할 수 있다. 입력 방사선(IRD)은, 예를 들어 1.03 ㎛의 파장을 갖는 전자기 방사선을 포함할 수 있다. 펄스 방사선(IRD)의 반복률은 1 kHz 내지 100 MHz 정도의 크기일 수 있다. 펄스 에너지들은 0.1 μJ 내지 100 μJ, 예를 들어 1 내지 10 μJ 정도의 크기를 가질 수 있다. 입력 방사선(IRD)에 대한 펄스 지속 시간은 10 fs 내지 10 ps, 예를 들어 300 fs일 수 있다. 입력 방사선(IRD)의 평균 전력은 100 mW 내지 수 100 W일 수 있다. 입력 방사선(IRD)의 평균 전력은 예를 들어 20 내지 50 W일 수 있다.
펄스 펌프 방사선 소스(PRS)는 레이저일 수 있다. 광섬유(OF)를 따라 전송되는 이러한 레이저 펄스의 시공간 전송 특성들, 예를 들어 그 스펙트럼 진폭 및 위상은 (펌프) 레이저 파라미터, 작용 성분(WM) 변동, 및 광섬유(OF) 파라미터의 조정을 통해 변동 및 조정될 수 있다. 상기 시공간 전송 특성들은: 출력 전력, 출력 모드 프로파일, 출력 시간 프로파일, 출력 시간 프로파일의 폭(또는 출력 펄스 폭), 출력 스펙트럼 프로파일, 및 출력 스펙트럼 프로파일의 대역폭(또는 출력 스펙트럼 대역폭) 중 1 이상을 포함할 수 있다. 상기 펄스 펌프 방사선 소스(PRS) 파라미터들은: 펌프 파장, 펌프 펄스 에너지, 펌프 펄스 폭, 펌프 펄스 반복률 중 1 이상을 포함할 수 있다. 상기 광섬유(OF) 파라미터들은: 광섬유 길이, 중공 코어(HC)의 크기 및 형상, 모세관들의 크기 및 형상, 중공 코어(HC)를 둘러싸는 모세관 벽들의 두께 중 1 이상을 포함할 수 있다. 상기 작용 성분(WM), 예를 들어 충전 가스 파라미터들은: 가스 타입, 가스 압력 및 가스 온도 중 1 이상을 포함할 수 있다.
방사선 소스(RDS)에 의해 제공되는 광대역 출력 방사선(ORD)은 적어도 1 W의 평균 출력 전력을 가질 수 있다. 평균 출력 전력은 적어도 5 W일 수 있다. 평균 출력 전력은 적어도 10 W일 수 있다. 광대역 출력 방사선(ORD)은 펄스 광대역 출력 방사선(ORD)일 수 있다. 광대역 출력 방사선(ORD)은 적어도 0.01 mW/nm의 출력 방사선의 전체 파장 대역에서의 전력 스펙트럼 밀도를 가질 수 있다. 광대역 출력 방사선의 전체 파장 대역에서의 전력 스펙트럼 밀도는 적어도 3 mW/nm일 수 있다.
앞서 언급된 메트롤로지 적용예들과 같은 광대역 출력 방사선(ORD)을 필요로 하는 많은 적용예들에서, 광대역 출력 방사선(ORD)의 단파장 에지를 더 확장하는 것, 특히 자외(UV) 파장 구역으로 확장하는 것에 대한 관심이 증가하고 있다. 원하는 파장 구역은, 예를 들어 400 nm까지, 350 nm까지, 300 nm까지, 200 nm까지, 100 nm까지, 50 nm까지 또는 10 nm까지의 파장들을 포함할 수 있다. 평활한(또는 평평한) 스펙트럼 프로파일 및 확장된 단파장 에지를 갖는 광대역 출력 방사선(ORD)(예를 들어, 초연속 또는 백색 광)을 방출할 수 있는 방사선 소스(RDS)가 더 나은 파장 다목적성 및 이에 따른 더 큰 유연성이 필요한 적용예들에서 매우 바람직하다. 예를 들어, 기존 광 소스들이 더 작은 피치 크기들 및 더 많은 수의 층들을 갖는 타겟들을 사용해야 하는 지속적인 요구를 충족할 수 없는 오버레이 메트롤로지 적용예들에서 평활한 UV-확장 초연속체가 특히 유용하다. 확장된 UV 파장들은 더 작은 타겟 격자들을 분해하고 더 많은 타겟 층들을 관통할 수 있다. 또한, 평활한 UV-확장 스펙트럼 프로파일은 상이한 적용예들 또는 측정 성능 최적화를 위해 상이한 스펙트럼 범위들 사이에서 정확하고 신뢰성 있는 파장 스위칭을 가능하게 한다.
현재, 광섬유(OF)에서 생성되는 광대역 출력 방사선(ORD)의 단파장 에지를 더 확장하기 위해 몇 가지 방법들이 채택되었다. 이러한 방법들은 a) 더 긴 광섬유(OF)를 사용하는 것; b) 더 작은 코어 직경을 갖는 광섬유를 사용하는 것; 및 c) 더 낮은 가스 압력을 사용하는 것을 포함한다. 개별적으로 또는 조합하여 사용되는 경우, 이러한 방법들은 UV 구역에서 위상 매칭 조건들이 충족되게 함으로써 UV 파장들의 생성을 촉진한다. 하지만, 이러한 방법들은 많은 단점들을 갖는다. 예를 들어, 더 긴 중공 코어(HC) 광섬유(OF)(예를 들어, HC-PCF)는 통상적으로 더 큰 저장부(RSV)를 필요로 하며, 이는 광대역 방사선 소스(RDS)의 더 큰 물리적 치수 및 더 높은 제조 비용을 초래한다. 큰 공간을 차지하는 방사선 소스는 방사선 소스를 수용하기 위해 제한된 공간만이 제공되는 많은 적용예들에 적절하지 않다. 중공 코어(HC) 광섬유(OF)의 코어 직경을 감소시키는 것은 광섬유의 전파 손실을 증가시켜, 더 낮은 변환 효율 및 원치 않은[예를 들어, 불균형 또는 피크가 심한(peaky)] 스펙트럼 프로파일들을 유도한다. 또한, 드로잉 타워에서의 더 작은 코어 직경들을 갖는 중공 코어(HC) 광섬유(OF)의 제작은 매우 까다로우며, 이에 의해 제조 비용이 높아진다. 가스 압력을 감소시키는 것은 가스로 채워진 중공 코어(HC)의 비선형성을 크게 감소시켜, 더 낮은 변환 효율 및 원치 않은(예를 들어, 불균형 또는 피크가 심한) 스펙트럼 프로파일들을 유도한다. 더 낮은 가스 압력에서 동일한 레벨의 비선형성을 유지하기 위해서는, 더 높은 펄스 에너지를 갖는 펄스 펌프 방사선 소스(PRS)가 필요할 것이다. 하지만, 이러한 높은 펄스 에너지 펌프 방사선 소스(PRS)는 매우 고가일 수 있다.
도 10은 30 ㎛ 코어 직경을 갖는 광섬유, 20 ㎛ 코어 직경을 갖는 광섬유, 및 더 낮은 압력에서 작동하는 30 ㎛ 코어 직경을 갖는 광섬유로부터 각각 생성되는 3 개의 출력 스펙트럼들의 시뮬레이션을 설명하는 파장(λ)에 대한 점 확산 전력 스펙트럼 밀도(PSD)의 플롯이다. 도 10에 나타낸 바와 같이, 제 1 출력 스펙트럼(SP1)은 30 ㎛의 코어 직경을 갖고 25.7 bar의 압력에서 크립톤 가스의 작용 매질로 채워진 제 1 HC-PCF에서 생성된다. 입력 방사선(IRD)의 펄스 에너지 및 펄스 반복률은 각각 5.3 μJ 및 5 MHz이다. 제 2 출력 스펙트럼(SP2)은 20 ㎛의 코어 직경을 갖고 25.7 bar의 동일한 압력에서 크립톤 가스의 작용 매질로 채워진 제 2 HC-PCF에서 생성된다. 입력 방사선(IRD)의 펄스 에너지 및 펄스 반복률은 각각 2.4 μJ 및 10.6 MHz이다. 제 3 출력 스펙트럼(SP3)은 더 낮은 압력에서(즉, 25.7 bar보다 낮음) 동일한 작용 매질로 채워진 제 1 HC-PCF에서 생성된다. 입력 방사선(IRD)의 펄스 에너지 및 펄스 반복률은 각각 9.7 μJ 및 2.7 MHz이다. 시뮬레이션에서, 펄스 에너지가 변경될 때, 펄스 반복률은 이에 따라 입력 방사선(IRD)의 일정한 평균 전력을 유지하도록 조정된다.
제 1 출력 스펙트럼(SP1)과는 대조적으로, 제 2 및 제 3 출력 스펙트럼들(SP2, SP3)은 모두 약 350 nm의 단파장 측에 위치된 뾰족한 스펙트럼 피크를 포함한다. 펌프 전력의 상당 부분이 뾰족한 스펙트럼 피크로 변환되기 때문에, 다른 스펙트럼 구역들(예를 들어, 가시광선 및 근적외선 구역들)에서의 스펙트럼 성분들의 PSD는 매우 낮다. 평활한 광대역 스펙트럼이 요구되는 많은 적용예들(예를 들어, 스케터로메트리 기반 메트롤로지 적용예들)에 대해, 이러한 불균형 또는 피크가 심한 스펙트럼 프로파일들은 문제가 될 수 있고 신뢰할 수 없다. 예를 들어, 메트롤로지 적용예들에서, 도 10의 제 2 또는 제 3 출력 스펙트럼(SP2, SP3)으로부터 선택된 UV 스펙트럼 대역(예를 들어, 300 nm 내지 400 nm의 범위)으로 샘플이 조명될 때, 측정 데이터는 스펙트럼의 작은 변화에 매우 민감할 것이다. 뾰족한 스펙트럼 피크의 작은 시프트가 샘플에서 상당한 파장 및/또는 세기 변동들로 이어질 수 있으며, 이는 차례로 신뢰할 수 없는 측정 데이터(예를 들어, 큰 측정 오차들, 반복성 부족)를 유도할 수 있다.
앞서 설명된 바와 같이, 광대역 출력 방사선(ORD)(예컨대, 초연속 또는 백색 광)의 생성에 관련된 많은 비선형 광학 프로세스들이 존재한다. 어느 비선형 광학 프로세스가 다른 프로세스들에 비해 더 확연한 스펙트럼 확장 효과를 갖는지는 작동 파라미터들이 설정되는 방식에 의존할 것이다. 예를 들어, 펌프 펄스가 정상 분산 구역[양의 군속도 분산(GVD)]에서 광섬유를 통해 전파되도록 펌프 파장 및/또는 광섬유를 선택함으로써, 자기 위상 변조가 지배적인 비선형 광학 프로세스이고, 펌프 펄스의 스펙트럼 확장을 담당한다. 하지만, 대부분의 경우, 펄스 펌프 방사선 소스(PRS)에 의해 제공되는 입력 방사선(IRD)의 스펙트럼 확장은 펌프 펄스가 이상 분산 구역(음의 GVD)에서 광섬유(OF)에서 전파되어야 하는 솔리톤 역학에 의해 구동된다. 이는 이상 분산 구역에서 커 비선형성 및 분산의 효과들이 서로 반대로 작용하기 때문이다. 이상 색 분산을 갖는 광섬유(예를 들어, HC-PCF)로 런칭되는 펌프 펄스의 펄스 파라미터들이 솔리톤의 파라미터들과 정확히 매칭하지 않는 경우, 펌프 펄스는 소정 솔리톤 차수 및 분산파를 갖는 솔리톤 펄스로 진화할 것이다.
솔리톤 분열 및 변조 불안정(MI)은 솔리톤 구동 광대역 방사선 생성에서 스펙트럼 확장을 위한 2 가지 주요 메카니즘들인 것으로 알려져 있다. 두 메카니즘들 간의 차이는, 솔리톤 분열 프로세스는 낮은 솔리톤 차수들과 연계되는 반면, MI 프로세스는 높은 솔리톤 차수들과 연계된다는 것이다. MI는 비선형 분산 매질에서의 (MI 변조 주파수에 비해) 강한 협대역 펌프 펄스의 스펙트럼 측파대의 자발적인 성장을 지칭하는 물리적 프로세스이다. MI는 일반적으로 이상 분산 체제에서 발생하지만; 이는 소정 요건들이 충족되는, 예를 들어 고차 분산이 존재하는 경우에 정상 분산 구역에서도 발생할 수 있다. MI 프로세스 동안, 예를 들어 양자 요동으로 인한 펄스의 전기장(또는 엔벨로프)에 존재하는 작은 섭동들이 커 비선형성의 존재 시 기하급수적으로 증폭된다. 증폭의 양은 MI 이득에 의해 결정된다. 이러한 MI 프로세스 동안, 시간적 펄스 엔벨로프(temporal pulse envelope)는 복수의 짧은 시간적 서브-구조들 또는 기본 솔리톤들로 나뉜다. 이와 병행하여, 스펙트럼 측파대들이 피크 펌프 파장의 양측에 대칭으로 생성되어 지속적으로 넓어지는 스펙트럼 프로파일을 유도한다.
변조 주파수는 다음과 같이 표현된다:
대응하는 MI 주기는 다음과 같이 주어진다:
여기서, γ는 비선형 계수를 나타내고, P는 펌프 전력을 나타내며, β2는 광섬유 전파 상수를 나타낸다. MI 프로세스가 지배하기 위해, 펌프 펄스는 MI 주기(TMI)보다 충분히 길어야 한다. 하지만, 펌프 펄스 지속 시간만으로는 광대역 방사선 발생에서의 스펙트럼 확장을 위해 솔리톤 분열 프로세스가 지배적인 메카니즘인지 MI 프로세스가 지배적인 메카니즘인지를 말할 수 없다. 이는 펌프 펄스 지속 시간이 비선형 계수 및 이에 따른 변조 주기에 영향을 미치는 펌프 피크 전력에 따라 스케일링되기 때문이다.
펄스 지속 시간(τ)을 갖는 주어진 펌프 펄스에 대해, 동등한 솔리톤 차수(N)는 다음과 같이 주어진다:
Eq.[1]에서, N = 1에 대해, 솔리톤은 기본적 솔리톤이다. N > 1인 다른 모든 솔리톤들은 고차 솔리톤들이다. 앞서 설명된 바와 같이, MI 프로세스가 지배적인 스펙트럼 확장 메카니즘이기 위해서는, 펌프 펄스가 MI 주기(TMI)보다 충분히 길어야 한다(또는 τ0 ≫ TMI). 스펙트럼 확장은 통상적으로 N ≫ 20일 때 MI 프로세스에 의해 지배되는 반면, 스펙트럼 확장은 통상적으로 N ≪ 20일 때 솔리톤 분열에 의해 지배되는 것으로 밝혀졌다. 그러므로, MI 프로세스를 사용하는 구성들에 대해서는, 높은 솔리톤 차수(N)를 갖는 입력 방사선(IRD)을 생성하는 것이 바람직하다. 또한, Eq.[3]으로부터 알 수 있는 바와 같이, 입력 방사선(IRD)의 솔리톤 차수는 입력 방사선(IRD)의 펄스 지속 시간(τ0)에 비례한다. 그러므로, MI 프로세스가 지배하는 통상적인 종래 구성들에 대해, 입력 방사선(IRD)의 펄스 지속 시간(τ0)은 통상적으로 100 펨토초(fs) 내지 수십 피코초(ps)의 범위이고, 펄스 에너지는 1 마이크로줄(μJ) 내지 20 μJ의 범위이다.
예를 들어, 라만 프로세스와 같은 다른 비선형 광학 프로세스도 비선형 스펙트럼 확장에 기여할 수 있다는 것을 유의하여야 한다. 라만 프로세스는 가스 매질의 타입에 의존한다. 예를 들어, 광대역 출력 방사선(ORD)이 희가스 또는 가스 혼합물(예를 들어, 아르곤, 크립톤, 제논)로 채워진 HC-ARF에서 발생되는 경우, MI가 펌프 펄스의 스펙트럼 확장을 위한 지배적인 프로세스인 한편, 라만 효과는 없다. 유사하게, 광대역 출력 방사선(ORD)이 라만 활성 가스 또는 가스 혼합물(예를 들어, 수소, 듀테륨 및 질소)로 채워진 HC-ARF에서 발생되는 경우, 펌프 펄스가 지배적(즉, 더 높은 이득의) 분자 진동의 진동 시간보다 짧거나 같으면 MI가 여전히 지배적인 프로세스인 한편, 라만 효과는 덜 지배적이고 펌프 펄스 스펙트럼 중심의 레드 시프트(red-shift)를 유도한다. 하지만, 라만 효과는 펌프 펄스가 지배적인 라만 활성 모드들의 진동 시간보다 길 때 지배적인 역할을 한다. 라만 효과는 솔리톤 자기-주파수 시프트 및 솔리톤 충돌을 유도한다. MI 프로세스와 라만 프로세스들 간의 상호작용이 광대역 출력 방사선(ORD)의 확장된 장파장 에지를 유도할 수 있음이 밝혀졌다.
