KR101754161B1

KR101754161B1 - 두 개의 광검출소자를 이용한 쿼드러쳐 호모다인 검출기

Info

Publication number: KR101754161B1
Application number: KR1020150124784A
Authority: KR
Inventors: 조규만; 윤승현; 잉싱허; 박준규
Original assignee: 서강대학교산학협력단
Priority date: 2015-09-03
Filing date: 2015-09-03
Publication date: 2017-07-20
Also published as: KR20170028482A

Abstract

본 발명은 2개의 광검출소자를 이용한 호모다인 검출기에 관한 것이다. 상기 호모다인 검출기는, 호모다인 간섭계로부터 제공된 간섭신호가 입사되고, 입사된 간섭신호를 제1 및 제2 신호로 분할하고 상기 제1 신호는 반사시켜 출사시키고 상기 제2 신호는 통과시켜 출사시키는 빔 스플리터; 상기 제1 신호의 광축상에 위치하고, 상기 제1 신호 중 제1 편광 성분을 출력하는 제1 광소자부; 상기 제1 편광 성분에 대한 광신호를 검출하여 전기적 신호로 변환하여 제1 출력 신호로 출력하는 제1 광검출 소자; 상기 제2 신호의 광축상에 위치하고, 위상 지연시킨 상기 제2 신호 중 제1 편광 성분을 출력하는 제2 광소자부; 상기 위상 지연시킨 제2 신호 중 제1 편광 성분에 대한 광신호를 검출하여 전기적 신호로 변환하여 제2 출력 신호로 출력하는 제2 광검출 소자;를 구비하고, 상기 제1 출력 신호와 제2 출력 신호는 서로 90°위상차를 갖는 신호들이다.

Description

두 개의 광검출소자를 이용한 쿼드러쳐 호모다인 검출기{Quadrature homodyne detecter by using 2 photo detecters}

본 발명은 쿼드러쳐 호모다인 검출기에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 간단한 구성으로 이루어져, 호모다인 간섭계의 간섭 신호로부터 쿼드러쳐 신호(Quadrature Signal; 이하, 'Q 신호'라 한다.)와 인 페이즈 신호(In Phase signal; 이하 'I 신호'라 한다.)를 검출하는 쿼드러쳐 호모다인 검출기에 관한 것이다.

간섭식 측정장치는 신호빛(probe beam)과 기준빛(reference beam)의 간섭 신호를 빛살 가르게(Beam splitter, BS)를 이용하여 합쳐주고 두 개의 출력단에서 나오는 빛의 세기를 각각 별도의 광검출기로 측정하는 장치이다. 이때 각각의 광검출기에서 출력되는 전기 신호를 광신호라고 하고, 신호빛과 기준빛의 주파수가 같을 경우 이를 호모다인(homodyne) 간섭계라고 하며, 주파수가 다를 경우 이를 헤테로다인(heterodyne) 간섭계라고 한다.

호모다인 간섭계의 경우, 빔 스플리터(Beam Splitter)의 두 개의 출력단으로 나오는 빛의 세기가 신호빛과 기준빛의 위상 차이에 따라 변하며, 만약 한쪽 출력단으로 나오는 빛이 증강간섭이 일어나는 경우 다른 쪽 출력단으로 나오는 빛은 소멸간섭을 일으킨다. 즉, 각각의 출력단으로 나오는 빛의 간섭신호는 180도 위상차이를 갖는다. 따라서 두 개의 광신호를 차동 증폭기로 빼어 줌으로써 각각의 광신호에 실려있는 서로 상관된 잡음(correlated niose)은 제거되고 광신호는 두 배로 커져 신호 대 잡음비를 높일 수 있으며, 이와 같은 측정방법을 balanced detection 방법이라고 한다.

