[논문]파장 스위핑 레이저의 평탄 스위핑 자동 유지

이덕규; 엄진섭

doi:10.7471/ikeee.2019.23.2.606

파장 스위핑 레이저의 평탄 스위핑 자동 유지
Flat Sweeping Automatic Hold of Wavelength Swept Laser 원문보기

전기전자학회논문지 = Journal of IKEEE, v.23 no.2, 2019년, pp.606 - 613

이덕규 (Dept. of Electronics Eng., Kangwon National University) , 엄진섭 (Dept. of Electronics Eng., Kangwon National University)

초록
AI-Helper

본 논문에서는 파장 스위핑 레이저의 평탄 스위핑을 자동 유지하기 위한 새로운 방식을 제안하였다. 이 방식이 적용된 레이저의 제작 및 실험을 통하여 5시간이 경과하여도 평탄 스위핑 특성이 잘 유지되고 있음을 관찰하였다. 그리고 56nm의 스위핑 범위, 1kHz의 스위핑 주파수, 그리고 8.8mW 의 광 출력 파워도 확인하였다. 제안된 방식은 기존에 스위핑 레이저를 장시간 구동시킬 때 불가피하던 수동 편광 조절의 번거로움을 해소시키고 이 과정에서 요구되던 고가 광 스펙트럼 분석기의 사용을 배제시킨다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, a new method for flat sweeping automatic hold of wavelength swept laser has proposed. Through the performance test on the implemented laser, even 5 hours passed, the flat sweeping has held up well, and 56nm flat sweeping range, 1kHz sweeping frequency, and 8.8mW average optical power were obtained. This showes that the proposed can eliminate the necessity of hand-operated polarization control required for previous swept lasers in case of long time operation and also optical spectrum analyzer needed to monitor the sweeping spectrum status.

주제어

표/그림 (7)

그림 Fig. 1. Schematic diagram of realized wavelength swept laser. 그림 1. 구현된 파장 스위핑 레이저의 구성도
그림 Fig. 2. Poincare Sphere SOP representation and illustration of effects of fiber squeezers. 그림 2. Poincare 구 SOP 표시 및 광섬유 압착기의 압착 효과 설명
그림 Fig. 3. Block diagram of flat sweeping automatic hold equipment. 그림 3. 평탄 스위핑 자동 유지 장치의 구성도
그림 Fig. 4. The flow chart of the algorithm proposed for flat sweeping automatic hold. 그림 4. 제안된 평탄 스위핑 자동 유지 알고리즘의 흐름도
그림 Fig. 5. Wavelength swept laser realized with the function of flat sweeping automatic hold. 그림 5. 평탄 스위핑 자동 유지 기능을 포함하여 제작된 파장 스위핑 레이저
그림 Fig. 6. Sweeping spectrum of wavelength swept laser measured when 5 hours passed after flat sweeping setting. (a) under no automatic hold function, (b) under automatic hold function. 그림 6. 스위핑 평탄화 세팅 후 5시간이 경과한 시점에 측정된 파장 스위핑 레이저의 스위핑 스펙트럼 (a) 자동 유지 기능 미사용, (b) 자동 유지 기능 사용
그림 Fig. 7. Waveforms measured together with Fig. 6. (a) under no automatic hold function, (b) under automatic hold function. (top) triangle-wave applied to FFP-TP (middle) trigger pulse for DAQ start (bottom) signal from optical receiver circuit 그림 7. 그림 6과 함께 측정된 파형 (a) 자동 유지 기능 미사용 (b) 자동 유지 기능 사용 (상) FFP-TF에 인가된 삼각파형 (중) DAQ 시작을 위한 트리거 펄스 (하) 광 검출 회로의 출력 파형

AI 본문요약
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* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

스위핑 스펙트럼의 교류 성분 변동 폭 측정은 광 검출 회로의 출력전압을 아날로그 입력용 NI-9205 모듈로 충분히 샘플링하여 얻어진 값들의 최대와 최소의 차로서 얻어진다. 다음으로 더욱 미세한 전압 조정을 통하여 더욱 평탄한 스위핑을 얻고자 한다. 이를 위하여 위에서 확보된 (V₂, V₃) 전압 쌍을 중심으로 하며 상하좌우 각각 0.
본 논문에서는 SS-OCT와 대형 구조물 안전 모니터링 시스템의 광원으로 사용되는 파장 스위핑 레이저의 평탄 스위핑을 자동 유지하는 방안을 제안하였다. 그리고 LabVIEW 프로그래밍, cRIO-9063 임베디드 모듈, NI-9262, NI-9205, 광 검출 회로를 사용한 편광 조절기 제어를 통하여 이를 구현하였다.
이는 간섭계의 한쪽 미러에 부착된 압전소자(PZT：Piezoelectric Transducer)에 주기적인 파형 전압을 인가하여 미러간 공진 간격을 변화시킴으로써 투과대역을 주기적으로 변동시킨다. 본 논문에서는 주기적인 파장 스위핑을 위하여 1kHz 삼각파를 인가하였다. 이 경우에 삼각파 1주기 동안에 2번의 스위핑 즉 한 번의 왕복 스위핑이 얻어진다.
이제 평탄 스위핑 자동 유지를 위한 각 구성부의 수행 내용에 대하여 자세히 살펴본다.