초기 펌프 런칭 프로세스 외에도, 분산파들이 후속한 비선형 광학 프로세스들 동안에 생성될 수 있다. 예를 들어, 솔리톤이 광섬유에서의 국부적 손실에 의해 또는 수정된 파라미터들을 갖는 광섬유로의 전이에 의해 방해받을 때 분산파가 형성될 수 있다. 생성된 분산파들이 위상 매칭되고 솔리톤과 스펙트럼 중첩될 때, 솔리톤 에너지는 부분적으로 분산파에 전달될 것이다. 분산파는 솔리톤으로부터 시프트된 파장들을 갖는 정상 분산 구역에서 형성되므로, 단파장 확장을 위해 분산파 생성(DWG)이 활용될 수 있다. 분산파들의 효율적인 생성을 위해, 솔리톤은 상대적으로 넓은 스펙트럼을 갖고 광섬유(OF)의 영(zero)-분산 파장에 가깝게 전파되는 것이 바람직하다.
도 10을 다시 참조하면, 본 발명자들은 제 2 및 제 3 출력 스펙트럼들(SP2, SP3) 모두에서의 뾰족한 스펙트럼 피크들이 주로 제어되지 않은 방식으로 DWG로부터 발생한다는 것을 발견하였다. 그러므로, 평활한 스펙트럼 프로파일을 유지하면서 광대역 출력 방사선의 단파장 에지를 확장하기 위해, 앞서 언급된 다양한 비선형 광학 프로세스를 더 잘 제어할 것이 제안된다. 제안된 방법들 및 디바이스들은 제 1 출력 스펙트럼(SP1)과 같은 출력 스펙트럼을 생성하는 것을 목표로 한다. 특히 이러한 출력 스펙트럼은, 예를 들어 10 nm 내지 400 nm의 하한 및 1000 nm 내지 3000 nm의 상한을 포함하는 범위, 400 nm 내지 1000 nm의 범위, 400 nm 내지 2000 nm의 범위, 또는 200 nm 내지 2000 nm의 범위를 포함하는 광범위한 관심 파장 범위에 걸친 평균으로부터 (PSD에 관하여) 75 %, 50 %, 40 % 또는 30 % 이상 달라지지 않도록 이루어질 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 이러한 출력 스펙트럼은 스펙트럼에 대해 평균 PSD의 2 배, 3 배, 4 배 또는 5 배를 넘는 PSD를 갖는 여하한의 피크들을 포함하지 않도록 이루어질 수 있다.
본 발명에서는, 기존 방법들과 관련된 상술된 문제점들을 극복하기 위한 방법들 및 장치들이 제안된다. 다음 예시들에 구현되는 제안된 방법들 및 장치들은, 중공 코어(HC) 광섬유(OF) 기반 방사선 소스(RDS)로부터 발생되는 광대역 출력 방사선(ORD)을 UV 구역으로 더 확장하는 한편, 동시에 균형 잡힌 스펙트럼 프로파일을 유지할 수 있다. 이는 광대역 출력 방사선(ORD)이 발생되는 중공 코어(HC) 광섬유(OF)에 1 이상의 허리 또는 감소된 직경 구역들을 적용함으로써 달성될 수 있다. 중공 코어(HC) 광섬유(OF)에 1 이상의 허리를 적용하는 목적은, 단파장 확장이 효과적이고 제어되는 방식으로 달성되도록 광섬유에서 1 이상의 비선형 광학 프로세스, 예를 들어 MI 프로세스 및 DWG의 강도 및 시작을 신중하게 조작하는 것이다.
광섬유 테이퍼링이 광섬유(OF)의 국부적 속성들을 수정하여 상이한 광학 특성들이 얻어질 수 있도록 하는 유용한 기술로서 알려져 있다. 광섬유 테이퍼들이 광통신 및 감지와 같은 광범위한 적용예들을 발견하였다. 이러한 적용예들에서, 광섬유 테이퍼들은 광 도파관들 간의 모드 매칭을 개선하고, 고차 도파 모드들에 모드 필터링을 제공하며, 비선형성을 증가시키는 데 사용된다. 광섬유 테이퍼가 코어 직경 및 클래딩 직경을 감소시키기 때문에, 동일한 펌프 펄스는 광섬유 테이퍼를 가로지를 때 더 높은 피크 세기들을 갖고, 이에 따라 더 한정된 광섬유 테이퍼에서 더 높은 비선형성을 보게 될 것이다. T. A. Birks 외의 논문 "Supercontinuum generation in tapered fibers", Opt. Lett. 25(19), 1415(2000)에서, 표준 통신 광섬유에서의 비선형성을 증가시키기 위해 광섬유 테이퍼링이 적용되었다. 테이퍼링된 광섬유의 사용은 증폭되지 않은 펌프 펄스가 2 옥타브보다 더 넓은 스펙트럼으로 확장되게 하였다.
테이퍼링된 광섬유는 광섬유 직경이 감소되는 테이퍼링 다운 섹션, 일정한 직경의 중심 섹션 및 광섬유 직경이 원래 직경으로 증가되는 테이퍼링 업 섹션을 포함하는 허리 구역을 포함할 수 있다. 테이퍼 허리 구역의 길이는, 예를 들어 수 밀리미터에서 수십 센티미터까지 연장될 수 있다. 예를 들어, 수십 미터의 더 긴 길이를 갖는 테이퍼 허리 구역은 광섬유 드로잉 동안 광섬유 파라미터들이 변동되는 경우에 가능할 수 있다. 통상적으로, 테이퍼링된 광섬유들은 양 단부들에 당기는 힘을 부드럽게 가하면서 섬유를 가열(예를 들어, 섬유 길이를 따라 열 소스 또는 옥시-부탄 불꽃을 스캔)함으로써 제작된다. 연신 프로세스 동안 가열된 영역의 연장의 정밀한 제어가 임의의 테이퍼 프로파일들 및 허리 길이들의 생성을 허용한다. R. Pennetta 외의 논문 "Fabrication and non-destructive characterization of tapered single-ring hollow-core photonic crystal fiber", APL Photonics 4, 056105(2019)은 표면 장력의 균형을 맞추기 위해 모세관들 외부의 구역들을 선택적으로 비움(evacuate)으로써 표준 플레임 브러시 기술을 사용하여 단일-링 HC-PCF가 테이퍼링될 수 있음을 개시한다. 다음 실시예들에서, 중공 코어(HC) 광섬유(OF)는 기본 모드의 전파가 테이퍼링된 광섬유를 통해 실질적으로 유지되도록 단열 방식으로 테이퍼링될 수 있다.
더 높은 비선형성들이 스펙트럼 확장 효과를 향상시키는 데 유리하지만, 본 발명자들은 전력 확장성(power scalability)의 한계를 확인하였으며, 이 위에서 테이퍼링된 중공 코어(HC) 광섬유(OF)에서의 광대역 방사선(예컨대, 초연속체) 발생 프로세스가 불안정해진다. 불안정한 초연속체 발생은 전력 및 스펙트럼 불안정으로 나타난다. 전력 불안정을 방지하기 위해, 낮은 펌프 펄스 에너지들로 원하는 스펙트럼을 제공하도록 광섬유 테이퍼들을 최적화하는 것이 바람직하다.
도 11은 평활한 스펙트럼 프로파일 및 확장된 단파장 에지를 갖는 광대역 출력 방사선을 발생시키도록 구성되는 단일-허리형 중공 코어 광섬유들의 두 가지 예시들을 개략적으로 나타낸다. 단일-허리형 중공 코어 광섬유는 단일의 테이퍼링된 허리 구역(TP, TP')을 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 도 11a에 예시된 바와 같이, 허리 구역은 테이퍼링된 구역들 사이에서 실질적으로 일정한 직경을 갖는 중심 구역을 포함할 수 있다. 이러한 것으로서, 단일-허리형 중공 코어 광섬유(STF)는 5 개의 섹션들: 제 1 테이퍼링되지 않은 섹션(FU), 테이퍼링 다운 섹션(TD), (실질적으로 또는 비교적 일정한 직경을 갖는) 중심 허리 섹션(CW), 테이퍼링 업 섹션(TU), 및 제 2 테이퍼링되지 않은 섹션(SU)을 포함할 수 있다. 따라서, 단일 허리 구역 또는 감소된 직경 구역은 테이퍼링 다운 섹션(TD), 중심 허리 섹션(CW) 및 테이퍼링 업 섹션(TU)을 포함하는 광섬유 부분으로서 간주될 수 있다.
각각의 섹션에 대해, 예를 들어 섹션 길이, 코어 직경 및 모세관 직경을 정의하는 대응하는 파라미터 세트가 있을 수 있다. 구체적으로, 제 1 테이퍼링되지 않은 섹션(FU)은 제 1 길이(L1), 제 1 코어 직경(D1) 및 제 1 모세관 직경(도시되지 않음)을 포함할 수 있고; 테이퍼링 다운 섹션(TD)은 제 2 길이(L2), 테이퍼링 다운 섹션을 따라 변동(또는 감소)하는 제 2 코어 직경(D2) 및 테이퍼링 다운 섹션을 따라 변동(또는 감소)하는 제 2 모세관 직경(도시되지 않음)을 포함할 수 있고; 중심 허리 섹션(CW)은 제 3 길이(L3), 제 3 코어 직경(D3) 및 제 3 모세관 직경(도시되지 않음)을 포함할 수 있고; 테이퍼링 업 섹션(TU)은 제 4 길이(L4), 제 4 코어 직경(D4) 및 제 4 모세관 직경(도시되지 않음)을 포함할 수 있고; 제 2 테이퍼링되지 않은 섹션(SU)은 제 5 길이(L5), 제 1 코어 직경(D1) 및 제 1 모세관 직경(도시되지 않음)을 포함할 수 있다. 테이퍼링 다운 섹션(TD)과 중심 허리 섹션(CW)이 만나는 위치에서, 제 2 코어 직경(D2)은 제 3 코어 직경(D3)과 동일할 수 있고; 제 2 모세관 코어 직경은 제 3 모세관 코어 직경과 동일할 수 있다. 마찬가지로, 중심 허리 섹션(CW)과 테이퍼 업 섹션(TU)이 만나는 위치에서, 제 3 코어 직경(D3)은 제 4 코어 직경(D4)과 동일할 수 있고; 제 2 모세관 코어 직경은 제 4 모세관 코어 직경과 동일할 수 있다.
앞서 언급된 광섬유 파라미터들은 테이퍼링된 단일 링 HC-ARF에 특히 적절할 수 있는 예시적인 파라미터들이라는 것을 유의한다. 다른 상이한 타입들의 광섬유들은 상이한 또는 추가적인 광섬유 파라미터들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 광섬유는 클래딩 구조가 동심 육각형 고리들의 세트를 포함하는 Kagome 광섬유와 같은 상이한 타입의 HC-ARF를 포함할 수 있다. 이러한 경우, 앞서 설명된 모세관 직경은 육각형 고리의 두 대향 에지들 사이의 거리로 대체될 수 있다.
중심 허리 섹션(CW)은 테이퍼링된 광섬유 또는 테이퍼에 필요하지 않을 수 있다는 것을 유의한다. 일부 실시예들에서, 광섬유는 테이퍼링 다운 섹션(TD) 바로 다음에 테이퍼링 업 섹션(TU)이 뒤따르는 방식으로 테이퍼링될 수 있다. 이러한 것으로서, 테이퍼링된 광섬유는 중심 허리 섹션(CW)을 갖지 않을 수 있거나, 또는 중심 허리 섹션(CW)은 사실상 존재하지 않는 것으로 취급될 수 있도록 상당히 짧을 수 있다. 도 11b는 단일 허리 구역(TP')이 중심 허리 섹션을 포함하지 않을 수 있는 단일-허리형 중공 코어 광섬유의 또 다른 구성을 개략적으로 예시한다. 도 11b의 실시예에서 사용되는 광섬유(OF)는 도 11a의 실시예에서 사용되는 광섬유와 동일할 수 있다. 주요 차이점은, 도 11b에 나타낸 테이퍼링된 광섬유(STF')의 단일 허리(TP')가 중심 허리 섹션(CW)을 포함하지 않는다는 것일 수 있다. 테이퍼링 다운 섹션(TD)과 테이퍼링 업 섹션(TU)이 만나는 위치(또는 테이퍼 허리 위치)에서, 제 2 코어 직경(D2)은 제 4 코어 직경(D4)과 동일할 수 있고; 제 2 모세관 코어 직경(도시되지 않음)은 제 4 모세관 코어 직경(도시되지 않음)과 동일할 수 있다. 또한, 단일-허리형 중공 코어 광섬유(STF)의 1 이상의 다른 섹션이 배제될 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 예를 들어, 다른 실시예들에서, 단일-허리형 중공 코어 광섬유는 테이퍼링 업 섹션(TU) 또는 여하한의 제 2 테이퍼링되지 않은 섹션(SU)을 포함하지 않을 수 있다. 상이한 실시예들에서, 단일-허리형 중공 코어 광섬유는 제 1 테이퍼링되지 않은 섹션(FU) 또는 여하한의 테이퍼링-다운 섹션(TD)을 포함하지 않을 수 있다.
테이퍼링 다운 섹션(TD)에서, 광섬유의 구조적 치수들은 축 방향 또는 단일-허리형 중공 코어 광섬유(STF, STF')의 길이를 따라 점진적으로 그리고 지속적으로 감소할 수 있다. 예를 들어, 제 1 코어 직경(D1) 및 제 1 모세관 직경이 각각 제 2 코어 직경(D2) 및 제 2 모세관 직경으로 점진적으로 감소할 수 있다. 유사하게, 테이퍼링 업 섹션(TU)에서, 광섬유의 구조적 치수들은 축 방향 또는 단일-허리형 중공 코어 광섬유(STF, STF')의 길이를 따라 점진적으로 그리고 지속적으로 증가할 수 있다. 예를 들어, 제 4 코어 직경(D4) 및 제 4 모세관 직경이 각각 제 1 코어 직경(D1) 및 제 1 모세관 직경으로 점진적으로 그리고 지속적으로 증가할 수 있다. 구조적 치수들, 예를 들어 코어 직경이 감소하거나 증가하는 비율은 테이퍼링 프로세스, 예를 들어 테이퍼링 동안 광섬유가 당겨지는 비율에 의존할 수 있다.
제 1 테이퍼링되지 않은 섹션(FU)은 테이퍼링된 중공 광섬유(STF, STF')의 입력단일 수 있고, 제 2 테이퍼링되지 않은 섹션(SU)은 테이퍼링된 광섬유(STF, STF')의 출력단일 수 있다. 제 1 테이퍼링되지 않은 섹션(FU)은 제 1 광섬유 패싯(fiber facet: FF)을 포함할 수 있고, 제 2 테이퍼링되지 않은 섹션(SU)은 제 2 광섬유 패싯(SF)을 포함할 수 있다. 도 8을 다시 참조하면, 작동 시, 테이퍼링된 광섬유(STF, STF')는 희가스 또는 희가스가 우세한 가스 혼합물(WM)과 같은 적절한 매질로 채워진 저장부(RSV)에 의해 완전히 에워싸일 수 있다. 저장부(RSV)에 진입한 후, 펄스 펌프 방사선 소스(PRS)로부터 방출된 입력 펌프 펄스들은 제 1 광섬유 패싯(FF)을 통해 제 1 테이퍼링되지 않은 섹션(FU)으로 커플링될 수 있고; 발생된 광대역 출력 방사선(ORD)은 이후 제 2 광섬유 패싯(SF)을 통해 제 2 테이퍼링되지 않은 섹션(SU)을 빠져나갈 수 있다. 도 8의 구성은 단지 일 예시일 뿐이라는 것을 이해하여야 한다. 상이한 구성들에서, 테이퍼링된 광섬유는 저장부(RSV)에 의해 부분적으로만 에워싸일 수 있다. 다른 구성들에서, 도 8의 저장부(RSV)는 사용되지 않을 수 있다. 예를 들어, 테이퍼링된 광섬유(STF, STF')의 중공 코어는 먼저 희가스 또는 희가스가 우세한 가스 혼합물(WM)로 채워질 수 있다. 후속하여, 가스로 채워진 중공 코어(HC)는 예를 들어 각각의 광섬유 패싯, 예를 들어 제 1 광섬유 패싯(FF) 및 제 2 광섬유 패싯(SF)에 광학 거울을 부착함으로써 밀봉될 수 있다. 이러한 것으로서, 저장부(RSV)의 사용이 배제될 수 있다.
일부 실시예들에서, 테이퍼링되지 않거나 균일한 광섬유(OF)는 앞서 언급된 HC-PCF들 중 하나, 예를 들어 도 7에 예시된 바와 같은 단일 링 HC-ARF를 포함할 수 있다. 광대역 출력 방사선(ORD)의 발생에 사용되는 경우, 단일-허리형 중공 코어 광섬유(STF, STF')는 도 8에 나타낸 광대역 방사선 소스(RDS)에 포함될 수 있다. 일부 실시예들에서, 단일-허리형 중공 코어 광섬유(STF, STF')는 희가스 또는 희가스가 우세한 혼합물로 채워질 수 있다. 앞서 설명된 바와 같이, 희가스 또는 희가스가 우세한 혼합물은 MI 프로세스로 하여금 스펙트럼 확장을 위한 지배적인 비선형 광학 프로세스가 되게 할 수 있다.