I/Q-간섭계를 사용할 경우 신호빛에 유도된 위상변화와 크기 변화를 동시에 구분하여 측정할 수 있다. 이러한 간섭계에 대한 자세한 내용과 이를 이용한 표면 현미경에 대한 연구 결과가 참고문헌 1(Heseong Jeong, Jong-Hoi Kim, Kyumann Cho, "Complete mapping of complex reflection coefficient of a surface using a scanning homodyne multiport interferometer.", Optics communication, Vol. 204, pp. 45- 52 (2002) )에 나와 있다. 여기서 표면 분석은 반사형으로 이루어졌으며 신호빛을 표면의 한 지점에 집광시킨 후 시료를 x, y-축 방향으로 스캔하면서 신호빛에 대한 국부적인 위상과 크기의 변화를 매핑(mapping)시킴으로써 표면의 구조적, 재질적 특성을 분석할 수 있다.

도 1은 전술한 참고문헌 1의 호모다인 간섭계를 전체적으로 도시한 구성도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 호모다인 간섭계의 경우 쿼드러쳐 호모다인 검출기가 세 개의 PBS(PBS1, PBS2, PBS3)와 4개의 광검출기(PD1, PD2, PD3, PD4)로 구성되어 있다. 따라서 간섭계가 제대로 작동하기 위해서는 매우 어렵고 전문적인 기술을 필요로 하는 정렬과정을 필요로 한다.

한국등록특허공보 제 10-0830694호 한국등록특허공보 제 10-0866038호

1. Heseong Jeong, Jong-Hoi Kim, Kyumann Cho, "Complete mapping of complex reflection coefficient of a surface using a scanning homodyne multiport interferometer.", Optics communication, Vol. 204, pp. 45- 52 (2002)

전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 두 개의 수광 소자만을 이용하여 간단하게 구성하여, 호모다인 간섭계로부터 제공된 간섭신호로부터 I 신호 및 Q 신호를 검출할 수 있도록 하는 쿼드러쳐 호모다인 검출기를 제공하는 것이다.

전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 제1 특징에 따른 호모다인 검출기는, 호모다인 간섭계로부터 제공된 간섭신호가 입사되고, 입사된 간섭신호를 제1 및 제2 신호로 분할하고 상기 제1 신호는 반사시켜 출사시키고 상기 제2 신호는 통과시켜 출사시키는 빔 스플리터; 상기 제1 신호의 광축상에 위치하고, 상기 제1 신호 중 제1 편광 성분을 출력하는 제1 광소자부; 상기 제1 편광 성분에 대한 광신호를 검출하여 전기적 신호로 변환하여 제1 출력 신호로 출력하는 제1 광검출 소자; 상기 제2 신호의 광축상에 위치하고, 상기 제2 신호 중 제2 편광 성분을 출력하는 제2 광소자부; 상기 제2 편광 성분에 대한 광신호를 검출하여 전기적 신호로 변환하여 제2 출력 신호로 출력하는 제2 광검출 소자;를 구비하고,

상기 제1 출력 신호와 제2 출력 신호는 서로 90°위상차를 갖는 신호들이다.

전술한 제1 특징에 따른 호모다인 검출기에 있어서, 상기 제1 광소자부는 순차적으로 배치된 사분파장 위상지연판(QWP) 및 제1 편광빔스플리터(PBS)로 구성되고, 상기 제2 광소자부는 제2 편광빔스플리터로 구성되거나,

상기 제1 광소자부는 순차적으로 배치된 사분파장 위상지연판(QWP) 및 제1 편광자(Polarizer)로 구성되고, 상기 제2 광소자는 제2 편광자로 구성되는 것이 바람직하다.

전술한 제1 특징에 따른 호모다인 검출기에 있어서, 서로 다른 제1 시각(t1) 및 제2 시각(t2)의 각각에 제1 출력 신호 및 제2 출력 신호를 모두 출력하고, 출력된 제1 및 제2 출력 신호들을 이용하여 간섭 신호의 위상 및 진폭을 검출하는 것이 바람직하며, 상기 제1 시각 및 제2 시각의 간격은 최대한 작게 설정되도록 구성된 것이 더욱 바람직하다.

본 발명에 따른 호모다인 검출기는 2개의 광 검출소자만을 이용하여 I 신호 및 Q 신호를 검출할 수 있게 되고, 이로부터 위상 정보를 얻을 수 있게 된다.

