KR20220044532A - 광결정 섬유 기반의 광대역 광원의 모드 제어 - Google Patents
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Abstract
광결정 섬유(photonic crystal fiber: PCF)를 포함하는 광대역 광원의 출력 모드를 제어하기 위한 모드 제어 시스템 및 방법이 개시된다. 모드 제어 시스템은: 측정 데이터를 생성하기 위해 상기 광대역 광원으로부터 방출되는 방사선의 하나 이상의 파라미터를 측정하도록 구성된 적어도 하나의 검출 유닛; 및 상기 측정 데이터로부터, 상기 광대역 광원으로부터 방출되는 상기 방사선의 모드 순도를 평가하도록 구성된 처리 유닛을 포함한다. 상기 평가에 기초하여, 상기 모드 제어 시스템은 상기 광대역 광원의 하나 이상의 펌프 결합 상태의 최적화를 위한 제어 신호를 발생시키도록 구성된다. 상기 펌프 결합 상태들은 상기 광결정 섬유의 섬유 코어에 대한 펌프 레이저 빔의 결합과 관련된다.
Description
관련 출원들에 대한 상호 참조
이 출원은 2019년 9월 2일자로 제출된 EP 출원 19194974.2, 2019년 12월 11일자로 제출된 EP 출원 19215183.5, 2020년 1월 20일자로 제출된 EP 출원 20152635.7, 및 2020년 3월 26일자로 제출된 EP 출원 20165824.2의 우선권을 주장하는데, 상기 출원들은 그 전체가 참조로 본 명세서에 편입되어 있다.
기술분야
본 발명은 광결정 섬유 기반의 광대역 방사선 발생기의 모드 제어에 관한 것으로, 특히 집적회로들의 제조에서 계측 용도와 관련된 이러한 광대역 방사선 발생기에 관한 것이다.
리소그래피 장치는 원하는 패턴을 기판 상에 적용하도록 구성된 기계이다. 리소그래피 장치는 예를 들면, 집적회로들(integrated circuits: IC)의 제조에 사용될 수 있다. 리소그래피 장치는 예를 들어, 패터닝 디바이스(예를 들면, 마스크)의 패턴(종종 "디자인 레이아웃" 또는 "디자인"으로도 지칭됨)을 기판(예를 들면, 웨이퍼) 상에 제공된 방사선 감수성 재료(레지스트)의 층에 투영할 수 있다.
기판 상에 패턴을 투영하기 위해, 리소그래피 장치는 전자기 방사선을 사용할 수 있다. 이 방사선의 파장이 기판 상에 형성될 수 있는 피처들(features)의 최소 크기를 결정한다. 현재 사용되는 전형적인 파장들은 365 nm(i-라인), 248 nm, 193 nm, 및 13.5 nm이다. 4 내지 20 nm 범위 내의 파장, 예를 들면 6.7 nm 또는 13.5 nm의 파장을 갖는 극자외(extreme ultraviolet: EUV) 방사선을 사용하는 리소그래피 장치가, 예를 들어 193 nm의 파장을 갖는 방사선을 사용하는 리소그래피 장치보다 더 작은 피처들을 기판 상에 형성하는데 사용될 수 있다.
리소그래피 장치의 고전적인 분해능 한계보다 더 작은 치수를 갖는 피처들을 처리하기 위해 낮은 k1의 리소그래피가 사용될 수 있다. 이러한 프로세스에서, 분해능 공식은 CD = k1×λ/NA로 표현될 수 있는데, 여기서 λ는 사용되는 방사선의 파장이고, NA는 리소그래피 장치에서 투영 광학계의 개구수(numerical aperture)이며, CD는 "임계 치수"(일반적으로는 프린트되는 최소의 피처 크기지만, 이 경우는 반피치(half-pitch)임)이고, k1은 실험적 분해능 계수이다. 일반적으로, k1이 작을수록 특정의 전기적 기능 및 성능을 달성하기 위해 회로 설계자에 의해 계획된 형상 및 치수들과 유사한 패턴을 기판 상에 재현하기가 더 어려워진다. 이들 어려움을 극복하기 위해, 정교한 미세 튜닝 단계들이 리소그래피 투영 장치 및/또는 디자인 레이아웃에 적용될 수 있다. 이들은 예를 들면, NA의 최적화, 맞춤형 조명 방식들(customized illumination schemes), 위상 쉬프팅 패터닝 디바이스들의 사용, 디자인 레이아웃에서의 광학 근접 보정(OPC, 때로는 '광학 및 프로세스 보정'으로 지칭되기도 함)과 같은 디자인 레이아웃의 다양한 최적화, 또는 일반적으로 "분해능 향상 기법"(resolution enhancement techniques: RET)으로 정의되는 다른 방법들을 포함하나, 이들에 국한되지 않는다. 혹은, 낮은 k1에서의 패턴의 재현을 개선하기 위해 리소그래피 장치의 안정성을 제어하기 위한 엄격한 제어 루프들이 사용될 수도 있다.
예를 들면, 노광 전에 기판의 적절한 위치지정을 위한 정렬 툴들, 기판의 표면 토폴로지를 측정하기 위한 레벨링 툴들, 예컨대, 프로세스 제어에서 노광 및/또는 에칭된 제품을 검사/측정하기 위한 초점 제어 및 스캐터로메트리 기반의 툴들로서, IC 제조 프로세스의 많은 국면에서 계측 툴들이 사용된다. 각 경우에, 방사선 소스가 필요하다. 측정의 강고성 및 정확도를 포함한 다양한 이유로, 이러한 계측 용도에 광대역 또는 백색광 방사선 소스들이 점점 더 많이 사용되고 있다. 광대역 방사선 발생을 위한 현재의 디바이스들을 개선하는 것이 바람직하다 할 것이다.