도 12a는 광섬유 길이를 따라 최적화된 위치에서 시작하는(예를 들어, 테이퍼링 다운 섹션이 시작하는) 허리 구역을 포함하는 (예를 들어, 도 11b에 나타낸 바와 같은) 단일-허리형 중공 코어 광섬유 내에서의 입력 방사선 펄스의 스펙트럼 진화를 설명하는 시뮬레이션에 대한 광섬유 길이를 따른 위치(P)에 대한 파장(λ)-에너지[또는 신호(sig(dB))] 스펙트럼 밀도 플롯을 나타낸다. 최적화된 위치는 MI 지배 스펙트럼 확장이 이미 시작된 곳일 수 있다. 단일-허리형 중공 코어 광섬유는, 예를 들어 도 8에 나타낸 바와 같이 방사선 소스 내에 포함될 수 있다. 흰색 라인(0 GVD)은 군속도 분산이 0인 파장을 나타낸다. 영 분산 파장이 국부적인 광섬유 코어 직경에 따라 변화하므로(예를 들어, 더 짧은 영 분산 파장이 더 짧은 코어 직경에 대응함), 흰색 라인(0 GVD)은 단일-허리형 중공 코어 광섬유(STF')의 길이를 따른 광섬유 코어 직경의 변화도 나타낸다. 이 특정한 예시적인 시뮬레이션에서, 단일-허리형 중공 코어 광섬유(STF')의 총 길이는 42 cm이다. 제 1 테이퍼링되지 않은 섹션(FU), 테이퍼링 다운 섹션(TD), 테이퍼링 업 섹션(TU) 및 제 2 테이퍼링되지 않은 섹션(SU)의 길이들은 각각 20 cm, 9 cm, 9 cm 및 4 cm이다. 테이퍼링되지 않은 섹션들(FU, SU)에서의 중공 코어의 직경은 30 ㎛이고, 테이퍼링 다운 섹션과 테이퍼링 업 섹션이 만나는 위치에서 중공 코어의 최소 직경(또는 테이퍼 허리 직경)은 20 ㎛이다. 시뮬레이션에서, 테이퍼링 다운 섹션(TD)에서의 중공 코어의 직경은 30 ㎛에서 20 ㎛로 선형으로 감소하는 것으로서 처리되고, 테이퍼링 업 섹션(TU)에서의 중공 코어의 직경은 20 ㎛에서 30 ㎛로 선형으로 증가하는 것으로서 처리된다(이는 시뮬레이션의 단순화를 위한 것이며; 제조 공정으로 인해, 테이퍼들이 선형으로 변동하는 직경을 가질 가능성은 낮음).
단일-허리형 중공 코어 광섬유(STF')의 중공 코어는 25.7 bar의 압력에서 크립톤 가스의 작용 매질로 채워질 수 있다. 입력 방사선은 5 MHz의 반복률 및 1030 nm의 중심 파장을 갖는 펌프 펄스들의 트레인을 포함할 수 있다. 반치전폭(FWHM) 펄스 지속 시간은 300 fs일 수 있으며, 펄스 에너지는 5.3 μJ일 수 있다. 단일-허리형 중공 코어 광섬유(STF')로의 런칭 시, 펄스 입력 방사선(또는 펌프 펄스)(IRD)은 솔리톤 차수가 N = 110인 고차 솔리톤으로 진화한다. 솔리톤 차수는 코어 직경에 따라 변하기 때문에, 코어 직경이 20 ㎛로 감소할 때 초기 솔리톤 차수는 N = 75로 감소한다. 앞서 설명된 바와 같이, 펌프 펄스의 솔리톤 차수는 스펙트럼 확장이 MI에 의해 지배되는 조건들과 스펙트럼 확장이 솔리톤 분열에 의해 지배되는 조건들을 구분하는 데 사용될 수 있는 편리한 파라미터이다. 그러므로, 솔리톤 차수가 MI 프로세스의 하한으로 간주되는 20보다 훨씬 높기 때문에, 제 1 테이퍼링되지 않은 섹션(FU)[또는 단일-허리형 중공 코어 광섬유(STF')의 처음 20 cm 길이]에서 관찰되는 스펙트럼 확장은 주로 MI 프로세스에 기인한다.
도 12a에 나타낸 바와 같이, MI 프로세스의 시작은 단일-허리형 중공 코어 광섬유(STF')의 제 1 광섬유 패싯(FF)으로부터 약 13 cm 떨어진 거리에서 발생한다. MI 프로세스는 장파장 에지를 약 1600 nm로, 단파장 에지를 약 500 nm로 밀어내는 상당한 스펙트럼 확장을 야기한다. 스펙트럼 확장된 펄스가 테이퍼링 다운 섹션[즉, 제 1 광섬유 패싯(FF)으로부터 20 cm 거리]으로 진입할 때, 줄어드는 코어 직경이 이전에 확립된 비선형 광학 프로세스들의 조건들을 변경하고, 이는 파장-시프트된 분산파들의 효율적인 생성을 촉진한다. 결과적으로, 추가적인 단파장 확장이 얻어진다. 이 추가적인 단파장 확장은 도 12a에서 분명하며, 여기서 스펙트럼의 단파장 에지는 제 1 광섬유 패싯(FF)으로부터 20 cm 거리에서의 약 500 nm에서 제 1 광섬유 패싯(FF)으로부터 28 cm 거리에서의 300 nm 이하로 확장된다. 최대 단파장 확장은 테이퍼 허리 위치 또는 테이퍼링 다운 섹션(TD)과 테이퍼링 업 섹션(TU)이 만나는 위치 주위에서 달성된다.
테이퍼링 다운이 시작되는 위치로서 정의되는 테이퍼의 위치는 도 12a에 나타낸 예시적인 스펙트럼 프로파일과 같이 최대화된 단파장 확장 및 평활한 전체 스펙트럼 프로파일을 동시에 얻기 위해 중요하다. 단일-허리형 중공 코어 광섬유(STF, STF')의 경우, 테이퍼 위치는 시뮬레이션을 통해 정밀하게 결정될 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 테이퍼 위치는 예를 들어 다음 4 개의 단계들: 단계 1) (예를 들어, 긴) 테이퍼링되지 않은 중공 코어 광섬유의 길이에서 출력 스펙트럼 및 전력을 측정하는 단계; 단계 2) 단축된 길이를 얻기 위해 입력단 근처의 지점에서 테이퍼링되지 않은 광섬유를 절단하는 단계; 단계 3) 테이퍼링되지 않은 광섬유의 단축된 길이에 대해 동일한 측정들을 수행하는 단계; 및 단계 4) 측정된 출력 스펙트럼이 MI 지배 스펙트럼 확장이 발생했음을 확인할 때까지 단계 2) 및 단계 3)을 반복하는 단계를 포함할 수 있는 컷백(cutback) 방법을 사용하여 결정될 수 있다. 테이퍼링되지 않은 광섬유의 대응하는 잔류 길이는 단일-허리형 중공 코어 광섬유(STF, STF')의 제 1 테이퍼링되지 않은 섹션(FU)의 길이를 설정하는 데 사용될 수 있다. 따라서, 단일 테이퍼 또는 더 구체적으로 테이퍼링 다운 섹션(TD)은 결정된 길이 직후에 시작될 수 있다.
작동 파라미터들[예를 들어, 입력 방사선(IRD), 광섬유(OF), 작용 매질(WM) 등의 파라미터들]의 상이한 세트들이 상이한 비선형 조건들을 초래할 수 있으므로, 상이한 테이퍼 파라미터들(예를 들어, 테이퍼 위치, 테이퍼링 비율, 테이퍼 허리 등)을 필요로 할 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 예를 들어, 상이한 작동 파라미터 세트를 사용하면, 추가적인 중심 허리 섹션(CW)을 포함하는 도 11a의 단일-허리형 중공 코어 광섬유(STF)가 평활하고 확장된 스펙트럼 프로파일을 얻는 데 사용될 수 있다. 중심 허리 섹션(CW)은 (더 작은 코어 직경으로 인해) 전파 펄스에 의해 보이는 비선형성을 더 향상시킬 수 있고, 이에 따라 DWG의 효율을 개선할 수 있다.
단일 테이퍼로 테이퍼링된 중공 코어 광섬유는 평활하고 UV-확장된 스펙트럼 프로파일을 갖는 광대역 출력 방사선(ORD)을 발생시키기 위한 효과적인 접근법이다. 하지만, 단일 테이퍼의 주요 기능은 DWG의 시작을 제어하는 것이다. 제 1 테이퍼링되지 않은 섹션(FU)의 충분한 길이를 제공함으로써 주로 가능해지는 MI 프로세스의 시작에 대한 제어는 없다. 제 1 테이퍼링되지 않은 섹션(FU)의 길이가 주어진 작동 파라미터 세트에 대해 충분히 길지 않은 경우, 결과적인 출력 스펙트럼은 원하는 스펙트럼 프로파일을 갖지 않을 것이다.
도 12b는 단일 허리 구역이 최적화되지 않은 위치에 있을 때; 즉, 테이퍼에서 MI 지배 스펙트럼 확장이 시작되는 경우, 도 11b에 나타낸 단일-허리형 중공 코어 광섬유 내에서의 방사선 펄스의 스펙트럼 진화의 시뮬레이션에 대한 도 12a와 동등한 플롯을 나타낸다. 도 12b에 나타낸 시뮬레이션은 도 12a에 나타낸 시뮬레이션에 사용된 것과 동일한 테이퍼링된 중공 코어 광섬유에 기초한다. 두 시뮬레이션들의 주요 차이점은 도 12b의 시뮬레이션에서의 입력 방사선(IRD)의 펄스 에너지가 5.3 μJ이 아닌 2.4 μJ이라는 것이다. 이제 제 1 테이퍼링되지 않은 섹션(FU)의 동일한 길이는 더 낮은 펄스 에너지로 인해 MI 프로세스의 시작을 촉발시키기에 충분하지 않다. 도 12b에 나타낸 바와 같이, MI 지배 스펙트럼 확장의 시작은 펄스가 테이퍼링 구역, 예를 들어 테이퍼링 다운 섹션(TD) 및 테이퍼링 업 섹션(TU)에 진입할 때까지 지연된다. 이 예시적인 시뮬레이션에서, 지연된 MI 프로세스는 DWG가 발생하는 것을 막고, 따라서 피크가 심한 프로파일을 갖고 단파장 확장이 결여된 출력 스펙트럼을 유도한다.
도 13은 각각 도 12a 및 도 12b에 나타낸 시뮬레이션과 동일한 파라미터들을 갖는 방사선 소스의 두 출력 스펙트럼들의 시뮬레이션을 나타낸다. 중공 코어 광섬유가 최적화되지 않은 위치에서 테이퍼링되는 방사선 소스로부터 발생되는 최적화되지 않은 출력 스펙트럼(USP)은 (동일하지만 균일한 광섬유로부터 생성된) 제 1 출력 스펙트럼(SP1)과 유사한 스펙트럼 대역폭 및 제 2 출력 스펙트럼(SP2)과 유사한 2 개의 확연한 뾰족한 피크들 -예를 들어, 하나는 약 450 nm이고 다른 하나는 약 1000 nm임- 을 포함한다. 이러한 스펙트럼 프로파일은 메트롤로지 적용들에서 유리하지 않다. 이에 비해, 중공 코어 광섬유가 최적화된 위치에서 테이퍼링되는 방사선 소스로부터 발생되는 출력 스펙트럼(OSP)은 확장된 단파장 에지 및 더 평활한 스펙트럼 프로파일(또는 더 균형 잡힌 PSD 프로파일)을 포함한다.
앞서 설명된 시뮬레이션들에 추가하여, 본 발명자들은 개념을 증명하기 위한 실험들도 수행하였다. 도 14a는 단파장 확장 및 출력 방사선(ORD)의 균형 잡힌 스펙트럼 프로파일 유지를 위하여 시뮬레이션을 통해 최적화된 예시적인 단일-허리형 중공 코어 광섬유의 길이에 따라 광섬유 코어 직경이 어떻게 변동하는지를 개략적으로 나타낸다. 도면에 나타낸 광섬유 디자인은 도 11a에 나타낸 중공 코어 광섬유(STF)의 특정한 일 예시일 뿐이라는 것을 유의한다. 또한, 광섬유 디자인은 광섬유를 제조하기 위한 타겟으로서 사용되며; 이에 따라, 최종 또는 생산-후 광섬유 치수들[예를 들어, 테이퍼링 다운 섹션(TD), 중심 허리 섹션(CW) 및 테이퍼링 업 섹션(TU)을 포함하는 허리 구역의 치수들]은 제조 공차 범위 내에서 설계 값들로부터 약간 벗어날 수 있다는 것을 유의한다. 제조 공차 범위의 크기는 광섬유가 테이퍼링되는 방식, 이러한 광섬유 테이퍼링에 사용되는 툴들 등과 같은 여러 인자들에 의존함을 이해할 것이다. 도 14a의 디자인에 따라 단일-허리형 중공 코어 광섬유를 제조하기 위한 제조 공차 범위는 각각의 타겟 치수의 약 ±5 %, 약 ±10 %, 약 ±15 %, 또는 약 ±20 %일 수 있다.
도 14a를 다시 참조하면, 이 예시적인 디자인에서, 제 1 테이퍼링되지 않은 섹션(FU), 테이퍼링 다운 섹션(TD), 테이퍼링 업 섹션(TP) 및 제 2 테이퍼링되지 않은 섹션(SU)은 각각 약 29 cm, 약 4 cm, 약 2 cm, 약 4 cm 및 약 3 cm의 길이들을 갖는다. 제 1 테이퍼링되지 않은 섹션(FU) 또는 제 2 테이퍼링되지 않은 섹션(SU)의 광섬유 코어 직경(FCD)은 약 32 ㎛이다. 광섬유 코어 직경(FCD)은 테이퍼링 다운 섹션(TD) 또는 테이퍼링 업 섹션(TU)에서 광섬유 길이를 따라 실질적으로 선형으로 변화한다. 중심 허리 섹션(CW)에서의 광섬유 코어 직경(FCD)은 약 21.5 ㎛이다. 이 경우, 제 1 또는 제 2 테이퍼링되지 않은 섹션(FU 또는 SU)에 대한 중심 허리 섹션(CW)의 광섬유 코어 직경(FCD)의 비율로서 정의되는 테이퍼링 비율은 약 0.67인 것으로 계산된다. 제 1 테이퍼링되지 않은 섹션(FU)의 길이(이 경우에는 약 29 cm)는 주어진 작동 파라미터 세트에 대해 펌프 펄스가 광섬유의 허리 구역으로 진입하기 전에 MI 지배 스펙트럼 확장을 겪었을 것을 보장하도록 의도적으로 선택된다.
도 14b는 균일한 중공 코어 광섬유 및 (예를 들어, 도 14a에 나타낸 바와 같은) 단일-허리형 중공 코어 광섬유로부터 각각 방출되는 2 개의 측정된 출력 스펙트럼들(SP_REF, SP_SW)을 나타낸다. 스펙트럼 SP_REF는 주어진 중공 코어 광섬유에 대해 작동 파라미터 세트가 신중하게 선택된 기준 상황에 대응한다. 이 특정 실험에서, 균일한 광섬유은 32 ㎛의 코어 직경을 갖는 (예를 들어, 도 7에 예시된 바와 같은) 단일 링 HC-ARF였다. 균일한 광섬유의 중공 코어를 채운 작용 매질(WM)은 몰 분율에서 98 % 아르곤 및 2 % 수소로 이루어진 가스 혼합물이었다. 작용 매질(WM)의 압력은 40 bar로 설정되었다. 펄스 펌프 방사선(PRS)은 1 MHz의 반복률로 펌프 펄스 트레인을 방출하였다. 펌프 펄스들은 약 1030 nm의 중심 파장, 약 300 fs의 펄스 지속 시간, 및 약 4.16 μJ의 펄스 에너지를 가졌다. 도면에서 알 수 있는 바와 같이, 기준 스펙트럼은 특히 300 내지 600 nm의 파장 범위에서 매우 피크가 심한(또는 평활/평탄하지 않은) 스펙트럼 프로파일을 갖는다. 이러한 피크가 심한 스펙트럼 프로파일은 이를 실용적으로 사용하지 못하게 한다.