도 1은 전술한 참고문헌 1의 호모다인 간섭계를 전체적으로 도시한 구성도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 쿼드러쳐 호모다인 검출기를 도시한 구성도이다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 쿼드러쳐 호모다인 검출기를 도시한 구성도이다.

본 발명에 따른 쿼드러쳐 호모다인 검출기는 두 개의 광검출소자만을 이용함으로써 간단하게 구성할 수 있는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 쿼드러쳐 호모다인 검출기의 구성 및 동작에 대하여 구체적으로 설명한다.

< 제1 실시예 >

이하, 본 발명의 제1 실시예에 따른 쿼드러쳐 호모다인 검출기의 구성 및 동작에 대하여 구체적으로 설명한다. 도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 쿼드러쳐 호모다인 검출기를 도시한 구성도이다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 쿼드러쳐 호모다인 검출기(20)는 빔 스플리터(200), 제1 광 소자부(210), 제1 광 검출소자(220), 제2 광 소자부(230) 및 제2 광 검출소자(240)를 구비한다.

상기 빔 스플리터(200)는, 호모다인 간섭계로부터 제공된 간섭신호가 입사되고, 입사된 간섭신호를 제1 및 제2 신호로 분할하고 상기 제1 신호는 그대로 통과시켜 제1 광 소자부로 제공하고 상기 제2 신호는 반사시켜 제2 광 소자부로 제공한다.

상기 제1 광 소자부(210)는 상기 제1 신호의 광축상에 위치하고, 상기 제1 신호 중 제1 편광 성분을 출력하여 제1 광 검출 소자(220)로 제공한다.

상기 제1 광 검출소자(220)는 상기 제1 광 소자부로부터 출력된 상기 제1 편광 성분에 대한 광신호를 검출하여 전기적 신호로 변환하여 제1 출력 신호로 출력한다.

상기 제2 광 소자부(230)는 상기 제2 신호의 광축상에 위치하고, 상기 제2 신호를 λ/4 만큼 위상지연시킨 후 이에 대한 제1 편광 성분을 검출하여 제2 광 검출 소자(240)로 제공한다.

상기 제2 광 검출 소자(240)는 상기 제2 편광 성분에 대한 광신호를 검출하여 전기적 신호로 변환하여 제2 출력 신호로 출력한다. 여기서, 상기 제1 출력 신호와 제2 출력 신호는 서로 90°위상차를 갖는 신호들로 구성된다.

상기 제1 및 제2 광 검출 소자는 광 다이오드(Photo Diode)로 구성될 수 있다.

본 실시예에 있어서, 상기 제1 광소자부(210)는 제1 편광빔스플리터(PBS)로 구성되고, 상기 제2 광소자부(230)는 순차적으로 배치된 사분파장 위상지연판(QWP; 232) 및 제2 편광빔스플리터(PBS ; 234)로 구성될 수 있다.

이 경우, 빔 스플리터(200)를 통과한 제1 신호는 제1 PBS로 입사되고, 입사된 제1 신호의 P파는 제1 PBS(210)를 통과하고 제1 광 검출 소자(220)에 의해 검출되어 제1 출력신호(I1)으로 출력된다.

빔 스플리터(200)로부터 반사된 제2 신호는 상기 제2 광 소자부(230)의 QWP(232)로 입사되어 사분 파장 위상지연되어 원형 편광으로 변환된 후, 제2 PBS(234)로 입사된다. QWP를 통과한 후 제2 PBS로 입사된 제2 신호의 P파는 제2 PBS를 통과하고 제2 광 검출 소자(240)에 의해 검출되어 제2 출력신호(I2)로 출력된다. 따라서, 제2 출력신호(I2)는 제1 출력신호(I1)과 90°위상차를 갖게 된다.