본 발명의 제1 양태에서는, 광결정 섬유(photonic crystal fiber: PCF)를 포함하는 광대역 광원의 출력 모드를 제어하도록 구성된 모드 제어 시스템이 제공되는데, 모드 제어 시스템은: 측정 데이터를 생성하기 위해 상기 광대역 광원으로부터 방출되는 방사선의 하나 이상의 파라미터를 측정하도록 구성된 적어도 하나의 검출 유닛; 및 상기 측정 데이터로부터, 상기 광대역 광원으로부터 방출되는 상기 방사선의 모드 순도(mode purity)를 평가하도록 구성된 처리 유닛을 포함하고, 상기 평가에 기초하여, 상기 모드 제어 시스템은 상기 광대역 광원의 하나 이상의 펌프 결합 상태의 최적화를 위한 제어 신호를 발생시키도록 구성되며; 상기 펌프 결합 상태들은 상기 광결정 섬유의 섬유 코어에 대한 펌프 레이저 빔의 결합과 관련된다.
본 발명의 제2 양태에서는, 광결정 섬유를 포함하는 광대역 광원의 모드 제어 방법이 제공되는데, 상기 방법은: 측정 데이터를 획득하기 위해 상기 광대역 광원으로부터 방출되는 방사선의 하나 이상의 파라미터를 측정하는 단계; 상기 측정 데이터로부터, 상기 광대역 광원으로부터 방출되는 상기 방사선의 모드 순도를 평가하는 단계; 및 상기 광대역 광원의 하나 이상의 펌프 결합 상태 - 상기 펌프 결합 상태들은 상기 광결정 섬유의 섬유 코어에 대한 펌프 레이저 빔의 결합과 관련됨 - 을 최적화하기 위한 제어 신호를 발생시키는 단계를 포함한다.
본 발명의 다른 양태들은 제1 양태의 모드 제어 시스템을 포함하는 광대역 광원 및 계측 디바이스를 포함한다.
이제 첨부한 개략도들을 참조하여 예로서만 본 발명의 실시예들이 설명될 것이다.
도 1은 리소그래피 장치의 개요도를 묘사한다.
도 2는 리소그래피 셀의 개요도를 묘사한다.
도 3은 반도체 제조를 최적화하기 위한 3가지 주요 기술 간의 협력을 나타내는, 총체적인 리소그래피의 개략도를 묘사한다.
도 4는 본 발명의 실시예들에 따른 방사선 소스를 포함할 수 있는, 계측 디바이스로 사용되는 스캐터로메트리 디바이스의 개요도를 묘사한다.
도 5는 본 발명의 실시예들에 따른 방사선 소스를 포함할 수 있는 레벨 센서 장치의 개요도를 묘사한다.
도 6은 본 발명의 실시예들에 따른 방사선 소스를 포함할 수 있는 정렬 센서 장치의 개요도를 묘사한다.
도 7은 (a) 카고메 디자인 및 (b) 단일 링 디자인을 포함하는, 백색광 생성을 위한 2가지 HC-PCF 디자인의 횡단면을 개략적으로 묘사한다.
도 8은 예시적인 가스 충전 HC-PCF 기반의 광대역 광원 디바이스를 개략적으로 묘사한다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 모드 제어 시스템의 작동 절차를 기술하는 플로차트이다.
도 10은 광원의 기본 가로 모드(LP01)의 최적화 및 안정화를 위한, 본 발명의 제1 실시예에 따른, 모드 제어 시스템이 장착된 광대역 광원을 개략적으로 묘사한다.
도 11은 광원의 기본 가로 모드(LP01)의 최적화 및 안정화를 위한, 본 발명의 제2 실시예에 따른, 모드 제어 시스템이 장착된 광대역 광원을 개략적으로 묘사한다.
도 12는 광원의 기본 가로 모드(LP01)의 최적화 및 안정화를 위한, 본 발명의 제3 실시예에 따른, 모드 제어 시스템이 장착된 광대역 광원을 개략적으로 묘사한다.
도 13은 광원의 기본 가로 모드(LP01)의 최적화 및 안정화를 위한, 본 발명의 제4 실시예에 따른, 모드 제어 시스템이 장착된 광대역 광원을 개략적으로 묘사한다.
도 14는 광원의 기본 가로 모드(LP01)의 최적화 및 안정화를 위한, 본 발명의 상이한 실시예에 따른, 모드 제어 시스템이 장착된 광대역 광원을 개략적으로 묘사한다.
도 15는 대강 정렬(coarse alignment)을 위한 제1 실시예에 따른 대강 정렬 구성을 개략적으로 묘사한다.
도 16은 대강 정렬을 위한 제2 실시예에 따른 대강 정렬 구성을 개략적으로 묘사한다.
도 17은 대강 정렬을 위한 제3 실시예에 따른 대강 정렬 구성을 개략적으로 묘사한다.
도 18은 적어도 도 15 내지 도 17에 묘사된 대강 정렬 구성에서 사용 가능한 특정 광학 조작 유닛을 개략적으로 묘사한다.
도 19는 광대역 광원의 펄스들의 타이밍의 제어 및 결정을 위한, 실시예에 따른, 특정 타이밍 제어 시스템이 장착된 광대역 광원을 개략적으로 묘사한다.
도 20은 광대역 광원의 출력 편광의 최적화 및 안정화를 위한, 실시예에 따른, 특정 편광 제어 시스템이 장착된 광대역 광원을 개략적으로 묘사한다.
도 1은 리소그래피 장치의 개요도를 묘사한다.
도 2는 리소그래피 셀의 개요도를 묘사한다.
도 3은 반도체 제조를 최적화하기 위한 3가지 주요 기술 간의 협력을 나타내는, 총체적인 리소그래피의 개략도를 묘사한다.
도 4는 본 발명의 실시예들에 따른 방사선 소스를 포함할 수 있는, 계측 디바이스로 사용되는 스캐터로메트리 디바이스의 개요도를 묘사한다.
도 5는 본 발명의 실시예들에 따른 방사선 소스를 포함할 수 있는 레벨 센서 장치의 개요도를 묘사한다.
도 6은 본 발명의 실시예들에 따른 방사선 소스를 포함할 수 있는 정렬 센서 장치의 개요도를 묘사한다.