이에 비해, 스펙트럼 SP_SW는 스펙트럼 SP_REF를 생성하는 데 사용된 것과 동일한 균일한 광섬유(또는 동일한 디자인을 갖는 상이한 광섬유)로부터 만들어지고 도 14a에 나타낸 디자인으로 후처리(즉, 테이퍼링)된 테이퍼링된 중공 코어 광섬유로부터 생성되었다. 단파장 확장 및 스펙트럼 형상의 균형을 맞추기 위해 출력 스펙트럼을 미세조정하기 위해, 펌프 펄스 에너지는 조정, 예를 들어 4.16 μJ에서 5.36 μJ로 증가된 한편, 다른 작동 파라미터들은 동일하게 유지되었다. 비교로부터, 단일 허리 구역(또는 단일 테이퍼)의 구현은 단파장 에지를 (예를 들어, 약 350 nm에서 300 nm로) 더 확장할 뿐만 아니라, 특히 300 내지 600 nm의 파장 범위에서 원래의 피크가 심한 스펙트럼 프로파일을 상당히 평활화한다(예를 들어, 400 nm 부근의 트로프 구역이 더 이상 존재하지 않음)는 것이 명백하다.
도 14c는 상이한 중공 코어 광섬유들에 대해, 및 상이한 작동 조건들 하에서 입력 펌프 펄스 에너지에 따라 통합 출력 전력이 어떻게 변화하는지를 설명하는 3 개의 측정된 전력 전달 곡선들(P_REF, P_SW1, P_SW2)을 나타낸다. 구체적으로, 도 14b에 나타낸 스펙트럼 SP_REF를 생성하는 데 사용된 것과 동일한 균일한 중공 코어 광섬유 및 동일한 작동 파라미터들(이 측정에서 의도적으로 변동된 입력 펌프 펄스 에너지 제외)에 기초하여 전력 전달 곡선 P_REF이 얻어졌다. 유사하게, 도 14b에 나타낸 스펙트럼 SP_SW를 생성하는 데 사용된 것과 동일한 테이퍼링된 중공 코어 광섬유 및 동일한 작동 파라미터들(이 측정에서 의도적으로 변동된 입력 펌프 펄스 에너지 제외)에 기초하여 전력 전달 곡선 P_SW1이 얻어졌다. 전력 전달 곡선 P_SW2는 전력 전달 곡선 P_SW1을 생성하는 데 사용된 것과 동일한 테이퍼링된 중공 코어 광섬유 및 동일한 작동 파라미터들(1 MHz에서 2 MHz로 증가된 펌프 펄스 반복률 제외)에 기초하여 얻어졌다.
여기서, 통합 출력 전력은 광섬유로부터 방출되는 출력 방사선(ORD)의 소정 파장 범위 또는 전체 스펙트럼 대역폭에 걸쳐 통합된 전력이다. 도면에서 알 수 있는 바와 같이, 3 개의 전력 전달 곡선들(P_REF, P_SW1, P_SW2) 모두에 대해, 출력 전력은 입력 펌프 펄스 에너지가 증가함에 따라 높은 에너지 끝에서 큰 롤오버(roll over) 없이 증가한다. 이는 적어도 약 7 μJ의 펄스 에너지까지는 단일 허리 구역(또는 단일 테이퍼)의 구현이 광대역 방사선 발생을 위해 단일-허리형 중공 코어 광섬유가 사용되는 방사선 소스(RDS)의 에너지 스케일링 기능에 부정적인 영향을 미치지 않거나 무시해도 될 정도라는 것을 확인해 준다. 전력 전달 곡선들 P_REF 및 P_SW1의 비교는 동일한 펌프 펄스 반복률(예를 들어, 1 MHz)을 사용하여 단일-허리형 중공 코어 광섬유가 균일한 중공 코어 광섬유보다 출력 방사선(ORD)을 생성하기 위해 더 낮은 펌프 에너지 임계치를 초래한다는 것을 보여준다. 또한, 전력 전달 곡선들 P_SW1 및 P_SW2의 비교는 더 높은 펌프 펄스 반복률이 더 높은 펌프 에너지 임계치를 유도하고 곡선의 기울기인 기울기 효율을 더 높게 한다는 것을 보여준다.
도 12b에 나타낸 시뮬레이션에 따르면, 광섬유 테이퍼링은 MI 프로세스의 시작을 촉발시키는 데 도움이 된다. 그러므로, 제 1 테이퍼링되지 않은 섹션(FU)에서 수동적으로 촉발되는 MI 프로세스에 의존하기보다는, 추가적인 허리 구역 또는 감소된 직경 구역이 단일-허리형 중공 코어 광섬유(STF, STF')에 적용되어 MI 프로세스(예를 들어, MI 프로세스의 시작)에 대한 능동 제어를 더 잘 제공할 수 있다. 추가적인 허리 구역의 사용은 낮은 펄스 에너지들로도 MI 지배 스펙트럼 확장이 시작되게 하는 데 유리할 수 있다. 이러한 것으로서, 높은 펄스 에너지들과 관련된 앞서 언급된 전력 및 스펙트럼 불안정들이 회피될 수 있다.
도 15는 평활한 스펙트럼 프로파일 및 확장된 단파장 에지를 갖는 광대역 출력 방사선을 발생시키도록 구성되는 이중-허리형 중공 코어 광섬유를 개략적으로 나타낸다. 이중-허리형 중공 코어 광섬유(DTF)는 광섬유를 따라 상이한 두 위치들에 각각 위치되는 제 1 허리 구역 또는 감소된 직경 구역(TP1) 및 제 2 허리 구역 또는 감소된 직경 구역(TP2)을 포함할 수 있다.
두 테이퍼들 각각은 도 11a에 나타낸 단일 테이퍼(즉, 여기에 예시된 바와 같이 중심 허리 섹션을 포함함), 도 11b에 나타낸 단일 테이퍼(즉, 중심 허리 섹션이 없음) 또는 이들의 조합(예를 들어, 제 1 허리 구역은 중심 허리 섹션을 가질 수 있고 제 2 허리 구역은 중심 허리 섹션을 포함하지 않을 수 있거나, 또는 그 반대일 수 있음)으로 구성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 테이퍼링되지 않은 중공 코어 광섬유는 앞서 언급된 HC-PCF들 중 하나, 예를 들어 도 7에 예시된 바와 같은 단일 링 HC-ARF를 포함할 수 있다. 광대역 출력 방사선(ORD)의 발생에 사용되는 경우, 도 15에 나타낸 이중-허리형 중공 코어 광섬유(DTF)는 도 8에 나타낸 방사선 소스(RDS)에 포함될 수 있다. 이중-허리형 중공 코어 광섬유(DTF)는 희가스 또는 희가스가 우세한 혼합물로 채워질 수 있다. 앞서 설명된 바와 같이, 희가스 또는 희가스가 우세한 혼합물은 MI 프로세스로 하여금 스펙트럼 확장을 위한 지배적인 비선형 광학 프로세스가 되게 할 수 있다.
도 15의 실시예에서, 이중-허리형 중공 코어 광섬유(DTF)는 9 개의 섹션들: 제 1 테이퍼링되지 않은 섹션(UT1), 제 1 테이퍼링 다운 섹션(TD1), 제 1 중심 허리 섹션(CW1), 제 1 테이퍼링 업 섹션(TU1), 제 2 테이퍼링되지 않은 섹션(UT2), 제 2 테이퍼링 다운 섹션(TD2), 제 2 중심 허리 섹션(CW2), 제 2 테이퍼링 업 섹션(TU2), 및 제 3 테이퍼링되지 않은 섹션(UT3)을 포함할 수 있다. 각각의 섹션에 대해, 예를 들어 섹션 길이, 코어 직경 및 모세관 직경을 정의하는 파라미터 세트가 존재할 수 있다. 구체적으로, 제 1 테이퍼링되지 않은 섹션(UT1)은 제 1 길이(L1'), 제 1 코어 직경(D1') 및 제 1 모세관 직경(도시되지 않음)을 포함할 수 있고; 제 1 테이퍼링 다운 섹션(TD1)은 제 2 길이(L2'), 테이퍼링 다운 섹션을 따라 변동(또는 감소)하는 제 2 코어 직경(D2') 및 테이퍼링 다운 섹션을 따라 변동(또는 감소)하는 제 2 모세관 직경(도시되지 않음)을 포함할 수 있고; 제 1 중심 허리 섹션(CW1)은 제 3 길이(L3'), 제 3 코어 직경(D3') 및 제 3 모세관 직경(도시되지 않음)을 포함할 수 있고; 제 1 테이퍼링 업 섹션(TU1)은 제 4 길이(L4'), 제 4 코어 직경(D4') 및 제 4 모세관 직경(도시되지 않음)을 포함할 수 있고; 제 2 테이퍼링되지 않은 섹션(UT2)은 제 5 길이(L5'), 제 1 코어 직경(D1') 및 제 1 모세관 직경을 포함할 수 있고; 제 2 테이퍼링 다운 섹션(TD2)은 제 6 길이(L6'), 제 6 코어 직경(D6') 및 제 6 모세관 직경(도시되지 않음)을 포함할 수 있고; 제 2 중심 허리 섹션(CW2)은 제 7 길이(L7'), 제 7 코어 직경(D7') 및 제 7 모세관 직경(도시되지 않음)을 포함할 수 있고; 제 2 테이퍼링 업 섹션(TU2)은 제 8 길이(L8'), 제 8 코어 직경(D8') 및 제 8 모세관 직경(도시되지 않음)을 포함할 수 있고; 제 3 테이퍼링되지 않은 섹션(UT3)은 제 9 길이(L9'), 제 1 코어 직경(D1') 및 제 1 모세관 직경을 포함할 수 있다. 상이한 실시예들에서, 이중-허리형 중공 코어 광섬유(DTF)는 2 개의 중심 허리 섹션들(TW1, TW2) 중 하나를 포함할 수 있다. 다른 실시예들에서, 이중-허리형 중공 코어 광섬유(DTF)는 중심 허리 섹션들을 포함하지 않을 수 있다.
일부 실시예들에서, 2 개의 테이퍼들(TP1, TP2)은 제 1 광섬유 패싯(FF') 근처의 제 1 테이퍼(TP1)가 MI 프로세스의 시작을 촉발시키는 데 사용되는 한편, 제 2 광섬유 패싯(SF') 근처의 제 1 테이퍼(TP1)의 하류에 위치된 제 2 테이퍼(TP2)가 DWG의 시작을 촉발시키도록 구성될 수 있다. "하류"라는 용어는 광섬유의 출력단에 더 가까운 위치를 설명할 것이고, "상류"는 광섬유의 입력단에 더 가까운 위치를 설명할 것이다. 단일-허리형 중공 코어 광섬유(STF, STF')에 적용가능할 수 있는 방사선 소스(RDS)의 앞서 언급된 구성들은 이중-허리형 중공 코어 광섬유(DTF)에 동등하게 적용가능하다.
도 16a는 (예를 들어, 도 15에 나타낸 바와 같은) 2 개의 허리 구역들 -제 1 허리 구역은 변조 불안정 프로세스를 제어하도록 적용되고, 제 2 허리 구역은 분산파 생성을 제어하도록 적용됨- 을 갖는 테이퍼링된 중공 코어 광섬유 내에서의 방사선 펄스의 스펙트럼 진화의 시뮬레이션에 대한 도 12와 동등한 플롯을 나타낸다. 흰색 라인(0 GVD)은 영 분산 파장 및 이중-허리형 중공 코어 광섬유(DTF)의 길이를 따른 광섬유 코어 직경의 변화를 나타낸다. 이 예시적인 시뮬레이션에서, 이중-허리형 중공 코어 광섬유(DTF)의 총 길이는 42 cm이며, 예를 들어 도 11a 및 도 11b에 나타낸 단일-허리형 중공 코어 광섬유(STF, STF')와 동일하다. 제 1 테이퍼링되지 않은 섹션(UT1), 제 1 테이퍼링 다운 섹션(TD1), 제 1 중심 허리 섹션(CW1), 제 1 테이퍼링 업 섹션(TU1), 제 2 테이퍼링되지 않은 섹션(UT2), 제 2 테이퍼링 다운 섹션(TD2), 제 2 중심 허리 섹션(CW2), 제 2 테이퍼링 업 섹션(TU2), 및 제 3 테이퍼링되지 않은 섹션(UT3)의 길이들은 각각 4 cm, 5 cm, 7 cm, 5 cm, 5 cm, 5 cm, 4 cm, 5 cm 및 2 cm이다. 테이퍼링되지 않은 섹션들(UT1, UT2, UT3)에서의 중공 코어의 직경은 30 ㎛이고, 제 1 중심 허리 섹션(CW1) 및 제 2 중심 허리 섹션(CW2)에서의 중공 코어의 최소 직경(또는 테이퍼 허리 직경)은 20 ㎛이다. 시뮬레이션에서, 테이퍼링 다운 섹션(TD1, TD2)에서의 중공 코어의 직경은 30 ㎛에서 20 ㎛로 선형으로 감소하는 것으로서 처리되고, 테이퍼링 업 섹션(TU1, TU2)에서의 중공 코어의 직경은 20 ㎛에서 30 ㎛로 선형으로 증가하는 것으로서 처리된다.
이중-허리형 중공 코어 광섬유(DTF)의 중공 코어는 25.7 bar의 압력에서 크립톤 가스의 작용 매질로 채워질 수 있다. 입력 방사선은 10.6 MHz의 반복률 및 1030 nm의 중심 파장을 갖는 펌프 펄스 트레인을 포함할 수 있다. 반치전폭(FWHM) 펄스 지속 시간은 300 fs이며, 펄스 에너지는 2.4 μJ이다. 이중-허리형 중공 코어 광섬유(DTF)로의 런칭 시, 펄스 입력 방사선(또는 펌프 펄스)(IRD)은 솔리톤 차수가 N = 80인 고차 솔리톤으로 진화한다. 솔리톤 차수는 코어 직경에 따라 변하기 때문에, 코어 직경이 20 ㎛로 감소할 때 초기 솔리톤 차수는 N = 54로 감소한다. 이 높은 솔리톤 차수는 입력 방사선(IRD)이 MI 체제에서 스펙트럼 확장될 것을 보장한다.
도 16a에 나타낸 바와 같이, MI 프로세스의 시작은 제 1 허리 구역(TP1)의 제 1 테이퍼링 업 섹션(TU1)에서 발생한다. 제 1 허리 구역(TP1)은 MI 지배 스펙트럼 확장이 제 1 광섬유 패싯(FF')(또는 광섬유 입력단)으로부터 약 16 cm 떨어진 거리에서 시작하도록 한다(또는 적어도 도움이 된다). 이는 2.4 μJ의 동일한 펄스 에너지를 갖는 입력 방사선(IRD)이 25 cm의 거리에서도 MI 지배 스펙트럼 확장을 생성하지 않는 도 12b에 나타낸 경우와 대조적이다. 따라서, 제 1 허리 구역(TP1)은 MI 프로세스의 시작을 촉진한다. 제 2 허리 구역(TP2)으로 진입하기 전에, 입력 방사선의 스펙트럼은 약 450 nm 내지 1700 nm의 스펙트럼 범위를 포함하여 상당히 넓어진다.
DWG 유도 단파장 확장은 펄스 입력 방사선(IRD)이 제 2 허리 구역(TP2)[더 구체적으로는, 이 제 2 허리 구역의 제 2 중심 허리 섹션(CW2)]에 도달할 때 시작된다. 결과적으로, 스펙트럼의 단파장 에지는 약 450 nm에서 약 300 nm까지 확장된다. 제 1 테이퍼 허리 구역의 도움으로, DWG 유도 단파장 확장이 효과적으로 얻어진다. 이는 2.4 μJ의 동일한 펄스 에너지를 갖는 입력 방사선(IRD)이 MI 프로세스의 지연된 시작으로 인해 DWG 유도 단파장 확장을 제공하지도 않는 도 12b에 나타낸 경우와 대조적이다.
도 16b는 도 16a에 나타낸 시뮬레이션과 동일한 파라미터들로의 방사선 소스의 출력 스펙트럼들의 시뮬레이션을 나타낸다. 동일한 펌프 펄스 에너지로 생성되는 도 13에 나타낸 최적화되지 않은 출력 스펙트럼(USP)과 대조적으로, 이중-허리형 중공 코어 광섬유(DTF)는 스펙트럼(DSP)의 단파장 에지를 상당히 확장하는 한편, 동시에 훨씬 더 평활한 스펙트럼 프로파일(또는 더 균형 잡힌 PSD 프로파일)을 유지할 수 있다.
따라서, 광대역 방사선 발생을 위한 이중-허리형 중공 코어 광섬유(DTF)를 디자인하기 위해, 제 1 허리 구역의 위치 및 파라미터들이 MI 유도 스펙트럼 확장의 시작 및 강도를 제어하도록 최적화되고, 제 2 허리 구역의 위치 및 파라미터들이 DWG의 시작 및 강도를 제어하도록 최적화될 것을 보장하는 것이 중요하다. MI 유도 스펙트럼 확장의 시작은 이중-허리형 중공 코어 광섬유(DTF)의 제 1 패싯(FF')으로부터 5 cm 내지 30 cm의 위치에서 발생할 수 있다. 예를 들어, MI 시작 위치는 제 1 패싯(FF')으로부터 10 cm 내지 20 cm, 14 cm 내지 16 cm, 15 cm 내지 35 cm, 20 cm 내지 30cm, 또는 24 cm 내지 28 cm에 있을 수 있다. 예를 들어, 제 1 허리 구역(TP1)의 제 1 중심 허리 섹션(CW1)이 부적절하게 긴 경우, 제 1 허리 구역 내에서 분산파들이 생성된다. 이러한 경우, 원하는 단파장 확장이 얻어질 수 있지만, 출력 스펙트럼 프로파일은 불균형하고 제 2 출력 스펙트럼(SP2)과 유사한 뾰족한 UV 피크를 포함한다. 그러므로, 각각의 프로세스를 위해 각각의 허리 구역을 최적화하는 것에 추가하여, 제 1 허리 구역이 DWG의 시작 전에 끝날 것을 보장하는 것도 중요하다. 일부 실시예들에서, 제 1 테이퍼링 업 섹션(TU1)은 MI 프로세스의 시작으로부터 짧은 거리 내에 위치될 수 있다. 이러한 짧은 거리는, 예를 들어 -10 내지 10 ㎝, -5 내지 5 ㎝, -2.5 ㎝ 내지 2.5 ㎝, 또는 -1 내지 1 ㎝의 범위에 있을 수 있다.