< 제2 실시예 >

이하, 본 발명의 제2 실시예에 따른 쿼드러쳐 호모다인 검출기의 구성 및 동작에 대하여 구체적으로 설명한다. 도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 쿼드러쳐 호모다인 검출기를 도시한 구성도이다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 쿼드러쳐 호모다인 검출기(30)는 빔 스플리터(300), 제1 광 소자부(310), 제1 광 검출소자(320), 제2 광 소자부(330) 및 제2 광 검출소자(340)를 구비하며, 제1 광 소자부(310)는 제1 편광자(polarizer)로 구성되고, 제2 광 소자부(330)은 순차적으로 배치된 사분파장 위상지연판(QWP; 332) 및 제2 편광자(Polarizer; 334)로 구성된다. 본 실시예에 따른 제1 및 제2 광 소자부를 제외한 나머지의 구성은 제1 실시예의 그것들과 동일하다.

상기 제1 광 소자부(310)를 구성하는 제1 편광자는 빔 스플리터(300)를 통과한 제1 신호를 편광 신호로 변환하여 출력한다.

상기 제2 광 소자부(330)를 구성하는 QWP(332)는 상기 빔 스플리터(300)로부터 반사된 제2 신호를 사분 파장 위상지연시켜 제2 편광자(334)로 제공하며, 제2 편광자(334)는 위상지연된 제2 신호를 편광 신호로 변환하여 출력한다.

여기서, 상기 제1 출력 신호와 제2 출력 신호는 서로 90°위상차를 갖는 신호들로 구성된다.

전술한 호모다인 검출기의 제1 및 제2 광 검출소자들은 서로 90°위상차를 갖는 제1 및 제2 출력신호들을 제어 장치로 출력한다. 상기 제어 장치는 제1 및 제2 출력 신호들을 복조하여 간섭 신호에 포함된 위상 정보를 추출한다.

이하, 본 발명에 따라 전술한 구성을 갖는 호모다인 검출기로부터 출력된 출력신호들을 이용하여, 제어 장치가 간섭신호에 포함된 위상 정보를 측정하는 과정을 설명한다.

먼저, 제1 광 검출소자로부터 제1 시각(t1) 및 제2 시각(t2)에 출력된 제1 출력신호를 각각 Q_i 및 Q_i ₊₁로 정의하며, 수학식 1 및 2로 표현된다.

여기서,

은 제1 광 검출소자인 포토 다이오드의 responsivity 이며,

및

는 각각 신호빔과 기준빔의 세기를 나타내며, Φ는 시스템에 의해 주어지는 위상차로 상수값이며, Δφ는 시료로부터 반사되어 나온 신호빔과 기준빔의 광학적 경로차이에 의한 위상 차이를 나타낸다.

수학식 1 및 2의 차를 구하면, 수학식 3과 같이 얻을 수 있게 된다.

한편, 제2 광 검출소자로부터 제1 시각(t1) 및 제2 시각(t2)에 출력된 제2 출력신호를 각각 I _i 및 I _i+1 로 정의하며, 수학식 4 및 5로 표현된다. 제1 광 검출소자와 제2 광 검출소자의 제1 및 제2 출력신호들은 그 위상차가 90°이므로, 제2 출력신호는 제1 출력신호의 sin 함수가 cos 함수로 변환되어 표현될 수 있다.

수학식 4 및 5의 차를 구하면, 수학식 6과 같이 얻을 수 있게 된다.

위의 수학식 3과 수학식 6의 결과를 이용하여, 위상변화 φ를 얻을 수 있게 된다.

여기서, Δφ≪1의 조건을 만족시키기 위하여 Δφ를 충분히 작은 값이 되도록 하여야 하는데, 이는 데이터 수집(Data Sampling) 간격, 즉 t1과 t2의 간격을 적절하게 조절하여 Δφ를 작게 만들 수 있게 된다. 예를 들어, 데이터 수집 간격은 수학식 3과 수학식 6의 크기로부터 추정할 수 있으며, 이 과정은 되먹임(feedback) 회로 또는 알고리즘을 사용한 자동 작업에 의해 수행될 수 있다.

이상에서 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예를 중심으로 설명하였으나, 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 그리고, 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

본 발명에 따른 검출기는 간섭계에 널리 사용될 수 있다.