도 7은 (a) 카고메 디자인 및 (b) 단일 링 디자인을 포함하는, 백색광 생성을 위한 2가지 HC-PCF 디자인의 횡단면을 개략적으로 묘사한다.
도 8은 예시적인 가스 충전 HC-PCF 기반의 광대역 광원 디바이스를 개략적으로 묘사한다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 모드 제어 시스템의 작동 절차를 기술하는 플로차트이다.
도 10은 광원의 기본 가로 모드(LP01)의 최적화 및 안정화를 위한, 본 발명의 제1 실시예에 따른, 모드 제어 시스템이 장착된 광대역 광원을 개략적으로 묘사한다.
도 11은 광원의 기본 가로 모드(LP01)의 최적화 및 안정화를 위한, 본 발명의 제2 실시예에 따른, 모드 제어 시스템이 장착된 광대역 광원을 개략적으로 묘사한다.
도 12는 광원의 기본 가로 모드(LP01)의 최적화 및 안정화를 위한, 본 발명의 제3 실시예에 따른, 모드 제어 시스템이 장착된 광대역 광원을 개략적으로 묘사한다.
도 13은 광원의 기본 가로 모드(LP01)의 최적화 및 안정화를 위한, 본 발명의 제4 실시예에 따른, 모드 제어 시스템이 장착된 광대역 광원을 개략적으로 묘사한다.
도 14는 광원의 기본 가로 모드(LP01)의 최적화 및 안정화를 위한, 본 발명의 상이한 실시예에 따른, 모드 제어 시스템이 장착된 광대역 광원을 개략적으로 묘사한다.
도 15는 대강 정렬(coarse alignment)을 위한 제1 실시예에 따른 대강 정렬 구성을 개략적으로 묘사한다.
도 16은 대강 정렬을 위한 제2 실시예에 따른 대강 정렬 구성을 개략적으로 묘사한다.
도 17은 대강 정렬을 위한 제3 실시예에 따른 대강 정렬 구성을 개략적으로 묘사한다.
도 18은 적어도 도 15 내지 도 17에 묘사된 대강 정렬 구성에서 사용 가능한 특정 광학 조작 유닛을 개략적으로 묘사한다.
도 19는 광대역 광원의 펄스들의 타이밍의 제어 및 결정을 위한, 실시예에 따른, 특정 타이밍 제어 시스템이 장착된 광대역 광원을 개략적으로 묘사한다.
도 20은 광대역 광원의 출력 편광의 최적화 및 안정화를 위한, 실시예에 따른, 특정 편광 제어 시스템이 장착된 광대역 광원을 개략적으로 묘사한다.
본 문서에서, "방사선" 및 "빔"이라는 용어는 (예를 들면, 365, 248, 193, 157, 또는 126 ㎚의 파장을 갖는) 자외 방사선 및 EUV(extreme ultra-violet: 극자외 방사선, 예를 들면, 약 5-100 ㎚ 범위의 파장을 가짐)를 포함한 모든 유형의 전자기 방사선을 포괄하도록 사용된다.
본 명세서에서 사용되는 "레티클(reticle)", "마스크", 또는 "패터닝 디바이스"라는 용어는 입사 방사선 빔에 기판의 타겟부에 생성하고자 하는 패턴에 대응하는 패턴화된 단면을 부여하는 데 사용될 수 있는 일반적인 패터닝 디바이스를 지칭하는 것으로 폭넓게 해석될 수 있다. "광 밸브(light valve)"라는 용어도 이 맥락에서 사용될 수 있다. 고전적인 마스크(투과형 또는 반사형, 바이너리, 위상 쉬프팅, 하이브리드 등) 외에, 다른 이러한 패터닝 디바이스들의 예로는 프로그래머블 미러 어레이(programmble mirror array) 및 프로그래머블 LCD 어레이가 포함된다.
도 1은 리소그래피 장치(LA)를 개략적으로 묘사한다. 리소그래피 장치(LA)는 방사선 빔(B)(예를 들면, UV 방사선, DUV 방사선, 또는 EUV 방사선)을 컨디셔닝하도록 구성된 조명 시스템(일루미네이터로도 지칭됨)(IL), 패터닝 디바이스(예를 들면, 마스크)(MA)를 지지하도록 구성되고 특정 파라미터들에 따라 패터닝 디바이스(MA)를 정확하게 위치시키도록 구성된 제1 포지셔너(PM)에 연결된 마스크 지지부(예를 들면, 마스크 테이블)(MT), 기판(예를 들면, 레지스트 코팅된 웨이퍼)(W)을 유지하도록 구성되고 특정 파라미터들에 따라 기판 지지부를 정확하게 위치시키도록 구성된 제2 포지셔너(PW)에 연결된 기판 지지부(예를 들면, 웨이퍼 테이블)(WT), 및 기판(W)의 타겟부(C)(예를 들면, 하나 이상의 다이를 포함함) 상에 패터닝 디바이스(MA)에 의해 방사선 빔(B)에 부여된 패턴을 투영하도록 구성된 투영 시스템(예를 들면, 굴절 투영 렌즈 시스템)(PS)을 포함한다.
작동시, 조명 시스템(IL)은 예를 들어, 빔 전달 시스템(beam delivery system: BD)을 통해 방사선 소스(SO)로부터 방사선 빔을 수신한다. 조명 시스템(IL)은 방사선을 지향, 성형, 및/또는 제어하기 위해, 굴절, 반사, 자기, 전자기, 정전, 및/또는 다른 유형의 광학 컴포넌트들, 또는 이들의 임의의 조합과 같은 다양한 유형의 광학 컴포넌트들을 포함할 수 있다. 일루미네이터(IL)는 패터닝 디바이스(MA)의 평면에서 방사선 빔(B)의 단면에 원하는 공간 및 각 강도(spatial and angular intensity) 분포를 갖도록 방사선 빔(B)을 컨디셔닝하는데 사용될 수 있다.