앞선 실시예들에서 사용된 "테이퍼"라는 용어는 광섬유의 구조적 치수들(예를 들어, 내부 코어 직경, 내부 및/또는 외부 모세관 직경)이 광섬유 길이를 따라 변화하는 광섬유의 부분으로서 폭넓게 해석되어야 한다는 것을 유의한다. 그러므로, 테이퍼는 광섬유(OF)의 구조적 변동부로서 간주될 수 있는 한편, 광섬유(OF)의 테이퍼링되지 않은 부분은 1 이상의 주 부분을 포함하는 것으로 간주될 수 있다. 허리 구역은 다음 3 개의 섹션들: 테이퍼링 다운 섹션(TD), 중심 허리 섹션(CW), 테이퍼링 업 섹션(TU) 모두를 반드시 포함할 필요는 없을 수 있다. 이중-허리형 중공 코어 광섬유(DTF)는 단지 일 예시일 뿐이라는 것을 이해하여야 한다. 다른 실시예들에서, 이중-허리형 중공 코어 광섬유(DTF)의 1 이상의 섹션이 배제될 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 이중-허리형 중공 코어 광섬유는 제 3 테이퍼링되지 않은 섹션(UT3)을 포함하지 않을 수 있다. 상이한 실시예에서, 이중-허리형 중공 코어 광섬유는 제 1 테이퍼링되지 않은 섹션(UT1) 또는 제 1 테이퍼링 다운 섹션(TD1)을 포함하지 않을 수 있다. 이 경우, 입력 방사선(IRD)은 제 1 중심 허리 섹션(CW1)으로 직접 커플링될 수 있다. 또한, 2 이상의 허리 구역들이 중공 코어 광섬유에 적용될 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 더 많은 허리 구역들이 여러 상이한 비선형 광학 프로세스들을 효과적으로 제어하게 될 때 추가적인 유연성을 가져올 수 있다. 광대역 방사선 발생을 개선하기 위해 중공 코어 광섬유에 2 이상의 허리 구역들을 적용하는 것은 MI 프로세스 및 DWG의 제어에 제한되지 않는다는 것을 유의한다. 또한, 2 이상의 허리 구역들은 가스로 채워진 중공 코어 광섬유에서 다른 비선형 프로세스들을 제어하기 위해 적용될 수도 있다.
앞선 실시예들에서 설명된 바와 같이, 광대역 출력 방사선(ORD)이 발생되는 중공 코어(HC) 광섬유(OF)에 1 이상의 허리 또는 감소된 직경 구역을 적용하는 것은 단파장 확장이 효과적이고 제어되는 방식으로 달성되도록 광섬유에서 1 이상의 비선형 광학 프로세스, 예를 들어 MI 프로세스 및 DWG의 강도 및 시작의 신중한 조작을 허용한다. 단파장 확장의 크기 또는 출력 스펙트럼의 단파장 에지 위치는 주로 연계된 솔리톤들과 분산파들 사이의 위상 매칭 조건에 의해 결정된다. 중공 코어(HC) 광섬유(OF)에 적용되는 허리들의 크기를 더 감소시킴으로써 추가 단파장 확장이 얻어질 수 있다. 하지만, 더 작은 테이퍼 허리 크기들이 감소된 광 전송 및 증가된 제조 문제들을 초래하기 때문에 이러한 접근법에는 한계가 있을 것이다.
그러므로, 광대역 출력 스펙트럼의 단파장 에지가 UV 구역으로 더 확장되게 할 뿐만 아니라, 테이퍼 허리들을 더 감소시킬 필요도 없는 방법을 갖는 것이 바람직하다. 본 발명자들은 분산파들의 솔리톤 트래핑이 사용되어 중공 코어(HC) 광섬유(OF)에서 발생되는 광대역 출력 방사선(ORD)의 단파장 범위를 확장할 수 있음을 확인하였다. J C Travers의 논문 "Blue extension of optical fiber supercontinuum generation", Journal of Optics, 12(2010) 113001에 따르면, 솔리톤 트래핑 프로세스는 이상 구역에서의 적절하게 강렬한 솔리톤이 동일한 군속도를 갖는 정상 분산 구역에서의 분산파와 시간적으로 겹칠 때 시작된다. 이러한 경우, 펄스-내 4-파 혼합이 분산파의 약간의 블루-시프트 및 솔리톤의 약간의 레드-시프트를 야기할 수 있다. 결과적으로, 분산파 및 솔리톤은 더 낮은 군속도의 구역들로 시프트하고, 따라서 둘 다 감속된다. 솔리톤과 분산파 사이의 시간적 중첩이 유지되는 경우, 분산파는 지속적으로 블루-시프트되면서 솔리톤에 의해 트래핑된다. 반면에, 파장 시프트들이 솔리톤과 분산파 사이의 군속도 미스매칭을 유도하는 경우, 및 이러한 군속도 미스매칭이 충분히 클 때, 두 파동들은 결국 시간에 있어서 분리될 것이고, 솔리톤 트래핑 프로세스가 중지될 것이다. 따라서, 솔리톤 트래핑 프로세스는 솔리톤과 분산파의 군속도들을 매칭시킴으로써, 또는 솔리톤과 분산파 사이의 군속도 미스매칭을 최소화함으로써 유지될 수 있다.
본 발명자들은, 광대역 출력 방사선(ORD)이 라만 자유 작용 매질(WM)(예를 들어, 희가스 또는 가스 혼합물)을 갖는 테이퍼링되지 않거나 균일한 중공 코어(HC) 광섬유(OF)(예를 들어, 균일한 HC-PCF)에서 발생되고, 작동 파라미터들(예를 들어, 펌프 레이저 파라미터들)이 MI 지배 스펙트럼 확장을 가능하게 하도록 선택되는 경우에, 솔리톤들이 분산파들보다 높은 군속도들을 갖는다는 것을 깨달았다. 이러한 것으로서, 분산파는 일단 생성되면 솔리톤을 따라잡을 수 없고, 따라서 분산파의 솔리톤 트래핑은 발생하지 않을 것이다.
본 발명자들은 광대역 출력 방사선(ORD)이 발생되는 중공 코어(HC) 광섬유(OF)에 적어도 하나의 군속도 제어 메카니즘을 적용함으로써 솔리톤 트래핑 프로세스를 시작하고 유지할 수 있다는 것을 깨달았다. 이는 군속도 제어 메카니즘이 솔리톤 및 분산파의 군속도들을 제어가능하게 변경하여 이들의 시간적 분리를 최소화하고 따라서 시간적 중첩을 유지할 수 있기 때문이다.
일부 실시예들에서, 군속도 제어 메카니즘은 소정 테이퍼 경사(gradient)를 갖는 적어도 하나의 테이퍼를 포함할 수 있다. 각각의 테이퍼의 테이퍼 경사는 솔리톤 및 분산파의 군속도들을 상이한 크기들로 변경하도록 신중하게 최적화될 수 있다. 예를 들어, 최적화된 테이퍼 경사를 갖는 테이퍼는 분산파에 비해 솔리톤을 더 많이 감속시킬 수 있다. 이는 테이퍼에 진입하기 전에 솔리톤과 분산파 사이의 시간적 분리를 효과적으로 보상하거나 최소화하고, 이에 따라 이들로 하여금 광섬유을 통해 전파하는 동안 양호한 시간적 중첩을 유지하게 할 수 있다. 대조적으로, 도 11a, 도 11b 및 도 15에 나타낸 테이퍼들 또는 허리 구역들(TP, TP', TP1, TP2)의 주요 목적은 MI 프로세스 및 DWG의 강도 및 시작을 제어하는 것이다. 그러므로, 분산파들의 솔리톤 트래핑에 대한 테이퍼 경사의 영향은 그 테이퍼들을 구현할 때 고려되지 않을 수 있다.
도 17은 일 실시예에 따른 분산파들의 솔리톤 트래핑을 위해 구성되는 또 다른 단일-허리형 중공 코어 광섬유를 개략적으로 도시한다. 도면에 나타낸 바와 같이, 단일-허리형 중공 코어 광섬유(TOF1)는 입력 방사선(IRD)을 수용하기 위한 제 1 광섬유 패싯(FF11) 및 광대역 출력 방사선(ORD)을 출력하기 위한 제 2 광섬유 패싯(SF11)을 포함할 수 있다. 단일-허리형 중공 코어 광섬유(TOF1)는 3 개의 광섬유 섹션들, 즉 제 1 길이(L11)를 갖는 균일한 또는 테이퍼링되지 않은 섹션(UT11), 제 2 길이(L12)를 갖는 테이퍼링 다운 섹션(TD11), 및 제 3 길이(L13)를 갖는 중심 허리 섹션(CW11)을 포함할 수 있다. 균일한 섹션(UT11)은 섹션의 길이를 따라 일정하게 유지되는 제 1 중공 코어 직경(D11)을 가질 수 있다. 대조적으로, 테이퍼링 다운 섹션(TD11)은 섹션의 길이를 따라 연속적으로 그리고 실질적으로 선형으로 감소하는 제 2 중공 코어 직경(D12)을 가질 수 있다. 제 3 섹션, 즉 중심 허리 섹션(CW11)은 테이퍼링 다운 섹션(TD11) 직후에 시작될 수 있으며, 제 1 코어 직경(D11)에 대해 감소되지만 섹션의 길이를 따라 일정하게 유지되는 제 3 중공 코어 직경(D13)을 가질 수 있다. 테이퍼링 다운 섹션(TD11) 및 중심 허리 섹션(CW11)은 앞선 실시예들에서 정의된 바와 같이 허리 구역 또는 테이퍼(TP11)를 형성할 수 있다.
이 실시예에서, 제 2 중공 코어 직경(D12)은 미리 정의된 테이퍼 경사(TG11)에 따라 감소할 수 있다. 테이퍼 경사(TG11)는 섬유의 길이를 따라 중공 코어 크기가 얼마나 빠르게 변화하는지를 설명하는 데 사용될 수 있으며, 다음과 같이 정의될 수 있다:
여기서, ΔR은 테이퍼링 다운 섹션(TD11)의 여하한의 주어진 부분에서 중공 코어 반경의 변화를 나타내고, ΔL은 중공 코어 반경의 변화(ΔR)가 발생하는 광섬유 길이를 나타낸다. 본 발명자들은, 테이퍼 경사가 예를 들어 0.01 ㎛/cm 내지 10 ㎛/cm, 0.05 ㎛/cm 내지 5 ㎛/cm, 0.1 ㎛/cm 내지 1 ㎛/cm, 또는 0.1 ㎛/cm 내지 0.5 ㎛/cm의 범위 내에 속할 수 있음을 확인하였다.
도 18a 및 도 18b는 각각 균일한 중공 코어 광섬유 내에서 70 ㎝ 및 110 ㎝의 거리를 전파한 후 입력 방사선 펄스의 시간적 및 스펙트럼 분포를 설명하는 시뮬레이션의 2 개의 스펙트로그램들이다. 수평 축은 입력 방사선의 스펙트럼 성분들 간의 시간적 분포 또는 지연 시간을 나타내는 한편, 수직 축은 입력 방사선의 스펙트럼 분포를 나타낸다. 그레이스케일 플롯의 콘트라스트는 가장 약한 에너지(dB)의 검은색에서 가장 강한 흰색까지의 범위를 갖는다.
이 예시적인 시뮬레이션에서, 균일한 중공 코어(HC) 광섬유(OF)(예를 들어, 도 7에 예시된 바와 같은 단일 링 HC-ARF)는 110 cm의 길이 및 30 ㎛의 코어 직경(또는 15 ㎛의 코어 반경)을 가질 수 있다. 위치 Pos = 70 cm는 제 1 광섬유 패싯(FF11)으로부터 70 cm의 거리인 광섬유 내의 위치에 대응할 수 있고, 위치 Pos = 110 cm는 제 2 광섬유 패싯(SF11)의 위치에 대응할 수 있다. 중공 코어(HC)는 25.7 bar의 압력에서 크립톤 가스의 작용 매질(WM)로 채워질 수 있다. 펄스 입력 방사선(IRD)은 150 fs의 펌프 펄스 지속 시간(τ), 0.5 μJ 에너지의 펄스 에너지(Ep), 및 1030 nm의 중심 파장(λ)을 갖는다. 펄스 입력 방사선(IRD)은 제 1 광섬유 패싯(FF11)을 통해 광섬유로 수용될 수 있고, 제 2 광섬유 패싯(SF11)을 통해 광섬유를 빠져나갈 수 있다. 이 구성은 이상 분산 체제에서 펌핑을 허용한다. 단일-허리형 중공 코어 광섬유(TOF1)로의 런칭 시, 펄스 입력 방사선(또는 펌프 펄스)(IRD)은 MI 지배 비선형 광학 프로세스를 보장하는 N = 23의 솔리톤 차수를 갖는 고차 솔리톤으로 진화한다. 도 18a에서 알 수 있는 바와 같이, 약 580 nm의 분산파와 약 1380 nm의 솔리톤 사이의 지연 시간은 100 fs 미만이며, 이러한 것으로서 이들은 여전히 부분적으로 시간에 있어서 중첩되어 있다. 하지만, 40 cm의 거리를 더 전파한 후, 분산파와 솔리톤 사이의 지연 시간은 300 fs보다 더 증가한다. 이러한 큰 지연 시간은 분산파와 솔리톤 사이의 완전한 시간적 분리를 유도하고, 결과적으로 솔리톤 트래핑 프로세스가 발생하지 못하게 한다.
도 18c 및 도 18d는 각각 (예를 들어, 도 17에 나타낸 바와 같은) 단일-허리형 중공 코어 광섬유 내에서 70 ㎝의 거리 및 110 ㎝의 거리를 전파한 후 입력 방사선 펄스의 시간적 및 스펙트럼 분포를 설명하는 시뮬레이션의 2 개의 스펙트로그램들이다. 이 시뮬레이션은 도 18a 및 도 18b에 나타낸 시뮬레이션에 사용된 것과 동일한 작동 파라미터들에 기초한다. 단일-허리형 중공 코어 광섬유(TOF1)는 110 cm의 길이를 가질 수 있다. 허리 구역은 도 17에 나타낸 바와 같이, 광섬유의 제 1 광섬유 패싯(FF11)으로부터 70 cm 거리 직후에 시작될 수 있고 제 2 광섬유 패싯(SF11)에서 끝날 수 있다. 제 1 중공 코어 직경(D11)은 30 ㎛일 수 있고, 테이퍼 경사(TG11)는 0.2 ㎛/cm일 수 있으며, 이는 테이퍼 다운 섹션(TD11)의 끝에서 24 ㎛의 감소된 중공 코어 직경[예를 들어, 제 3 중공 코어 직경(D13)]으로 이어진다. 이러한 감소된 중공 코어 크기는 중심 허리 섹션(CW11)의 길이를 따라 실질적으로 일정하게 유지될 수 있다.
도 18c에서 알 수 있는 바와 같이, 입력 방사선(IRD)의 시간적 및 스펙트럼 분포는 도 18a에 나타낸 것과 동일하며, 이는 단순히 단일-허리형 광섬유(TOF1)의 테이퍼링되지 않은 섹션(UT11)이 도 18a에 나타낸 시뮬레이션에 사용된 (현재 도시된) 균일한 광섬유와 동일한 구조적 치수들(길이 제외)을 갖는다는 사실로 인한 것이다. 도 18d는 허리 구역의 사용이, 분산파와 솔리톤 사이의 양호한 시간적 중첩이 제 2 광섬유 패싯(SF11)을 통해 광섬유를 빠져나갈 때까지 실질적으로 유지되는 방식으로 솔리톤의 속도를 늦추는 것을 확인해 준다. 양호한 시간적 중첩은, 예를 들어 50 fs 미만, 20 fs 미만, 또는 10 fs 미만의 지연 시간에 대응할 수 있다. 이러한 양호한 시간적 중첩은 분산파의 솔리톤 트래핑을 가능하게 하며, 이는 도 18b에 나타낸 바와 같이 580 nm에서 도 18d에 나타낸 바와 같이 500 nm 이하로의 단파장 에지의 추가 블루-시프트를 유도한다.