20, 30 : 쿼드러쳐 호모다인 검출기
200, 300 : 빔 스플리터
210, 310 : 제1 광 소자부
220, 320 : 제1 광 검출소자
230, 330 : 제2 광 소자부
240, 340 : 제2 광 검출소자

Claims

호모다인 간섭계로부터 제공된 간섭신호가 입사되고, 입사된 간섭신호를 제1 및 제2 신호로 분할하고 상기 제1 신호는 반사시켜 출사시키고 상기 제2 신호는 통과시켜 출사시키는 빔 스플리터;
상기 제1 신호의 광축상에 위치하고, 상기 제1 신호 중 제1 편광 성분을 출력하는 제1 광소자부;
상기 제1 신호의 제1 편광 성분에 대한 광신호를 검출하여 전기적 신호로 변환하여 제1 출력 신호로 출력하는 제1 광검출 소자;
상기 제2 신호의 광축상에 위치하고, 사분 파장만큼 위상 지연시킨 제2 신호 중 제1 편광 성분을 출력하는 제2 광소자부;
상기 위상 지연된 제2 신호 중 제1 편광 성분에 대한 광신호를 검출하여 전기적 신호로 변환하여 제2 출력 신호로 출력하는 제2 광검출 소자; 및
상기 제1 광검출 소자로부터 제1 출력신호를 제공받고 제2 광검출소자로부터 제2 출력신호를 제공받는 제어 장치;
를 구비하고, 상기 제1 출력 신호와 제2 출력 신호는 서로 90°위상차를 갖는 신호들이며,
상기 제어장치는 수학식 8을 이용하여 i번째 간섭신호에 대한 위상(φ_i )을 검출하는 것을 특징으로 하는 호모다인 검출기.
[수학식 8]

여기서, Q_i 는 제1 광검출소자로부터 출력되어 제1 시각에 샘플링된 i번째 제1 출력신호이며, Q_i+1 은 제1 광검출소자로부터 출력되어 제2 시각에 샘플링된 i+1번째 제1 출력신호이며, I_i 는 제2 광검출소자로부터 출력되어 제1 시각에 샘플링된 i번째 제2 출력신호이며, I_i+1 은 제2 광검출소자로부터 출력되어 제2 시각에 샘플링된 i+1번째 제2 출력신호임.
제1항에 있어서, 상기 제1 광소자부는 순차적으로 배치된 사분파장 위상지연판(QWP) 및 제1 편광빔스플리터(PBS)로 구성되고,
상기 제2 광소자부는 제2 편광빔스플리터로 구성된 것을 특징으로 하는 호모다인 검출기.
제1항에 있어서, 상기 제1 광소자부는 순차적으로 배치된 사분파장 위상지연판(QWP) 및 제1 편광자(Polarizer)로 구성되고,
상기 제2 광소자는 제2 편광자로 구성된 것을 특징으로 하는 호모다인 검출기.
제1항에 있어서, 상기 제1 광검출소자 및 제2 광검출소자는 서로 다른 제1 시각(t1) 및 제2 시각(t2)의 각각에 제1 출력 신호 및 제2 출력 신호를 모두 출력하고, 상기 제어 장치는 상기 제1 및 제2 광검출소자들로부터 출력된 제1 및 제2 출력 신호들을 이용하여 간섭 신호의 위상 및 진폭을 검출하는 것을 특징으로 하는 호모다인 검출기.
제1항에 있어서, 데이터 수집(Data Sampling) 간격인 상기 제1 시각 및 제2 시각의 간격은 제1 시각과 제2 시각에 획득한 신호들에 대한 위상차가 최소값이 되도록 설정된 것을 특징으로 하는 호모다인 검출기.
제1항에 있어서, 데이터 수집(Data Sampling) 간격인 상기 제1 시각 및 제2 시각의 간격은 자동으로 설정되도록 구성된 것을 특징으로 하는 호모다인 검출기.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 및 제2 광 검출소자는 광 다이오드(photo diode)로 구성된 것을 특징으로 하는 호모다인 검출기.