본 명세서에서 사용되는 "투영 시스템"(PS)이라는 용어는 사용되는 노광 방사선 및/또는 액침액의 사용 또는 진공의 사용과 같은 다른 요인들에 적합한 굴절, 반사, 반사굴절(catadioptric), 아나모픽(anamorphic), 자기, 전자기, 및/또는 정전 광학계, 또는 이들의 임의의 조합을 포함하는 다양한 유형의 투영 시스템을 포괄하는 것으로 폭넓게 해석되어야 한다. 본 명세서에서 "투영 렌즈"라는 용어의 모든 사용은 보다 일반적인 용어인 "투영 시스템"(PS)과 동의어로 간주될 수 있다.
리소그래피 장치(LA)는 투영 시스템(PS)과 기판(W) 사이의 공간을 채우도록 기판의 적어도 일부가 비교적 높은 굴절률을 갖는 액체, 예를 들면 물로 덮일 수 있는 유형일 수 있는데 - 이는 액침 리소그래피로도 지칭된다. 액침 기법들에 대한 추가 정보는 본 명세서에 참조로 편입되어 있는 미국 특허 제US6952253호에 제시되어 있다.
리소그래피 장치(LA)는 또한 2개 이상의 기판 지지부(WT)를 갖는 유형("듀얼 스테이지"로도 명명됨)일 수도 있다. 이러한 "복수의 스테이지" 기계에서는, 기판 지지부들(WT)이 병렬로 사용될 수도 있고, 및/또는 다른 기판 지지부(WT) 상의 다른 기판(W)이 이 다른 기판(W) 상에 패턴을 노광하는 데 사용되는 동안 기판(W)의 후속 노광을 준비하는 단계들이 기판 지지부(WT) 중 하나에 위치된 기판(W) 상에서 수행될 수도 있다.
기판 지지부(WT) 외에, 리소그래피 장치(LA)는 측정 스테이지를 포함할 수 있다. 측정 스테이지는 센서 및/또는 클리닝 디바이스를 유지하도록 배치된다. 센서는 투영 시스템(PS)의 특성 또는 방사선 빔(B)의 특성을 측정하도록 배치될 수 있다. 측정 스테이지는 복수의 센서를 보유할 수 있다. 클리닝 디바이스는 리소그래피 장치의 일부, 예를 들면 투영 시스템(PS)의 일부 또는 액침액을 제공하는 시스템의 일부를 클리닝하도록 배치될 수 있다. 기판 지지부(WT)가 투영 시스템(PS)으로부터 떨어져 있을 때 측정 스테이지는 투영 시스템(PS)의 아래로 이동할 수 있다.
작동시, 방사선 빔(B)은 패터닝 디바이스, 예를 들면 마스크 지지부(MT) 상에 유지되는 마스크(MA)에 입사하여, 패터닝 디바이스(MA) 상에 존재하는 패턴(디자인 레이아웃)에 의해 패턴화된다. 마스크(MA)를 통과한 후에, 방사선 빔(B)은 투영 시스템(PS)을 통과하는데, 투영 시스템(PS)은 빔을 기판(W)의 타겟부(C)에 집속시킨다. 제2 포지셔너(PW) 및 위치 측정 시스템(IF)의 보조에 의해, 기판 지지부(WT)는 예를 들면, 상이한 타겟부들(C)을 집속되고 정렬된 위치에서 방사선 빔(B)의 경로에 위치시키도록 정확하게 이동될 수 있다. 유사하게, 제1 포지셔너(PM) 및 가능케는 다른 위치 센서(도 1에는 명시적으로 도시되지는 않음)가 방사선 빔(B)의 경로에 대해 패터닝 디바이스(MA)를 정확하게 위치시키는 데 사용될 수 있다. 패터닝 디바이스(MA)와 기판(W)은 마스크 정렬 마크들(M1, M2) 및 기판 정렬 마크들(P1, P2)을 사용하여 정렬될 수 있다. 기판 정렬 마크들(P1, P2)은 도시된 바와 같이 전용 타겟부들을 점유하지만, 이들은 타겟부들 사이의 공간들에 위치될 수도 있다. 기판 정렬 마크들(P1, P2)은 이들이 타겟부들(C) 사이에 위치될 때 스크라이브 레인 정렬 마크들(scribe-lane alignment marks)로 알려져 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 리소그래피 장치(LA)는 경우에 따라서는 리소셀(lithocell) 또는 (리소)클러스터((litho)cluster)로도 지칭되는 리소그래피 셀(lithograhic cell: LC)의 일부를 형성할 수 있는데, 이는 종종 기판(W)에 노광 전(pre-exposure) 및 노광 후(post-exposure) 프로세스를 수행하는 장치를 또한 포함한다. 종래에 이들은 레지스트 층들을 적층하기 위한 스핀 코터들(spin coaters: SC), 노광된 레지스트를 현상하기 위한 현상제들(developers: DE), 예를 들면 기판들(W)의 온도를 컨디셔닝하기 위한, 예를 들면 레지스트 층들 중의 용매들을 컨디셔닝하기 위한 냉각 플레이트(chill plates: CH) 및 베이크 플레이트(bake plates: BK)를 포함한다. 기판 핸들러 또는 로봇(RO)은 입출력 포트들(I/O1, I/O2)로부터 기판들(W)을 픽업해서는, 기판들(W)을 상이한 프로세스 장치들 사이에서 이동시키며, 기판들(W)을 리소그래피 장치(LA)의 로딩 베이(loading bay: LB)로 전달한다. 종종 트랙으로도 통칭되는 리소셀 내의 디바이스들은 전형적으로 감시 제어 시스템(supervisory control system: SCS)에 의해 자체적으로 제어될 수 있는 트랙 제어 유닛(track control unit: TCU)의 제어 하에 있으며, 감시 제어 시스템(SCS)은 예를 들면, 리소그래피 제어 유닛(lithography control unit: LACU)을 통해 리소그래피 장치를 또한 제어할 수 있다.