도 19는 일 실시예에 따른 분산파들의 솔리톤 트래핑을 위해 구성되는 또 다른 상이한 단일-허리형 중공 코어 광섬유를 개략적으로 도시한다. 단일-허리형 중공 코어 광섬유(TOF2)는 입력 방사선(IRD)을 수용하기 위한 제 1 광섬유 패싯(FF22) 및 광대역 출력 방사선(ORD)을 출력하기 위한 제 2 광섬유 패싯(SF22)을 포함할 수 있다. 광섬유는 2 개의 섹션들: 제 1 길이(L21)를 갖는 테이퍼링되지 않은/균일한 섹션(UT22) 및 제 2 길이(L22)를 갖는 테이퍼링 다운 섹션(TD22)만을 포함할 수 있다. 균일한 섹션(UT22)은 섹션의 길이를 따라 일정하게 유지되는 제 1 중공 코어 직경(D21)을 가질 수 있다. 테이퍼링 다운 섹션(TD22)은 테이퍼 경사(TG22)로 섹션의 길이를 따라 연속적으로 그리고 실질적으로 선형으로 감소하는 제 2 중공 코어 직경(D22)을 가질 수 있다. 테이퍼링 다운 섹션(TD22)은 앞선 실시예들에서 정의된 바와 같이 허리 구역 또는 테이퍼(TP22)를 형성할 수 있다.
도 20a 및 도 20b는 각각 균일한 중공 코어 광섬유 내에서 27 ㎝의 거리 및 42 ㎝의 거리를 전파한 후 입력 방사선 펄스의 시간적 및 스펙트럼 분포를 설명하는 시뮬레이션의 2 개의 스펙트로그램들이다. 이 예시적인 시뮬레이션에서, 균일한 중공 코어(HC) 광섬유(OF)(예를 들어, 도 7에 예시된 바와 같은 단일 링 HC-ARF)는 42 cm의 길이 및 30 ㎛의 코어 직경(또는 15 ㎛의 코어 반경)을 가질 수 있다. 위치 Pos = 27 cm는 제 1 광섬유 패싯(FF22)으로부터 27 cm의 거리인 광섬유 내의 위치에 대응할 수 있고, 위치 Pos = 42 cm는 제 2 광섬유 패싯(SF22)의 위치에 대응할 수 있다. 중공 코어(HC)는 25.7 bar의 압력에서 크립톤 가스의 작용 매질(WM)로 채워질 수 있다. 펄스 입력 방사선(IRD)은 280 fs의 펌프 펄스 지속 시간(τ), 5.3 μJ 에너지의 펄스 에너지(Ep), 및 1030 nm의 중심 파장(λ)을 갖는다. 펄스 입력 방사선(IRD)은 제 1 광섬유 패싯(FF22)을 통해 광섬유로 수용될 수 있고, 제 2 광섬유 패싯(SF22)을 통해 광섬유를 빠져나갈 수 있다. 이 구성은 이상 분산 체제에서 펌핑을 허용한다. 단일-허리형 중공 코어 광섬유(TOF2)로의 런칭 시, 펄스 입력 방사선(또는 펌프 펄스)(IRD)은 MI 지배 비선형 광학 프로세스를 보장하는 N = 104의 솔리톤 차수를 갖는 고차 솔리톤으로 진화한다.
도 20a에서 알 수 있는 바와 같이, 약 400 nm의 분산파와 약 1800 nm의 솔리톤 사이의 지연 시간은 100 fs 미만이며, 이러한 것으로서 이들은 여전히 부분적으로 시간에 있어서 중첩되어 있다. 하지만, 15 cm의 거리를 더 전파한 후, 분산파와 솔리톤 사이의 지연 시간은 500 fs보다 더 증가한다. 이러한 큰 지연 시간은 다시 분산파와 솔리톤 사이의 완전한 시간적 분리를 유도하고, 결과적으로 솔리톤 트래핑 프로세스가 발생하지 못하게 한다.
도 20c 및 도 20d는 각각 (예를 들어, 도 19에 나타낸 바와 같은) 단일-허리형 중공 코어 광섬유 내에서 27 ㎝의 거리 및 42 ㎝의 거리를 전파한 후 입력 방사선 펄스의 시간적 및 스펙트럼 분포를 설명하는 시뮬레이션의 2 개의 스펙트로그램들이다. 이 시뮬레이션은 도 20a 및 도 20b에 나타낸 시뮬레이션에 사용된 것과 동일한 작동 파라미터들에 기초한다. 단일-허리형 중공 코어 광섬유(TOF2)는 42 cm의 길이를 가질 수 있다. 허리 구역은 도 19에 나타낸 바와 같이, 광섬유의 제 1 광섬유 패싯(FF22)으로부터 27 cm 거리 직후에 시작될 수 있고 제 2 광섬유 패싯(SF22)에서 끝날 수 있다. 제 1 중공 코어 직경(D21)은 30 ㎛에서 일정하게 유지될 수 있다. 테이퍼 경사(TG22)는 0.5 ㎛/cm일 수 있으며, 이는 제 2 광섬유 패싯(SF22)에서 15 ㎛의 감소된 중공 코어 직경[예를 들어, 제 2 광섬유 패싯(SF22)에서의 제 2 중공 코어 직경(D22)]으로 이어진다.
도 20c에 나타낸 입력 방사선(IRD)의 시간적 및 스펙트럼 분포는, 단일-허리형 광섬유(TOF2)의 테이퍼링되지 않은 섹션(UT22)이 도 20a에 나타낸 시뮬레이션에 사용된 (현재 도시된) 균일한 광섬유와 동일한 구조적 치수들(길이 제외)을 갖는다는 사실로 인해 도 20a에 나타낸 것과 동일하다. 도 20d는 허리 구역의 사용이, 분산파와 솔리톤 사이의 시간적 중첩이 제 2 광섬유 패싯(SF22)을 통해 광섬유를 빠져나갈 때까지 실질적으로 유지되는 방식으로 솔리톤의 속도를 늦추는 것을 확인해 준다. 이는 분산파가 솔리톤에 의해 시간적 및 스펙트럼적으로 트래핑되게 하고, 이는 차례로 도 20b에 나타낸 바와 같이 400 nm에서 도 20d에 나타낸 바와 같이 300 nm 이하로의 단파장 에지의 추가 블루-시프트를 유도한다.
일부 실시예들에서, 군속도 제어 메카니즘은 라만 활성 작용 매질(WM)을 포함할 수 있다. 라만 활성 작용 매질은 적어도 하나의 라만 활성 가스를 포함한 충전 가스 또는 가스 혼합물일 수 있다. 라만 활성 가스는, 예를 들어 수소, 듀테륨 또는 질소일 수 있다. 앞서 설명된 바와 같이, 본 발명자들은 라만 활성 작용 매질만으로도 분산파에 대해 솔리톤을 감속시킬 수 있고, 따라서 테이퍼링된 광섬유가 아닌 테이퍼링되지 않은 중공 코어 광섬유에서 분산파의 솔리톤 트래핑을 얻게 된다는 것을 깨달았다. 일부 실시예들에서, 라만 활성 작용 매질은 분산파와 솔리톤 사이의 시간적 분리를 최소화하여 둘 사이의 양호한 시간적 중첩을 보장하도록 구성될 수 있다. 양호한 시간적 중첩은, 예를 들어 50 fs 미만, 20 fs 미만, 또는 10 fs 미만의 지연 시간에 대응할 수 있다.
상이한 실시예들에서, 2 이상의 군속도 제어 메카니즘들이 함께 사용될 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 도 17 또는 도 19에 나타낸 테이퍼링된 광섬유(TOF1, TOF2)와 같은 단일-허리형 중공 코어 광섬유가 라만 활성 작용 매질로 채워질 수 있다. 이 경우, 광섬유의 허리 구역 및 라만 활성 작용 매질(예를 들어, 적어도 하나의 라만 활성 가스를 포함한 충전 가스 또는 가스 혼합물)은 분산파와 솔리톤 사이의 시간적 분리가 최소화되고 솔리톤 트래핑 프로세스가 유지되도록 입력 방사선(IRD)에 대한 조합된 효과를 유도하도록 구성될 수 있다.
분산파들의 솔리톤 트래핑을 위해 구성되는 앞서 설명된 단일-허리형 중공 코어 광섬유들(TOF1, TOF2)은 비-제한적인 예시들이라는 것에 유의한다. 2 이상의 허리 구역들을 갖는 다른 중공 코어 광섬유들이 동등하게 적용가능할 수 있다. 또한, 단일-허리형 중공 코어 광섬유들(TOF1, TOF2)의 단일 허리 구역(TP11, TP22)은 DWG의 시작을 촉발시킬 뿐만 아니라 솔리톤 트래핑 프로세스를 가능하게 하고 유지하도록 구성되고 위치될 수 있다는 것을 유의한다. 바람직한 실시예에서, (예를 들어, 도 15에 나타낸 바와 같은) 이중-허리형 중공 코어 광섬유는 제 1 허리 구역이 MI 프로세스를 개시하는 데 최적화되는 한편, 제 2 허리 구역(TP2)이 DWG 및 솔리톤 트래핑 프로세스를 모두 개시하는 데 최적화되도록 구성될 수 있다. 또 다른 바람직한 실시예에서, 이중-허리형 중공 코어 광섬유는 라만 활성 충전 가스로 채워질 수 있다. 라만 활성 충전 가스의 사용은 솔리톤 트래핑 프로세스의 최적화와 관련하여 추가적인 자유도를 더할 수 있다. 다른 실시예들에서, 1 이상의 군속도 제어 메카니즘(예를 들어, 테이퍼링된 중공 코어 광섬유 및/또는 라만 활성 충전 가스)이 평활한 스펙트럼 프로파일 및 확장된 단파장 에지를 갖는 광대역 출력 방사선을 발생시키도록 구성되는 (예를 들어, 도 11a, 도 11b 또는 도 15에 나타낸 바와 같은) 단일-허리형 또는 이중-허리형 중공 코어 광섬유에 적용될 수 있다.
도 21은 본 명세서에 개시된 방법들 및 흐름들을 구현하는 데 도움이 될 수 있는 컴퓨터 시스템(2100)을 나타내는 블록 다이어그램이다. 컴퓨터 시스템(2100)은 정보를 전달하는 버스(2102) 또는 다른 통신 기구, 및 정보를 처리하는 버스(2102)와 커플링된 프로세서(2104)[또는 다중 프로세서들(2104 및 2105)]를 포함한다. 또한, 컴퓨터 시스템(2100)은 프로세서(2104)에 의해 실행될 정보 및 명령어들을 저장하는 RAM(random access memory) 또는 다른 동적 저장 디바이스와 같은, 버스(2102)에 커플링된 주 메모리(2106)를 포함한다. 또한, 주 메모리(2106)는 프로세서(2104)에 의해 실행될 명령어들의 실행 시 임시 변수들 또는 다른 매개 정보(intermediate information)를 저장하는 데 사용될 수 있다. 컴퓨터 시스템(2100)은 프로세서(2104)에 대한 정적 정보 및 명령어들을 저장하는 버스(2102)에 커플링된 ROM(read only memory: 2108) 또는 다른 정적 저장 디바이스를 더 포함한다. 자기 디스크 또는 광학 디스크와 같은 저장 디바이스(2110)가 제공되고 버스(2102)에 커플링되어 정보 및 명령어들을 저장한다.
컴퓨터 시스템(2100)은 버스(2102)를 통해, 컴퓨터 사용자에게 정보를 보여주는 CRT(cathode ray tube) 또는 평판 또는 터치 패널 디스플레이(touch panel display)와 같은 디스플레이(2112)에 커플링될 수 있다. 영숫자 및 다른 키들을 포함한 입력 디바이스(2114)는 정보 및 명령 선택(command selection)들을 프로세서(2104)로 전달하기 위해 버스(2102)에 커플링된다. 또 다른 타입의 사용자 입력 디바이스는 방향 정보 및 명령 선택들을 프로세서(2104)로 전달하고, 디스플레이(2112) 상의 커서 움직임을 제어하기 위한 마우스, 트랙볼(trackball) 또는 커서 방향키들과 같은 커서 제어부(cursor control: 2116)이다. 이 입력 디바이스는, 통상적으로 디바이스로 하여금 평면에서의 위치들을 특정하게 하는 2 개의 축인 제 1 축(예를 들어, x) 및 제 2 축(예를 들어, y)에서 2 자유도를 갖는다. 또한, 입력 디바이스로서 터치 패널(스크린) 디스플레이가 사용될 수도 있다.
주 메모리(2106)에 포함된 1 이상의 명령어들의 1 이상의 시퀀스를 실행하는 프로세서(2104)에 응답하여 컴퓨터 시스템(2100)에 의해 본 명세서에 설명된 바와 같은 방법들 중 1 이상이 수행될 수 있다. 이러한 명령어들은 저장 디바이스(2110)와 같은 또 다른 컴퓨터-판독가능한 매체로부터 주 메모리(2106)로 읽혀질 수 있다. 주 메모리(2106) 내에 포함된 명령어들의 시퀀스들의 실행은, 프로세서(2104)가 본 명세서에 설명된 공정 단계들을 수행하게 한다. 또한, 주 메모리(2106) 내에 포함된 명령어들의 시퀀스들을 실행하기 위해 다중 처리 구성(multi-processing arrangement)의 1 이상의 프로세서가 채택될 수 있다. 대안적인 실시예에서, 하드웨어에 내장된 회로(hard-wired circuitry)가 소프트웨어 명령어들과 조합하거나 그를 대신하여 사용될 수 있다. 따라서, 본 명세서의 기재내용은 하드웨어 회로와 소프트웨어의 여하한의 특정 조합에 제한되지 않는다.
본 명세서에서 사용된 "컴퓨터-판독가능한 매체"라는 용어는 실행을 위해 프로세서(2104)에 명령어를 제공하는 데 관여하는 여하한의 매체를 칭한다. 이러한 매체는 비휘발성 매체(non-volatile media), 휘발성 매체 및 전송 매체를 포함하는 다수의 형태를 취할 수 있으며, 이에 제한되지는 않는다. 비휘발성 매체는, 예를 들어 저장 디바이스(2110)와 같은 광학 또는 자기 디스크를 포함한다. 휘발성 매체는 주 메모리(2106)와 같은 동적 메모리를 포함한다. 전송 매체는 버스(2102)를 포함하는 와이어들을 포함하여, 동축 케이블, 구리선 및 광섬유를 포함한다. 또한, 전송 매체는 무선 주파수(RF) 및 적외선(IR) 데이터 통신 시 발생되는 파장들과 같이 음파(acoustic wave) 또는 광파의 형태를 취할 수도 있다. 컴퓨터-판독가능한 매체의 보편적인 형태들은, 예를 들어 플로피 디스크, 플렉시블 디스크(flexible disk), 하드 디스크, 자기 테이프, 여하한의 다른 자기 매체, CD-ROM, DVD, 여하한의 다른 광학 매체, 펀치 카드, 종이 테이프, 홀(hole)들의 패턴을 갖는 여하한의 다른 물리적 매체, RAM, PROM, 및 EPROM, FLASH-EPROM, 여하한의 다른 메모리 칩 또는 카트리지, 이후 설명되는 바와 같은 반송파, 또는 컴퓨터가 판독할 수 있는 여하한의 다른 매체를 포함한다.
다양한 형태의 컴퓨터 판독가능한 매체는 실행을 위해 1 이상의 명령어들의 1 이상의 시퀀스를 프로세서(2104)로 전달하는 데 관련될 수 있다. 예를 들어, 명령어들은 초기에 원격 컴퓨터의 자기 디스크에 저장되어 있을 수 있다(bear). 원격 컴퓨터는 그 동적 메모리로 명령어들을 로딩하고, 모뎀을 이용하여 전화선을 통해 명령어들을 보낼 수 있다. 컴퓨터 시스템(2100)에 로컬인 모뎀이 전화선 상에서 데이터를 수신하고, 적외선 송신기를 사용하여 상기 데이터를 적외선 신호로 전환할 수 있다. 버스(2102)에 커플링된 적외선 검출기는 적외선 신호로 전달된 데이터를 수신하고, 상기 데이터를 버스(2102)에 놓을 수 있다. 버스(2102)는, 프로세서(2104)가 명령어들을 회수하고 실행하는 주 메모리(2106)로 상기 데이터를 전달한다. 주 메모리(2106)에 의해 수신된 명령어들은 프로세서(2104)에 의한 실행 전이나 후에 저장 디바이스(2110)에 선택적으로 저장될 수 있다.
또한, 컴퓨터 시스템(2100)은 바람직하게는 버스(2102)에 커플링된 통신 인터페이스(2118)를 포함한다. 통신 인터페이스(2118)는 로컬 네트워크(2122)에 연결되는 네트워크 링크(2120)에 커플링하여 양방향(two-way) 데이터 통신을 제공한다. 예를 들어, 통신 인터페이스(2118)는 ISDN(integrated services digital network) 카드 또는 대응하는 타입의 전화선에 데이터 통신 연결을 제공하는 모뎀일 수 있다. 또 다른 예시로서, 통신 인터페이스(2118)는 호환성 LAN에 데이터 통신 연결을 제공하는 LAN(local area network) 카드일 수 있다. 또한, 무선 링크가 구현될 수도 있다. 여하한의 이러한 구현에서, 통신 인터페이스(2118)는 다양한 타입의 정보를 나타내는 디지털 데이터 스트림들을 전달하는 전기적, 전자기적 또는 광학적 신호들을 송신하고 수신한다.