제안 방법

삼각파 200주기 동안에 해당하는 출력 파형을 샘플링하기 위하여 cRIO-9063에 대한 LabVIEW 프로그래밍과 NI-9205를 사용하였다. cRIO-9063에서의 프로그래밍을 통하여 삼각파 1주기당 1회의 트리거 펄스를 발생시키고 이 펄스의 상승에지를 기점으로 샘플링을 시작하였다. NI-9205는 200kS/s 속도로 광 검출 회로의 출력 전압파형을 ADC(Analog to Digital Conversion)하고 이 값을 cRIO-9063으로 전송한다.
광전 변환을 위하여 고속 포토다이오드를 사용하였으며 1kHz ∼ 40kHz 대역의 대역 통과 필터 및 증폭기를 구성하기 위하여 TI사의LMH6609 op-amp를 사용하였다.
본 논문에서는 SS-OCT와 대형 구조물 안전 모니터링 시스템의 광원으로 사용되는 파장 스위핑 레이저의 평탄 스위핑을 자동 유지하는 방안을 제안하였다. 그리고 LabVIEW 프로그래밍, cRIO-9063 임베디드 모듈, NI-9262, NI-9205, 광 검출 회로를 사용한 편광 조절기 제어를 통하여 이를 구현하였다. 실험을 통하여 5시간 경과 후에도 평탄 스위핑이 잘 유지되는 것을 확인하였으며, 약 56nm의 스위핑 범위, 1kHz의 스위핑 주파수, 그리고 8.
먼저 스위핑의 평탄 정도를 파악하기 위하여 레이저의 광출력 일부에 대한 광전 변환을 수행하고 이에 대한 대역 통과 필터링을 통하여 스위핑 스펙트럼의 교류 성분만을 출력하는 광 검출 회로를 설계ㆍ제작하였다. 그리고 편광조절기에 인가될 제어 전압을 결정하고 이를 출력하기 위하여 NI사의 cRIO-9063 임베디드 모듈 및 여기에 삽입되는 아날로그 입력용 NI-9205 모듈과 아날로그 출력용 NI-9262 모듈을 사용하였으며, 관련된 LabVIEW 프로그래밍을 수행하였다. cRIO-9063의 규격은 다음과 같다.
이는 주기적으로 파장 스위핑의 평탄 정도를 파악하며 이 결과에 따라 편광조절기에 인가될 제어 전압을 결정하고 이를 편광조절기에 인가한다. 먼저 스위핑의 평탄 정도를 파악하기 위하여 레이저의 광출력 일부에 대한 광전 변환을 수행하고 이에 대한 대역 통과 필터링을 통하여 스위핑 스펙트럼의 교류 성분만을 출력하는 광 검출 회로를 설계ㆍ제작하였다. 그리고 편광조절기에 인가될 제어 전압을 결정하고 이를 출력하기 위하여 NI사의 cRIO-9063 임베디드 모듈 및 여기에 삽입되는 아날로그 입력용 NI-9205 모듈과 아날로그 출력용 NI-9262 모듈을 사용하였으며, 관련된 LabVIEW 프로그래밍을 수행하였다.
본 논문에서는 - 9V ∼ 9V의 DC 전압과 7Vp-p의 삼각파가 합해진 전압을 FFP-TF에 인가하였다.
본 논문에서는 평탄 스위핑 자동 유지를 위한 새로운 방법을 제안하였고 이를 통하여 56nm 범위의 평탄 스위핑(스위핑 대역폭이 비교적 좁은 이유는 실험에 사용된 파장 가변 필터의 FSR(Free Spectral Range)이 120nm이기 때문이며 만일 160nm이 사용될 경우 80nm 이상의 스위핑이 가능함)이 장시간 유지되는 파장 스위핑 레이저를 성공적으로 구현하였다.
이는 주변 환경 변화에 의하여 광섬유 링 내에서 광의 편광 변화는 느리지만 계속 일어나고 있으며 이로 인하여 스위핑의 평탄성도 함께 변하고 있음을 의미한다. 본 실험실에서는 레이저 작동 초기에 자동으로 스위핑을 평탄하게 세팅하는 방법을 기존에 구현하였다[7]. 그러나 주변 환경의 영향으로 평탄성은 오래 지속되지 못하였고 시간이 지날수록 악화되었다.
다음으로 더욱 미세한 전압 조정을 통하여 더욱 평탄한 스위핑을 얻고자 한다. 이를 위하여 위에서 확보된 (V₂, V₃) 전압 쌍을 중심으로 하며 상하좌우 각각 0.2V 범위 내에서 5mV 간격의 미세 증분 조정을 통하여 가장 평탄한 스위핑을 제공하는 (V₂, V₃) 전압 쌍을 최종적으로 확보한다. 그리고 최종 확보된 (V₂, V₃) 전압 쌍을 편광조절기의 X₂와 X₃에 인가하므로써 초기 자동평탄화 작업이 완료된다.
일정 시간 경과(실험에서는 100ms) 후에 삼각파의 200주기에 해당하는 시간동안 광 검출 회로에서 출력되는 스위핑 스펙트럼 교류 성분을 200kS/s의 속도로 샘플링하고 이 값들로부터 교류 성분의 피크-피크값((Vp-p)≠w)을 계산하여 바로 이전의 피크-피크값((Vp-p)old)과 비교한다.
사용된 FFP-TF의 FSR 값이 작아서 스위핑 범위가 제한되었지만 FSR이 160nm인 경우에는 80nm 이상의 스위핑이 가능하다. 제안된 방식은 파장 스위핑 레이저를 장시간 구동시킬 때 스위핑 스펙트럼 상태 확인을 위하여 사람이 개입하여야 했던 기존의 불편함을 해소시킨다. 그리고 이 과정에서 필요하던 광 스펙트럼 분석기의 필요성을 배제하므로 유지비용이 절감된다.
편광조절기를 제어할 때 3개의 압착기 중에서 2개의 압착기만을 사용하여도 좋은 결과가 얻어지므로 본 논문에서는 두 개의 압착기(X₂와 X₃)만을 사용하였다.