리소그래피 장치(LA)에 의해 노광되는 기판들(W)이 정확하고 일관되게 노광되도록 하기 위해서는, 후속 층들 사이의 오버레이 에러(overlay errors), 선 두께, 임계 치수(critical dimensions: CD) 등과 같은 패턴화된 구조들의 특성들을 측정하기 위해 기판들을 검사하는 것이 바람직하다. 이 목적을 위해, 리소 셀(LC)에는 검사 툴들(도시되지 않음)이 포함될 수 있다. 에러들이 검출되면, 특히 동일한 배치(batch) 또는 로트(lot)의 다른 기판들(W)이 아직 노광되거나 처리되기 전에 검사가 행해지면, 예를 들면 후속 기판들의 노광에 또는 기판들(W) 상에서 수행될 다른 처리 단계들에 조정이 이루어질 수 있다.
계측 장치로도 지칭될 수 있는 검사 장치가 기판들(W)의 특성들, 및 특히 상이한 기판들(W)의 특성들이 어떻게 다른지 또는 동일한 기판(W)의 상이한 층들과 연관된 특성들이 층마다 어떻게 다른지를 결정하는 데 사용될 수 있다. 검사 장치는 대신에 기판(W) 상의 결함들을 식별하도록 구성될 수 있으며, 예를 들면 리소셀(LC)의 일부일 수도 있고, 또는 리소그래피 장치(LA)에 통합될 수도 있고, 또는 심지어는 독립형 디바이스일 수도 있다. 검사 장치는 잠상(latent image)(노광 후 레지스트 층의 이미지), 또는 반잠상(semi-latent image)(노광 후 베이크(post-exposure bake: PEB) 단계 후의 레지스트 층의 이미지), 또는 (레지스트의 노광 부분 또는 비노광 부분이 제거된) 현상된 레지스트 이미지, 또는 심지어는 (에칭과 같은 패턴 전사 단계 후의) 에칭된 이미지의 특성들을 측정할 수 있다.
전형적으로, 리소그래피 장치(LA)에서의 패터닝 프로세스는 기판(W) 상의 구조들의 치수화 및 배치의 높은 정확도를 요하는 처리의 가장 중요한 단계들 중 하나이다. 이 높은 정확도를 보장하기 위해, 도 3에 개략적으로 묘사된 바와 같이 소위 "총체적인(holistic)" 제어 환경에서 3가지 시스템이 결합될 수 있다. 이들 시스템 중 하나는, 계측 툴(MT)(제2 시스템) 및 컴퓨터 시스템(CL)(제3 시스템)에 (가상적으로) 연결된 리소그래피 장치(LA)이다. 이러한 "총체적인" 환경의 관건은 리소그래피 장치(LA)에 의해 수행되는 패터닝이 프로세스 윈도우 내에 유지되도록 보장하기 위해 전체 프로세스 윈도우를 강화하고 엄밀한 제어 루프들을 제공하도록 이들 3가지 시스템 간의 협력을 최적화하는 것이다. 프로세스 윈도우는 프로세스 파라미터들(예를 들면, 선량, 초점, 오버레이)의 범위 - 그 내에서 특정 제조 프로세스가 규정된 결과(예를 들면, 기능적 반도체 디바이스)를 산출하며, 전형적으로는 그 내에서 리소그래피 프로세스 또는 패터닝 프로세스의 프로세스 파라미터들이 변할 수 있음 - 를 규정한다.
컴퓨터 시스템(CL)은 어떤 분해능 향상 기법들을 사용할 지를 예측하고 어떤 마스크 레이아웃과 리소그래피 장치 세팅이 패터닝 프로세스의 가장 큰 전체적인 프로세스 윈도우를 달성하는지를 결정하기 위해 전산 리소그래피 시뮬레이션 및 계산을 수행하기 위해 패턴화되는 디자인 레이아웃(의 일부)을 사용할 수 있다(도 3에서 첫 번째 스케일(SC1)에서 이중 화살표로 묘사됨). 전형적으로, 분해능 향상 기법들은 리소그래피 장치(LA)의 패터닝 가능성과 일치하도록 마련된다. 컴퓨터 시스템(CL)은 예를 들면, 비최적의 처리(sub-optimal processing)로 인해 결함들이 존재할 수 있는지 여부를 예측하기 위해 (예를 들면, 계측 툴(MT)로부터의 입력을 사용하여) 프로세스 윈도우 내에서 어디에서 리소그래피 장치(LA)가 현재 작동하고 있는지를 검출하는 데에도 사용될 수 있다(도 3에서 두 번째 스케일(SC2)에서 "0"을 가리키는 화살표로 묘사됨).
계측 툴(MT)은 정확한 시뮬레이션 및 예측을 가능하게 하기 위해 컴퓨터 시스템(CL)에 입력을 제공할 수 있고, 예를 들면 리소그래피 장치(LA)의 교정 상태에서 발생 가능한 드리프트를 식별하기 위해 리소그래피 장치(LA)에 피드백을 제공할 수 있다(도 3에서 세 번째 스케일(SC3)에서 복수의 화살표로 묘사됨).
리소그래피 프로세스들에서, 예를 들면 프로세스 제어 및 검증을 위해 생성된 구조들을 자주 측정하는 것이 바람직하다. 이러한 측정을 행하기 위한 툴들은 전형적으로 계측 툴(MT)로 불린다. 주사 전자 현미경들 또는 다양한 형태의 스캐터로미터 계측 툴들(MT)을 포함하여, 이러한 측정들을 행하기 위한 상이한 유형의 계측 툴들(MT)이 알려져 있다. 스캐터로미터들(scatterometers)은 스캐터로미터의 대물렌즈의 동공에 또는 동공과의 공액 평면에 센서를 가짐으로써 - 측정은 보통 동공 기반의 측정으로 지칭됨 -, 또는 이미지 평면에 또는 이미지 평면과 공액인 평면에 센서를 가짐으로써 - 이 경우에 측정은 보통 이미지 또는 필드 기반의 측정으로 지칭됨 -, 리소그래피 프로세스의 파라미터들의 측정을 가능케 하는 다용성 기기들이다. 이러한 스캐터로미터들 및 관련 측정 기법들은, 그 전체가 본 명세서에 참조로 편입되어 있는 특허 출원 US20100328655, US2011102753A1, US20120044470A, US20110249244, US20110026032, 또는 EP1,628,164A에 추가로 기재되어 있다. 앞서 언급한 스캐터로미터들은 소프트 x선 및 가시 내지 근적외 파장 범위의 광을 사용하여 격자(grating)를 측정할 수 있다.