통상적으로, 네트워크 링크(2120)는 1 이상의 네트워크를 통해 다른 데이터 디바이스에 데이터 통신을 제공한다. 예를 들어, 네트워크 링크(2120)는 로컬 네트워크(2122)를 통해 호스트 컴퓨터(2124), 또는 ISP(Internet Service Provider: 2126)에 의해 작동되는 데이터 장비로의 연결을 제공할 수 있다. 차례로, ISP(2126)는 이제 보편적으로 "인터넷"(2128)이라고 칭하는 월드와이드 패킷 데이터 통신 네트워크를 통해 데이터 통신 서비스를 제공한다. 로컬 네트워크(2122) 및 인터넷(2128)은 둘 다 디지털 데이터 스트림들을 전달하는 전기적, 전자기적 또는 광학적 신호들을 사용한다. 다양한 네트워크를 통한 신호들, 및 컴퓨터 시스템(2100)에 또한 그로부터 디지털 데이터를 전달하는 통신 인터페이스(2118)를 통한 네트워크 링크(2120) 상의 신호들은 정보를 전달하는 반송파의 예시적인 형태들이다.
컴퓨터 시스템(2100)은 네트워크(들), 네트워크 링크(2120) 및 통신 인터페이스(2118)를 통해 메시지들을 송신하고, 프로그램 코드를 포함한 데이터를 수신할 수 있다. 인터넷 예시에서는, 서버(2130)가 인터넷(2128), ISP(2126), 로컬 네트워크(2122) 및 통신 인터페이스(2118)를 통해 어플리케이션 프로그램에 대한 요청된 코드를 전송할 수 있다. 하나의 이러한 다운로드된 어플리케이션은, 예를 들어 본 명세서에 설명된 기술들 중 1 이상을 제공할 수 있다. 수신된 코드는 수신될 때 프로세서(2104)에 의해 실행될 수 있고, 및/또는 추후 실행을 위해 저장 디바이스(2110) 또는 다른 비휘발성 저장소에 저장될 수 있다. 이 방식으로, 컴퓨터 시스템(2100)은 반송파의 형태로 어플리케이션 코드를 얻을 수 있다.
추가 실시예들이 번호가 매겨진 항목들의 다음 리스트에 개시되어 있다:
1. 펌프 방사선을 수용할 때 광대역 출력 방사선을 발생시키도록 구성되는 광대역 광 소스 디바이스로서,
중공 코어 광결정 광섬유(HC-PCF)를 포함하고, 이는 HC-PCF의 1 이상의 주 부분에 대해 변동되는 HC-PCF의 적어도 하나의 구조적 파라미터를 갖는 적어도 하나의 구조적 변동부를 포함하며,
상기 적어도 하나의 구조적 변동부는 적어도 펌프 방사선이 변조 불안정 지배 비선형 광학 프로세스에 의해 스펙트럼 확장되는 HC-PCF의 길이를 따른 위치의 하류에 위치되는 제 1 구조적 변동부를 포함하고,
상기 적어도 하나의 구조적 변동부는 상기 광대역 출력 방사선이 자외 스펙트럼 구역의 파장들을 포함하도록 구성되고 위치되는 광대역 광 소스 디바이스.
2. 1 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 구조적 변동부 중 1 이상은 각각 적어도 하나의 감소된 직경 부분을 포함하고, 상기 적어도 하나의 감소된 직경 부분은 HC-PCF의 상기 1 이상의 주 부분과 관련된 주 내부 코어 직경에 대해 감소되는 내부 코어 직경을 포함하는 광대역 광 소스 디바이스.
3. 2 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 감소된 직경 부분의 각각의 감소된 직경 부분은 제 1 방향으로 테이퍼링되는 제 1 테이퍼링된 부분을 포함하여, 상기 내부 코어 직경이 상기 제 1 테이퍼링된 부분의 길이에 걸쳐 상기 주 내부 코어 직경으로부터 상기 주 내부 코어 직경보다 작은 제 2 내부 코어 직경으로 감소하도록 하는 광대역 광 소스 디바이스.
4. 3 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 감소된 직경 부분 중 1 이상은 상기 제 1 방향과 반대인 방향으로 테이퍼를 갖는 제 2 테이퍼링된 부분을 포함하여, 상기 내부 코어 직경이 상기 제 2 테이퍼링된 부분의 길이에 걸쳐 상기 제 2 내부 코어 직경으로부터 상기 주 내부 코어 직경으로 증가하도록 하는 광대역 광 소스 디바이스.
5. 4 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 감소된 직경 부분 중 1 이상은 상기 제 1 테이퍼링된 부분과 제 2 테이퍼링된 부분 사이에 중심 허리 섹션을 포함하며, 상기 중심 허리 섹션은 길이를 따라 상기 제 2 내부 코어 직경을 갖는 광대역 광 소스 디바이스.
6. 1 항 내지 5 항 중 어느 하나에 있어서, 상기 적어도 하나의 구조적 변동부 중 1 이상은 각각 HC-PCF의 상기 1 이상의 주 부분에 대해 HC-PCF의 내측 클래딩 구조의 상이한 구조적 치수들을 포함하는 광대역 광 소스 디바이스.
7. 6 항에 있어서, 상기 HC-PCF의 내측 클래딩 구조의 상이한 구조적 치수들은 상이한 모세관 직경들을 포함하는 광대역 광 소스 디바이스.
8. 1 항 내지 7 항 중 어느 하나에 있어서, 상기 제 1 구조적 변동부의 시작은 상기 펌프 방사선이 변조 불안정 지배 비선형 광학 프로세스에 의해 스펙트럼 확장되는 HC-PCF의 길이를 따른 위치의 하류에 위치되는 광대역 광 소스 디바이스.
9. 1 항 내지 8 항 중 어느 하나에 있어서, 상기 제 1 구조적 변동부는 제 2 비선형 광학 프로세스를 제어하도록 구성되는 광대역 광 소스 디바이스.
10. 9 항에 있어서, 상기 제 2 비선형 광학 프로세스는 분산파 생성을 포함하는 광대역 광 소스 디바이스.
11. 10 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 구조적 변동부는 제 1 구조적 변동부의 상류에 위치되는 제 2 구조적 변동부를 더 포함하며, 상기 제 2 구조적 변동부는 MI 지배 비선형 광학 프로세스를 제어하도록 구성되고 위치되는 광대역 광 소스 디바이스.
12. 11 항에 있어서, 제 2 구조적 변동부는 제 2 비선형 광학 프로세스가 제 1 구조적 변동부에서 시작되지 않도록 구성되는 광대역 광 소스 디바이스.
13. 12 항에 있어서, 제 2 구조적 변동부는 분산파 생성이 광대역 출력 방사선의 단파장 경계를 더 확장하도록 구성되고 위치되는 광대역 광 소스 디바이스.
14. 10 항 내지 13 항 중 어느 하나에 있어서, 광대역 출력 방사선의 단파장 경계가 솔리톤 트래핑 프로세스를 통해 더 확장되도록 MI 지배 비선형 광학 프로세스에 의해 생성된 적어도 하나의 솔리톤과 적어도 하나의 분산파 사이의 시간적 분리를 최소화하도록 구성되는 적어도 하나의 군속도 제어 메카니즘을 더 포함하는 광대역 광 소스 디바이스.
15. 14 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 군속도 제어 메카니즘은, 시간적 분리를 최소화하기 위하여 상기 적어도 하나의 분산파에 대해 상기 적어도 하나의 솔리톤을 감속시키도록 구성되는 테이퍼링 경사에 따라 감소하는 내부 코어 직경을 포함하는 적어도 하나의 감소된 직경 부분을 포함하는 광대역 광 소스 디바이스.
16. 15 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 감소된 직경 부분은 상기 제 1 구조적 변동부 내에 포함되는 광대역 광 소스 디바이스.
17. 15 항 또는 16 항에 있어서, 테이퍼링 경사는 0.01 ㎛/cm 내지 10 ㎛/cm의 범위 내에 있는 광대역 광 소스 디바이스.
18. 14 항 내지 17 항 중 어느 하나에 있어서, 상기 적어도 하나의 군속도 제어 메카니즘은 HC-PCF를 채우도록 구성되고 시간적 분리를 최소화하기 위하여 상기 적어도 하나의 분산파에 대해 상기 적어도 하나의 솔리톤을 감속시키도록 구성되는 라만 활성 가스 또는 가스 혼합물을 포함하는 광대역 광 소스 디바이스.
19. 펌프 방사선을 수용할 때 광대역 출력 방사선을 발생시키도록 구성되는 광대역 광 소스 디바이스로서,
적어도 제 1 구조적 변동부 및 제 2 구조적 변동부를 포함하는 중공 코어 광결정 광섬유(HC-PCF)를 포함하고, 상기 제 1 구조적 변동부 및 상기 제 2 구조적 변동부 각각은 HC-PCF의 1 이상의 주 부분에 대해 변동되는 HC-PCF의 적어도 하나의 구조적 파라미터를 가지며, HC-PCF의 상기 1 이상의 주 부분 중 적어도 하나는 상기 제 1 구조적 변동부 및 제 2 구조적 변동부를 분리하는 광대역 광 소스 디바이스.
20. 19 항에 있어서, 상기 제 1 구조적 변동부 및 제 2 구조적 변동부 각각은 적어도 하나의 감소된 직경 부분을 포함하고, 상기 적어도 하나의 감소된 직경 부분은 HC-PCF의 상기 1 이상의 주 부분과 관련된 주 내부 코어 직경에 대해 감소되는 내부 코어 직경을 포함하는 광대역 광 소스 디바이스.
21. 20 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 감소된 직경 부분의 각각의 감소된 직경 부분은 제 1 방향으로 테이퍼링되는 제 1 테이퍼링된 부분을 포함하여, 상기 내부 코어 직경이 상기 제 1 테이퍼링된 부분의 길이에 걸쳐 상기 주 내부 코어 직경으로부터 상기 주 내부 코어 직경보다 작은 제 2 내부 코어 직경으로 감소하도록 하는 광대역 광 소스 디바이스.
22. 21 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 감소된 직경 부분 중 1 이상은 상기 제 1 방향과 반대인 방향으로 테이퍼를 갖는 제 2 테이퍼링된 부분을 포함하여, 상기 내부 코어 직경이 상기 제 2 테이퍼링된 부분의 길이에 걸쳐 상기 제 2 내부 코어 직경으로부터 상기 주 내부 코어 직경으로 증가하도록 하는 광대역 광 소스 디바이스.
23. 22 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 감소된 직경 부분 중 1 이상은 제 1 테이퍼링된 부분과 제 2 테이퍼링된 부분 사이에 중심 허리 섹션을 포함하며, 상기 중심 허리 섹션은 길이를 따라 상기 제 2 내부 코어 직경을 갖는 광대역 광 소스 디바이스.
24. 18 항 내지 23 항 중 어느 하나에 있어서, 상기 적어도 하나의 구조적 변동부 중 1 이상은 각각 HC-PCF의 상기 1 이상의 주 부분에 대해 HC-PCF의 내측 클래딩 구조의 상이한 구조적 치수들을 포함하는 광대역 광 소스 디바이스.
25. 24 항에 있어서, HC-PCF의 내측 클래딩 구조의 상이한 구조적 치수들은 상이한 모세관 직경들을 포함하는 광대역 광 소스 디바이스.
26. 25 항에 있어서, 상기 제 1 구조적 변동부 및 제 2 구조적 변동부는 각각 광대역 출력 방사선의 발생을 담당하는 제 1 비선형 광학 프로세스 및 제 2 비선형 광학 프로세스를 제어하도록 구성되고 위치되는 광대역 광 소스 디바이스.
27. 26 항에 있어서, 제 1 구조적 변동부는 제 2 비선형 광학 프로세스가 제 1 구조적 변동부에서 시작되지 않도록 구성되고 위치되는 광대역 광 소스 디바이스.
28. 27 항에 있어서, 제 1 비선형 광학 프로세스는 변조 불안정을 포함하고, 제 2 비선형 광학 프로세스는 분산파 생성을 포함하는 광대역 광 소스 디바이스.
29. 28 항에 있어서, 제 1 구조적 변동부는 변조 불안정이 펌프 방사선을 스펙트럼 확장하도록 구성되고 위치되는 한편, 제 2 구조적 변동부는 분산파 생성이 스펙트럼 확장된 펌프 방사선의 단파장 에지를 더 확장하도록 구성되고 위치되는 광대역 광 소스 디바이스.
30. 29 항에 있어서, 광대역 출력 방사선의 단파장 경계가 솔리톤 트래핑 프로세스를 통해 더 확장되도록 MI 지배 비선형 광학 프로세스에 의해 생성된 적어도 하나의 솔리톤과 적어도 하나의 분산파 사이의 시간적 분리를 최소화하도록 구성되는 적어도 하나의 군속도 제어 메카니즘을 더 포함하는 광대역 광 소스 디바이스.
31. 30 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 군속도 제어 메카니즘은 적어도 하나의 감소된 직경 부분을 포함하며, 상기 적어도 하나의 감소된 직경 부분은 상기 적어도 하나의 감소된 직경 부분의 길이에 걸쳐 테이퍼링 경사에 따라 상기 주 내부 코어 직경으로부터 감소하는 내부 코어 직경을 포함하고, 상기 테이퍼링 경사는 시간적 분리를 최소화하기 위하여 상기 적어도 하나의 분산파에 대해 상기 적어도 하나의 솔리톤을 감속시키도록 구성되는 광대역 광 소스 디바이스.
32. 31 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 감소된 직경 부분은 상기 제 2 구조적 변동부 내에 포함되는 광대역 광 소스 디바이스.
33. 31 항 또는 32 항에 있어서, 테이퍼링 경사는 0.01 ㎛/cm 내지 10 ㎛/cm의 범위 내에 있는 광대역 광 소스 디바이스.
34. 30 항 내지 33 항 중 어느 하나에 있어서, 상기 적어도 하나의 군속도 제어 메카니즘은 광대역 출력 방사선이 발생되는 HC-PCF의 중공 코어를 채우도록 구성되고 시간적 분리를 최소화하기 위하여 상기 적어도 하나의 분산파에 대해 상기 적어도 하나의 솔리톤을 감속시키도록 구성되는 라만 활성 가스 또는 가스 혼합물을 포함하는 광대역 광 소스 디바이스.
35. 1 항 내지 34 항 중 어느 하나에 있어서, 제 1 구조적 변동부 및 제 2 구조적 변동부는 실질적으로 펌프 방사선의 기본 모드의 전파를 지원하도록 더 구성되는 광대역 광 소스 디바이스.
36. 1 항 내지 35 항 중 어느 하나에 있어서, 상기 자외 구역에서의 파장들은 300 nm까지의 파장들을 포함하는 광대역 광 소스 디바이스.
37. 1 항 내지 36 항 중 어느 하나에 있어서, 상기 자외 구역에서의 파장들은 200 nm까지의 파장들을 포함하는 광대역 광 소스 디바이스.
38. 1 항 내지 37 항 중 어느 하나에 있어서, 상기 광대역 출력 방사선은 2000 nm까지의 파장들을 포함하는 광대역 광 소스 디바이스.
39. 1 항 내지 38 항 중 어느 하나에 있어서, 상기 광대역 출력 방사선은 3000 nm까지의 파장들을 포함하는 광대역 광 소스 디바이스.
40. 1 항 내지 39 항 중 어느 하나에 있어서, 적어도 상기 제 1 구조적 변동부는 상기 광대역 출력 방사선의 스펙트럼의 점 확산 전력 스펙트럼 밀도가 관심 파장 범위에 걸친 평균으로부터 50 % 이상 변동하지 않도록 구성되고 위치되는 광대역 광 소스 디바이스.
41. 40 항에 있어서, 상기 관심 파장 범위는 적어도 400 nm 내지 1000 nm의 파장들을 포함하는 광대역 광 소스 디바이스.
42. 40 항에 있어서, 상기 관심 파장 범위는 적어도 400 nm 내지 2000 nm의 파장들을 포함하는 광대역 광 소스 디바이스.
43. 40 항에 있어서, 상기 관심 파장 범위는 적어도 200 nm 내지 2000 nm의 파장들을 포함하는 광대역 광 소스 디바이스.
44. 1 항 내지 43 항 중 어느 하나에 있어서, 적어도 상기 제 1 구조적 변동부는 상기 광대역 출력 방사선의 스펙트럼의 점 확산 전력 스펙트럼 밀도가 스펙트럼에 대해 평균 점 확산 전력 스펙트럼 밀도의 2 배를 넘는 점 확산 전력 스펙트럼 밀도를 갖는 피크들을 포함하지 않도록 구성되고 위치되는 광대역 광 소스 디바이스.