대상 데이터

cRIO-9063의 규격은 다음과 같다. MCU로서는 ARM Cortex-A9 core 2개, FPGA로서는 Xilinx Zynq-7000을 사용하며, 속도는 667MHz, 그리고 slot 수는 4개이다. NI-9262의 경우 출력 채널 수는 6채널, 출력 전압 범위는 ± 10V, 샘플링 속도는 1MS/s, 분해능은 16 bits이다.
실험에서는 페브리-페롯 간섭계 구조를 가지는 FFP-TF를 사용하였다. 이는 간섭계의 한쪽 미러에 부착된 압전소자(PZT：Piezoelectric Transducer)에 주기적인 파형 전압을 인가하여 미러간 공진 간격을 변화시킴으로써 투과대역을 주기적으로 변동시킨다.
위의 레이저 구성에서 편광조절기로서 수동식 편광조절기 대신에 General Photonics사의 PSM-003을 사용하였다. 이는 광섬유 둘레에 45° 간격으로 3개의 광섬유 압착기(Squeezer)가 설치되어 있으며 각각에 제어 전압을 인가하므로써 광섬유에 인가되는 압착력을 다양하게 변동시킬 수 있다.

이론/모형

광 검출 회로의 출력 전압 파형은 스위핑 스펙트럼의 교류 성분과 동일한 형태를 가진다. 삼각파 200주기 동안에 해당하는 출력 파형을 샘플링하기 위하여 cRIO-9063에 대한 LabVIEW 프로그래밍과 NI-9205를 사용하였다. cRIO-9063에서의 프로그래밍을 통하여 삼각파 1주기당 1회의 트리거 펄스를 발생시키고 이 펄스의 상승에지를 기점으로 샘플링을 시작하였다.

성능/효과

이는 편광 조절기에 인가될 (V₂, V₃) 전압 쌍이 그림 4의 알고리즘에 따라 결정될 때 평탄 스위핑이 장시간(이론적으로는 무한시간) 자동 유지될 수 있음을 의미한다. 따라서 제안된 알고리즘은 파장 스위핑 레이저를 장시간 구동시킬 때 스위핑 스펙트럼 상태 확인을 위하여 사람이 개입하여야 했던 기존의 불편함을 해소시킨다. 그리고 이 과정에서 요구되던 광 스펙트럼 분석기의 필요성이 배제되므로 유지비용이 절감된다.
그리고 LabVIEW 프로그래밍, cRIO-9063 임베디드 모듈, NI-9262, NI-9205, 광 검출 회로를 사용한 편광 조절기 제어를 통하여 이를 구현하였다. 실험을 통하여 5시간 경과 후에도 평탄 스위핑이 잘 유지되는 것을 확인하였으며, 약 56nm의 스위핑 범위, 1kHz의 스위핑 주파수, 그리고 8.8mW의 평균 광 출력을 측정하였다. 사용된 FFP-TF의 FSR 값이 작아서 스위핑 범위가 제한되었지만 FSR이 160nm인 경우에는 80nm 이상의 스위핑이 가능하다.
실험을 통하여 초기의 스위핑 평탄화 세팅 후 약 5시간이 경과하여도 평탄 스위핑이 잘 유지되고 있음을 확인하였다. 그리고 여러 번의 실험에서도 매우 평탄한 스위핑이 장시간 지속되었다.