제1 실시예에서, 스캐터로미터(MT)는 각도 분해 스캐터로미터이다. 이러한 스캐터로미터에서는, 격자의 특성들을 재구성 또는 계산하기 위해 측정된 신호에 재구성 방법들이 적용될 수 있다. 이러한 재구성은 예를 들면, 산란된 방사선과 타겟 구조의 수학적 모델의 상호작용을 시뮬레이션하고 시뮬레이션 결과를 측정 결과와 비교하는 것으로부터 산출될 수 있다. 시뮬레이션된 상호작용이 실제 타겟으로부터 관측된 것과 유사한 회절 패턴을 생성할 때까지 수학적 모델의 파라미터들이 조정된다.
제2 실시예에서, 스캐터로미터(MT)는 분광 스캐터로미터(MT)이다. 이러한 분광 스캐터로미터(MT)에서는, 방사선 소스에 의해 방출된 방사선이 타겟으로 지향되고, 타겟으로부터 반사되거나 산란된 방사선은 경면 반사 방사선의 스펙트럼을 측정(즉, 파장의 함수로서의 강도의 측정)하는 분광계 검출기로 지향된다. 이 데이터로부터, 검출된 스펙트럼을 발생시키는 타겟의 구조 또는 프로파일이, 예를 들면 엄밀한 결합파 분석(Rigorous Coupled Wave Analysis) 및 비선형 회귀에 의해 또는 시뮬레이션된 스펙트럼의 라이브러리와의 비교에 의해 재구성될 수 있다.
제3 실시예에서, 스캐터로미터(MT)는 엘립소메트리(ellipsometric) 스캐터로미터이다. 엘립소메트리 스캐터로미터는 각 편광 상태들에 대한 산란 방사선을 측정함으로써 리소그래피 프로세스의 파라미터들을 결정할 수 있게 한다. 이러한 계측 장치는, 예를 들면 계측 장치의 조명 섹션에서 적절한 편광 필터들을 사용함으로써 (선형, 원형, 또는 타원형과 같은) 편광된 광을 방출한다. 계측 장치에 적합한 소스는 편광된 방사선도 제공할 수 있다. 기존의 엘립소메트리 스캐터로미터들의 다양한 실시예들이, 그 전체가 본 명세서에 참조로 편입되어 있는 미국 특허 출원 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 13/891,410에 기재되어 있다.
스캐터로미터와 같은 계측 장치가 도 4에 묘사되어 있다. 이는 기판(W)에 방사선을 투사하는 광대역(백색광) 방사선 프로젝터(2)를 포함한다. 반사 또는 산란된 방사선은 경면 반사 방사선의 스펙트럼(6)을 측정(즉, 파장의 함수로서의 강도의 측정)하는 분광계 검출기(4)로 전달된다. 이 데이터로부터, 검출된 스펙트럼을 발생시키는 구조 또는 프로파일(8)이, 도 3의 하단에 도시된 바와 같이 예를 들면, 엄밀한 결합파 분석 및 비선형 회귀에 의해 또는 시뮬레이션된 스펙트럼의 라이브러리와의 비교에 의해, 처리 유닛(PU)에 의해 재구성될 수 있다. 일반적으로 재구성의 경우, 구조의 일반적인 형태는 알려지며 일부 파라미터는 구조를 만들어낸 프로세스에 대한 지식으로부터 가정되며, 그래서 구조의 몇 개의 파라미터만이 스캐터로메트리 데이터로부터 결정되게 된다. 이러한 스캐터로미터는 수직 입사 스캐터로미터 또는 경사 입사 스캐터로미터로 구성될 수 있다.
계측 타겟의 측정을 통한 리소그래피 파라미터의 전체적인 측정 품질은 이 리소그래피 파라미터를 측정하는 데 사용되는 측정 레시피에 의해 적어도 부분적으로 결정된다. "기판 측정 레시피"라는 용어는 측정 자체의 하나 이상의 파라미터, 하나 이상의 측정된 패턴의 하나 이상의 파라미터, 또는 양자 모두를 포함할 수 있다. 예를 들어, 기판 측정 레시피에 사용되는 측정이 회절 기반의 광학 측정인 경우, 측정의 하나 이상의 파라미터는 방사선의 파장, 방사선의 편광, 기판에 대한 방사선의 입사각, 기판 상의 패턴에 대한 방사선의 배향 등을 포함할 수 있다. 측정 레시피를 선택하기 위한 기준들 중 하나는 예를 들면, 처리 변동에 대한 측정 파라미터들 중 하나의 파라미터의 감도일 수 있다. 더 많은 예가, 그 전체가 본 명세서에 참조로 편입되어 있는 미국 특허 출원 US2016-0161863 및 공개된 미국 특허 출원 US 2016/0370717A1에 기재되어 있다.