45. 1 항 내지 44 항 중 어느 하나에 있어서, 상기 펌프 방사선을 발생시키기 위한 펌프 방사선 소스를 더 포함하는 광대역 광 소스 디바이스.
46. 45 항에 있어서, 펌프 방사선 소스는 상기 펌프 방사선이 1 μJ 내지 10 μJ의 범위 내의 펄스 에너지를 포함하도록 구성되는 광대역 광 소스 디바이스.
47. 1 항 내지 46 항 중 어느 하나에 있어서, 상기 HC-PCF는 단일 링 HC-PCF를 포함하는 광대역 광 소스 디바이스.
48. 19 항 내지 47 항 중 어느 하나에 있어서, 상기 제 1 구조적 변동부의 시작은 HC-PCF의 입력단으로부터 5 cm 내지 30 cm의 위치에 위치되는 광대역 광 소스 디바이스.
49. 19 항 내지 47 항 중 어느 하나에 있어서, 상기 제 1 구조적 변동부의 시작은 HC-PCF의 입력단으로부터 10 cm 내지 20 cm의 위치에 위치되는 광대역 광 소스 디바이스.
50. 19 항 내지 47 항 중 어느 하나에 있어서, 상기 제 1 구조적 변동부의 시작은 HC-PCF의 입력단으로부터 14 cm 내지 16 cm의 위치에 위치되는 광대역 광 소스 디바이스.
51. 19 항 내지 50 항 중 어느 하나에 있어서, 상기 제 2 구조적 변동부의 시작은 HC-PCF의 입력단으로부터 15 cm 내지 35 cm의 위치에 위치되는 광대역 광 소스 디바이스.
52. 19 항 내지 50 항 중 어느 하나에 있어서, 상기 제 2 구조적 변동부의 시작은 HC-PCF의 입력단으로부터 20 cm 내지 30 cm의 위치에 위치되는 광대역 광 소스 디바이스.
53. 19 항 내지 50 항 중 어느 하나에 있어서, 상기 제 2 구조적 변동부의 시작은 HC-PCF의 입력단으로부터 24 cm 내지 28 cm의 위치에 위치되는 광대역 광 소스 디바이스.
54. 1 항 내지 53 항 중 어느 하나에 따른 광대역 광 소스 디바이스를 포함하는 메트롤로지 디바이스.
55. 54 항에 있어서, 스케터로미터 메트롤로지 장치, 레벨 센서 또는 정렬 센서를 포함하는 메트롤로지 디바이스.
56. 입력 방사선에 의한 여기 후 HC-PCF로부터 발생되는 광대역 출력 방사선이 자외 구역의 파장들을 포함하도록 중공 코어 광결정 광섬유(HC-PCF)의 길이를 따라 적어도 제 1 구조적 변동부의 위치를 최적화하는 방법으로서,
상기 최적화는:
펌프 방사선이 변조 불안정 지배 비선형 광학 프로세스에 의해 스펙트럼 확장되는 HC-PCF의 길이를 따른 위치를 결정하는 단계, 및
결정된 위치의 하류에 상기 제 1 구조적 변동부를 위치시키는 단계를 포함하는 방법.
57. 56 항에 있어서, 상기 위치시키는 단계는 상기 제 1 구조적 변동부의 시작 위치를 최적화하는 방법.
58. 56 항 또는 57 항에 있어서, 상기 결정하는 단계는 HC-PCF 내의 광대역 출력 방사선의 발생 프로세스의 시뮬레이션에 의해 수행되는 방법.
59. 56 항 내지 58 항 중 어느 하나에 있어서, 상기 결정하는 단계는:
a) 구조적 변동부를 포함하지 않는 중공 코어 광섬유의 길이로부터 출력 스펙트럼 및 전력 출력을 측정하는 단계;
b) 입력단 근처의 지점에서 중공 코어 광섬유의 이 길이를 절단하여 단축된 길이를 얻는 단계;
c) 측정된 출력 스펙트럼이 변조 불안정 지배 비선형 광학 프로세스가 발생했음을 확인할 때까지 각각의 단축된 길이에 대해 a) 및 b) 단계들을 반복하는 단계에 의해 수행되는 방법.
60. 56 항 내지 59 항 중 어느 하나에 있어서, 상기 위치시키는 단계는 300 nm까지의 파장들을 포함하는 상기 광대역 출력 방사선을 유도하는 방법.
61. 56 항 내지 59 항 중 어느 하나에 있어서, 상기 위치시키는 단계는 200 nm까지의 파장들을 포함하는 상기 광대역 출력 방사선을 유도하는 방법.
62. 56 항 내지 61 항 중 어느 하나에 있어서, 상기 위치시키는 단계는 2000 nm까지의 파장들을 포함하는 상기 광대역 출력 방사선을 유도하는 방법.
63. 56 항 내지 61 항 중 어느 하나에 있어서, 상기 위치시키는 단계는 3000 nm까지의 파장들을 포함하는 상기 광대역 출력 방사선을 유도하는 방법.
64. 56 항 내지 63 항 중 어느 하나에 있어서, 상기 위치시키는 단계는 상기 광대역 출력 방사선의 스펙트럼의 점 확산 전력 스펙트럼 밀도가 관심 파장 범위에 걸친 평균으로부터 50 % 이상 변동하지 않도록 이루어지는 방법.
65. 64 항에 있어서, 상기 관심 파장 범위는 적어도 400 nm 내지 1000 nm의 파장들을 포함하는 방법.
66. 64 항에 있어서, 상기 관심 파장 범위는 적어도 400 nm 내지 2000 nm의 파장들을 포함하는 방법.
67. 64 항에 있어서, 상기 관심 파장 범위는 적어도 200 nm 내지 2000 nm의 파장들을 포함하는 방법.
68. 56 항 내지 67 항 중 어느 하나에 있어서, 적어도 상기 위치시키는 단계는 상기 광대역 출력 방사선의 스펙트럼의 점 확산 전력 스펙트럼 밀도가 스펙트럼에 대해 평균 점 확산 전력 스펙트럼 밀도의 2 배를 넘는 점 확산 전력 스펙트럼 밀도를 갖는 피크들을 포함하지 않도록 이루어지는 방법.
69. 56 항 내지 68 항 중 어느 하나에 있어서, 상기 최적화는 상기 위치 및 입력 방사선의 에너지의 공동 최적화를 포함하는 방법.
70. 56 항 내지 69 항 중 어느 하나에 있어서, 상기 위치시키는 단계는 제 2 비선형 광학 프로세스를 제어하도록 상기 제 1 구조적 변동부를 최적화하는 방법.
71. 56 항 내지 70 항 중 어느 하나에 있어서, 상기 최적화하는 단계는 HC-PCF의 길이를 따른 제 2 구조적 변동부의 위치를 최적화하는 단계를 포함하는 방법.
72. 71 항에 있어서, 상기 제 2 위치를 최적화하는 단계는 MI 지배 비선형 광학 프로세스를 제어하도록 제 2 구조적 변동부의 위치를 최적화하는 단계를 포함하는 방법.
73. 72 항에 있어서, 최적화 단계는 제 2 비선형 광학 프로세스가 제 1 구조적 변동부에서 시작되지 않도록 제 1 구조적 변동부의 위치 및 제 2 구조적 변동부의 위치를 최적화하는 단계를 포함하는 방법.
74. 73 항에 있어서, 분산파 생성이 광대역 출력 방사선의 단파장 경계를 더 확장하도록 제 2 구조적 변동부의 위치를 최적화하는 단계를 포함하는 방법.
75. 70 항 내지 74 항 중 어느 하나에 있어서, 제 2 비선형 광학 프로세스는 분산파 생성을 포함하는 방법.
76. 56 항 내지 75 항 중 어느 하나에 있어서, 상기 최적화는 광대역 출력 방사선의 단파장 경계가 솔리톤 트래핑 프로세스를 통해 더 확장되도록 MI 지배 비선형 광학 프로세스에 의해 생성된 적어도 하나의 솔리톤과 적어도 하나의 분산파 사이의 시간적 분리를 최소화하도록 적어도 하나의 군속도 제어 메카니즘을 적용하는 단계를 더 포함하는 방법.
77. 76 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 군속도 제어 메카니즘은 시간적 분리를 최소화하기 위하여 상기 적어도 하나의 분산파에 대해 상기 적어도 하나의 솔리톤을 감속시키도록 구성되는 테이퍼링 경사에 따라 감소하는 내부 코어 직경을 포함하는 적어도 하나의 감소된 직경 부분을 포함하는 방법.
78. 77 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 감소된 직경 부분은 상기 제 1 구조적 변동부 내에 포함되는 방법.
79. 77 항 또는 78 항에 있어서, 테이퍼링 경사는 0.01 ㎛/cm 내지 10 ㎛/cm의 범위 내에 있는 방법.
80. 76 항 내지 79 항 중 어느 하나에 있어서, 상기 적어도 하나의 군속도 제어 메카니즘은 광대역 출력 방사선이 발생되는 HC-PCF의 중공 코어를 채우도록 구성되고 시간적 분리를 최소화하기 위하여 상기 적어도 하나의 분산파에 대해 상기 적어도 하나의 솔리톤을 감속시키도록 구성되는 라만 활성 가스 또는 가스 혼합물을 포함하는 방법.
본 명세서에서는, IC 제조에 있어서 리소그래피 장치의 특정 사용예에 대하여 언급되지만, 본 명세서에 서술된 리소그래피 장치는 다른 적용예들을 가질 수도 있음을 이해하여야 한다. 가능한 다른 적용예들은 집적 광학 시스템, 자기 도메인 메모리용 안내 및 검출 패턴, 평판 디스플레이(flat-panel display), 액정 디스플레이(LCD), 박막 자기 헤드 등의 제조를 포함한다.
본 명세서에서는, 리소그래피 장치와 관련하여 본 발명의 특정 실시예들에 대하여 언급되지만, 본 발명의 실시예들은 다른 장치에서 사용될 수 있다. 본 발명의 실시예들은 마스크 검사 장치, 메트롤로지 장치, 또는 웨이퍼(또는 다른 기판) 또는 마스크(또는 다른 패터닝 디바이스)와 같은 대상물을 측정 또는 처리하는 여하한의 장치의 일부를 형성할 수 있다. 이들 장치는 일반적으로 리소그래피 툴이라고 칭해질 수 있다. 이러한 리소그래피 툴은 진공 조건 또는 주위(비-진공) 조건을 사용할 수 있다.
이상, 광학 리소그래피와 관련하여 본 발명의 실시예들의 특정 사용예를 언급하였지만, 본 발명은 본 명세서가 허용한다면 광학 리소그래피로 제한되지 않고 다른 적용예들, 예를 들어 임프린트 리소그래피에 사용될 수 있음을 이해할 것이다.
이상 본 발명의 특정 실시예들이 설명되었지만, 본 발명은 설명된 것과 다르게 실시될 수 있음을 이해할 것이다. 상기 서술내용은 예시를 위한 것이지, 제한하려는 것이 아니다. 따라서, 당업자라면 아래에 설명되는 청구항들의 범위를 벗어나지 않고 서술된 본 발명에 대한 변형예가 행해질 수도 있음을 이해할 것이다.
Claims (15)
- 펌프 방사선을 수용할 때 광대역 출력 방사선을 발생시키도록 구성되는 광대역 광 소스 디바이스로서,
적어도 제 1 구조적 변동부(structurally varied portion) 및 제 2 구조적 변동부를 포함하는 중공 코어 광결정 광섬유(HC-PCF)를 포함하고, 상기 제 1 구조적 변동부 및 제 2 구조적 변동부 각각은 상기 HC-PCF의 1 이상의 주 부분에 대해 변동되는 상기 HC-PCF의 적어도 하나의 구조적 파라미터를 가지며, 상기 HC-PCF의 1 이상의 주 부분 중 적어도 하나는 상기 제 1 구조적 변동부 및 제 2 구조적 변동부를 분리하는,
광대역 광 소스 디바이스. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 구조적 변동부 및 상기 제 2 구조적 변동부는 각각 상기 광대역 출력 방사선의 발생을 담당하는 제 1 비선형 광학 프로세스 및 제 2 비선형 광학 프로세스를 제어하도록 구성되고 위치되는,
광대역 광 소스 디바이스. - 제 2 항에 있어서,
상기 제 1 구조적 변동부는 상기 제 2 비선형 광학 프로세스가 상기 제 1 구조적 변동부에서 시작되지 않도록 구성되고 위치되는,
광대역 광 소스 디바이스. - 제 3 항에 있어서,
상기 제 1 비선형 광학 프로세스는 변조 불안정(modulation instability)을 포함하고, 상기 제 2 비선형 광학 프로세스는 분산파 생성을 포함하며,
선택적으로, 상기 제 1 구조적 변동부는 상기 변조 불안정이 상기 펌프 방사선을 스펙트럼 확장하도록 구성되고 위치되는 한편, 상기 제 2 구조적 변동부는 상기 분산파 생성이 스펙트럼 확장된 펌프 방사선의 단파장 에지를 더 확장하도록 구성되고 위치되는,
광대역 광 소스 디바이스. - 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제 1 구조적 변동부 및 상기 제 2 구조적 변동부는 실질적으로 상기 펌프 방사선의 기본 모드의 전파를 지원하도록 더 구성되며,
선택적으로, 자외 구역에서의 파장들은 300 nm까지의 파장들을 포함하거나, 또는 상기 광대역 출력 방사선은 2000 nm까지의 파장들을 포함하는,
광대역 광 소스 디바이스. - 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
적어도 상기 제 1 구조적 변동부는 상기 광대역 출력 방사선의 스펙트럼의 점 확산 전력 스펙트럼 밀도가 관심 파장 범위에 걸친 평균으로부터 50 % 이상 변동하지 않도록 구성되고 위치되는,
광대역 광 소스 디바이스. - 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
적어도 상기 제 1 구조적 변동부는 상기 광대역 출력 방사선의 스펙트럼의 점 확산 전력 스펙트럼 밀도가 스펙트럼에 대해 평균 점 확산 전력 스펙트럼 밀도의 2 배를 넘는 점 확산 전력 스펙트럼 밀도를 갖는 피크들을 포함하지 않도록 구성되고 위치되는,
광대역 광 소스 디바이스. - 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 펌프 방사선을 발생시키기 위한 펌프 방사선 소스를 더 포함하는,
광대역 광 소스 디바이스. - 제 8 항에 있어서,
상기 펌프 방사선 소스는 상기 펌프 방사선이 1 μJ 내지 10 μJ의 범위 내의 펄스 에너지를 포함하도록 구성되는,
광대역 광 소스 디바이스. - 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 HC-PCF는 단일 링 HC-PCF를 포함하는,
광대역 광 소스 디바이스. - 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제 1 구조적 변동부의 시작은 상기 HC-PCF의 입력단으로부터 5 cm 내지 30 cm의 위치에 위치되는,
광대역 광 소스 디바이스. - 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제 2 구조적 변동부의 시작은 상기 HC-PCF의 입력단으로부터 15 cm 내지 35 cm의 위치에 위치되는,
광대역 광 소스 디바이스. - 펌프 방사선을 수용할 때 광대역 출력 방사선을 발생시키도록 구성되는 광대역 광 소스 디바이스로서,
중공 코어 광결정 광섬유(HC-PCF)를 포함하고, 상기 광섬유는 상기 HC-PCF의 1 이상의 주 부분에 대해 변동되는 상기 HC-PCF의 적어도 하나의 구조적 파라미터를 갖는 적어도 하나의 구조적 변동부를 포함하며,
상기 적어도 하나의 구조적 변동부는 적어도 상기 펌프 방사선이 변조 불안정 지배 비선형 광학 프로세스에 의해 스펙트럼 확장되는 상기 HC-PCF의 길이를 따른 위치의 하류에 위치되는 제 1 구조적 변동부를 포함하고,
상기 적어도 하나의 구조적 변동부는 상기 광대역 출력 방사선이 자외 스펙트럼 구역의 파장들을 포함하도록 구성되고 위치되며,
선택적으로, 상기 적어도 하나의 구조적 변동부 중 1 이상은 각각 상기 HC-PCF의 주 내부 코어 직경에 대해 감소되는 내부 코어 직경을 포함하는 적어도 하나의 감소된 직경 부분을 포함하는,
광대역 광 소스 디바이스. - 메트롤로지 디바이스로서,
제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 따른 광대역 광 소스 디바이스를 포함하며,
선택적으로, 스케터로미터 메트롤로지 장치, 레벨 센서 또는 정렬 센서를 포함하는,
메트롤로지 디바이스. - 입력 방사선에 의한 여기 후 HC-PCF로부터 발생되는 광대역 출력 방사선이 자외 구역의 파장들을 포함하도록 중공 코어 광결정 광섬유(HC-PCF)의 길이를 따라 적어도 제 1 구조적 변동부의 위치를 최적화하는 방법으로서,
상기 최적화는:
펌프 방사선이 변조 불안정 지배 비선형 광학 프로세스에 의해 스펙트럼 확장되는 상기 HC-PCF의 길이를 따른 위치를 결정하는 단계, 및
결정된 위치의 하류에 상기 제 1 구조적 변동부를 위치시키는 단계
를 포함하는, 방법.
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