후속연구

그리고 이 과정에서 요구되던 광 스펙트럼 분석기의 필요성이 배제되므로 유지비용이 절감된다. 앞으로 평탄 스위핑 자동 유지 기능을 지닌 파장 스위핑 레이저는 분광학적 연구[10]에서 광원으로 사용될 수 있을 것으로 사료된다.
광 결맞음 단층촬영(OCT：Optical Coherence Tomography)은 기존의 의료영상 획득 기술로서는 달성하기 힘든 수 μm 이하의 분해능을 가지며 주로 생체조직의 표피 단면 이미지를 얻는데 사용된다[1][2]. 이는 현재 안과에서 널리 사용되고 있으며, 앞으로 피부과, 내과, 심장내과, 그리고 치과 등에서도 진단용 영상을 얻기 위하여 사용될 예정이다. 최근에는 파장 스위핑 레이저(Wavelength Swept Laser)를 광원으로 사용하는 SS(Swept Source)-OCT 기술이 널리 사용되고 있는데 이는 고속 고화질 영상 제공 등 제반 성능에서 우수하기 때문이다[3].

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	광 결맞음 단층촬영은 주로 어떤 이미지를 얻는데 사용되는가?	광 결맞음 단층촬영(OCT：Optical Coherence Tomography)은 기존의 의료영상 획득 기술로서는 달성하기 힘든 수 μm 이하의 분해능을 가지며 주로 생체조직의 표피 단면 이미지를 얻는데 사용된다[1][2]. 이는 현재 안과에서 널리 사용되고 있으며, 앞으로 피부과, 내과, 심장내과, 그리고 치과 등에서도 진단용 영상을 얻기 위하여 사용될 예정이다.
	레이저의 주요 스위핑 특성으로 어떤 것들이 고려되는가?	파장 스위핑 레이저를 광원으로 사용하는 SS-OCT 시스템과 안전 모니터링 시스템에서 파장 스위핑 레이저의 스위핑 특성은 시스템의 성능을 좌우하는 중요한 요소이다. 레이저의 주요 스위핑 특성으로는 광대역성, 고속성, 선형성, 그리고 평탄성 등이 고려된다. 광대역성과 고속성은 SS-OCT에서 분해능 및 영상 속도를 좌우하고[5][6], 안전 모니터링 시스템에서는 센서의 최대 설치 개수 및 모니터링 주기를 결정한다.
	SS-OCT기술이 널리 사용되고 있는 이유는 어떤 점이 우수하기 때문인가?	이는 현재 안과에서 널리 사용되고 있으며, 앞으로 피부과, 내과, 심장내과, 그리고 치과 등에서도 진단용 영상을 얻기 위하여 사용될 예정이다. 최근에는 파장 스위핑 레이저(Wavelength Swept Laser)를 광원으로 사용하는 SS(Swept Source)-OCT 기술이 널리 사용되고 있는데 이는 고속 고화질 영상 제공 등 제반 성능에서 우수하기 때문이다[3]. 또한 댐, 교량, 터널 등과 같은 대형 SOC 구조물의 갑작스런 붕괴를 사전 예방하기 위하여 사용되는 안전 모니터링 시스템에서도 기존의 기계식 센서보다는 파장 스위핑 레이저와 광섬유 격자 센서를 사용하는 광학 방식[4]이 품질의 우수성 및 유지보수의 편리성 때문에 최근에 각광받고 있다.

참고문헌 (10)

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J. Eom, "Realization of Swept Source-Optical Coherence Tomography using FDML Laser," Journal of Sensor Science and Technology, vol.20, no.1, pp.46-52, 2011. DOI: 10.5369/JSST.2011.20.1.46

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W. J. Yoo, J. Y. Heo, D. H. Cho, K. W. Jang, J. K. Seo, B. Lee, Y. Cho, J. H. Moon, B. G. Park, "Spectroscopic study on the developement of fiber-optic pH sensor," Journal of Sensor Science and Technology, vol.18, no.5, pp.365-371, 2009. DOI: 10.5369/JSST.2009.18.5.365

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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