IC 제조에 사용되는 다른 유형의 계측 툴은 토포그래피 측정 시스템, 레벨 센서, 또는 높이 센서이다. 이러한 툴은 기판(또는 웨이퍼)의 상단 표면의 토포그래피를 측정하기 위해 리소그래피 장치에 통합될 수 있다. 높이 맵으로도 지칭되는 기판의 토포그래피의 맵은 이들 측정으로부터 생성되어 기판 상의 위치의 함수로서 기판의 높이를 나타낼 수 있다. 이 높이 맵은 기판 상의 적절한 초점 위치에 있는 패터닝 디바이스의 에어리얼 이미지를 제공하기 위해 기판 상의 패턴의 전사 중에 기판의 위치를 수정하는 데 후속적으로 사용될 수 있다. 이 맥락에서의 "높이"는 기판에 대해 평면으로부터 넓게 벗어난 치수(Z축으로도 지칭됨)를 가리킨다는 것이 이해될 것이다. 전형적으로, 레벨 또는 높이 센서는 (그 자체의 광학계에 대해) 고정된 위치에서 측정을 수행하고, 기판과 레벨 또는 높이 센서의 광학계 사이의 상대적인 이동은 기판 전체에 걸친 위치들에서 높이 측정을 발생시킨다.
본 기술분야에 알려진 레벨 또는 높이 센서(LS)의 예가 작동 원리만을 예시하는 도 5에 개략적으로 도시되어 있다. 이 예에서, 레벨 센서는 투영 유닛(LSP) 및 검출 유닛(LSD)을 포함하는 광학계를 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 들면, 편광 또는 비편광 레이저 빔과 같은, 편광 또는 비편광, 펄스화 또는 연속적인 초연속체 광원과 같은, 협대역 또는 광대역 광원일 수 있다. 방사선 소스(LSO)는 복수의 LED와 같은, 상이한 색상들, 또는 파장 범위들을 갖는 복수의 방사선 소스를 포함할 수 있다. 레벨 센서(LS)의 방사선 소스(LSO)는 가시 방사선에 한정되지 않고, 추가적으로 또는 대체로서 UV 및/또는 IR 방사선 및 기판의 표면으로부터 반사하기에 적합한 임의의 파장 범위를 포함할 수 있다.
투영 격자(PGR)는 주기적으로 변하는 강도를 갖는 방사선 빔(BE1)을 발생시키는 주기 구조를 포함하는 주기 격자(periodic grating)이다. 주기적으로 변하는 강도를 갖는 방사선 빔(BE1)은 입사 기판 표면에 수직인 축(Z축)에 대해 0도 내지 90도, 전형적으로는 70도 내지 80도의 입사각(ANG)을 갖는 기판(W) 상의 측정 위치(MLO) 쪽으로 지향된다. 측정 위치(MLO)에서, 패턴화된 방사선 빔(BE1)은 기판(W)에 의해 반사되어(화살표 BE2로 나타냄) 검출 유닛(LSD) 쪽으로 지향된다.
측정 위치(MLO)에서의 높이 레벨을 결정하기 위해, 레벨 센서는 검출 격자(DGR), 검출기(DET), 및 검출기(DET)의 출력 신호를 처리하기 위한 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 들면 광검출기와 같은 수신된 광의 강도를 나타내는, 또는 카메라와 같은 수신된 강도의 공간 분포를 나타내는, 검출기 출력 신호를 발생시킨다. 검출기(DET)는 하나 이상의 검출기 유형의 임의의 조합을 포함할 수 있다.
삼각 측량 기법들에 의해, 측정 위치(MLO)에서의 높이 레벨이 결정될 수 있다. 검출된 높이 레벨은 검출기(DET)에 의해 측정된 신호 강도와 전형적으로 관련되며, 신호 강도는 특히 투영 격자(PGR)의 설계 및 (비스듬한) 입사각(ANG)에 의존하는 주기성을 갖는다.
투영 유닛(LSP) 및/또는 검출 유닛(LSD)은 투영 격자(PGR)와 검출 격자(DGR)(도시되지 않음) 사이의 패턴화된 방사선 빔의 경로를 따라, 렌즈들 및/또는 미러들과 같은, 추가 광학 소자들을 포함할 수 있다.
실시예에서, 검출 격자(DGR)는 생략될 수 있으며, 검출 격자(DGR)가 위치된 위치에 검출기(DET)가 배치될 수 있다. 이러한 구성은 투영 격자(PGR)의 이미지의 보다 직접적인 검출을 제공한다.
기판(W)의 표면을 효과적으로 커버하기 위해, 레벨 센서(LS)는 기준 빔들(BE1)의 어레이를 기판(W)의 표면에 투사하도록 구성될 수 있으며, 이에 의해 보다 넓은 측정 범위를 커버하는 측정 영역(MLO) 또는 스폿의 어레이를 생성할 수 있다.
일반적인 유형의 다양한 높이 센서들이 예를 들면, US7265364 및 US7646471에 개시되어 있는데, 두 특허 모두 참조로 편입되어 있다. 가시 또는 적외 방사선 대신에 UV 방사선을 사용하는 높이 센서가 참조로 편입되어 있는 US2010233600A1에 개시되어 있다. 참조로 편입되어 있는 WO2016102127A1에는, 검출 격자를 필요로 함이 없이 격자 이미지의 위치를 검출 및 인식하기 위해 복수의 요소의 검출기를 사용하는 컴팩트한 높이 센서가 기재되어 있다.
IC 제조에 사용되는 다른 유형의 계측 툴은 정렬 센서이다. 리소그래피 장치의 성능의 중요한 측면은 따라서 (동일한 장치 또는 상이한 리소그래피 장치에 의해) 이전 층들에 배치된 피처들과 관련하여 적용된 패턴을 올바르고 정확하게 배치하는 능력이다. 이 목적을 위해, 기판에는 하나 이상의 마크 또는 타겟 세트가 제공된다. 각 마크는 그 위치가 위치 센서, 전형적으로는 광학 위치 센서를 사용하여 나중에 측정될 수 있는 구조이다. 위치 센서는 "정렬 센서"로 지칭될 수 있고, 마크들은 "정렬 마크들"로 지칭될 수 있다.
리소그래피 장치는 하나 이상의(예를 들면, 복수의) 정렬 센서를 포함할 수 있는데, 이에 의해 기판 상에 제공된 정렬 마크들의 위치들이 정확하게 측정될 수 있다. 정렬(또는 위치) 센서들은 기판에 형성된 정렬 마크들로부터 위치 정보를 획득하기 위해 회절 및 간섭과 같은 광학 현상을 이용할 수 있다. 현재의 리소그래피 장치에 사용되는 정렬 센서의 예는 US6961116에 기재된 바와 같은 자기 참조 간섭계를 기초로 한다. 예를 들면 US2015261097A1에 개시된 바와 같이, 위치 센서들의 다양한 개선 및 변경이 발현되고 있다. 이들 공개 문헌들 모두의 내용은 참조로 본 명세서에 편입되어 있다.
도 6은 예를 들면, 참조로 편입되어 있는 US6961116에 기재되어 있는 것과 같은, 알려진 정렬 센서(AS)의 실시예의 개략적인 블록도이다. 방사선 소스(RSO)는 하나 이상의 파장의 방사선의 빔(RB)을 제공하는데, 이는 전환 광학계(diverting optics)에 의해 조명 스폿(SP)으로서 기판(W) 상에 위치된 마크(AM)와 같은 마크로 전환된다. 이 예에서, 전환 광학계는 스폿 미러(SM)와 대물 렌즈(OL)를 포함한다. 조명 스폿(SP) - 이에 의해 마크(AM)가 조명됨 - 은 직경이 마크 자체의 폭보다 약간 작을 수 있다.
정렬 마크(AM)에 의해 회절된 방사선은 (이 예에서는 대물 렌즈(OL)를 통해) 정보 반송 빔(information-carrying beam)(IB)으로 시준된다. "회절된"이라는 용어는 마크로부터의 0차 회절(반사로도 지칭될 수 있음)을 포함하도록 의도된다. 예를 들어, 위에서 언급된 US6961116에 개시된 유형의 자기 참조 간섭계(SRI)는 빔(IB)을 그 자체와 간섭시키며 그 후에 빔은 광검출기(PD)에 의해 수신된다. 방사선 소스(RSO)에 의해 2개 이상의 파장이 생성되는 경우에 별도의 빔들을 제공하기 위해 추가 광학계(도시되지 않음)가 포함될 수 있다. 광검출기는 단일 요소일 수도 있고, 또는 원하는 경우 다수의 픽셀을 포함할 수 있다. 광검출기는 센서 어레이를 포함할 수 있다.
이 예에서는 스폿 미러(SM)를 포함하는 전환 광학계는 마크로부터 반사되는 0차 방사선을 차단하는 역할도 할 수 있으며, 그래서 정보 반송 빔(IB)은 마크(AM)로부터의 고차 회절 방사선만 포함한다(이는 측정에 필수적이지는 않으나 신호 대 잡음비를 향상시킨다).
강도 신호들(SI)이 처리 유닛(PU)에 공급된다. 블록 SRI에서의 광학 처리와 유닛 PU에서의 전산 처리의 조합에 의해, 기준 프레임에 대한 기판 상의 X 및 Y 위치의 값들이 출력된다.
도시된 유형의 단일 측정은 마크의 1 피치에 대응하는 특정 범위 내의 마크의 위치만 고정한다. 사인파의 어느 주기가 마킹된 위치를 포함하는 주기인지를 식별하기 위해 이와 함께 보다 대강의 측정 기법들(coarser measurement techniques)이 사용된다. 마크를 제작하는 재료들 및 마크가 그 위에 및/또는 아래에 제공되는 재료들에 관계없이 정확도의 증가 및/또는 마크의 강고한 검출을 위해 보다 대강의 및/또는 보다 세밀한 레벨에서의 동일한 프로세스가 상이한 파장들에서 반복될 수 있다. 파장들은 동시에 처리될 수 있도록 광학적으로 다중화(multiplexed) 및 역다중화(de-multiplexed)될 수 있고, 및/또는 이들은 시분할 또는 주파수 분할에 의해 다중화될 수 있다.
이 예에서는, 정렬 센서와 스폿(SP)은 정지 상태로 있는 반면, 이동하는 것은 기판(W)이다. 정렬 센서는 그래서 기판(W)의 이동 방향과 반대인 방향으로 마크(AM)를 효과적으로 스캔하면서 기준 프레임에 견고하고 정확하게 장착될 수 있다. 기판(W)은 기판 지지부 상의 그 장착 및 기판 지지부의 움직임을 제어하는 기판 위치지정 시스템에 의해 이 움직임에서 제어된다. 기판 지지부 위치 센서(예를 들면, 간섭계)는 기판 지지부(도시되지 않음)의 위치를 측정한다. 실시예에서는, 하나 이상의 (정렬) 마크가 기판 지지부 상에 제공된다. 기판 지지부 상에 제공된 마크들의 위치의 측정은 위치 센서에 의해 결정된 기판 지지부의 위치가 (예를 들면, 정렬 시스템이 연결된 프레임에 대해) 교정될 수 있게 한다. 기판 상에 제공된 정렬 마크들의 위치의 측정은 기판 지지부에 대한 기판의 위치가 결정될 수 있게 한다.
앞서 언급된 계측 툴들 중 어느 하나에서와 같은, 광학적 반도체 계측, 검사 용도에서는, 동시에 넓은 파장 범위(예를 들면, UV에서 IR까지)를 커버하는 가간섭성 방사선을 출력하는 밝은 광원이 자주 선호된다. 이러한 광대역 광원은 어떠한 하드웨어 변경(예를 들면, 특정 파장을 갖도록 광원을 변경)의 필요성도 없이 상이한 재료 특성들을 갖는 웨이퍼들이 동일한 셋업/시스템에서 광학적으로 검사될 수 있도록 함으로써 적용의 유연성과 강고성을 향상시키는 데 도움이 될 수 있다. 파장이 특정 용도에 최적화될 수 있게 하는 것은 측정의 정확도가 더욱 향상될 수 있음을 또한 의미한다.
복수의 파장을 동시에 방출하기 위해 가스 방전 효과를 기초로 한 가스 레이저들이 이들 용도에 사용될 수 있다. 하지만, 가스 레이저들과 관련된 고강도 불안정성 및 낮은 공간 가간섭성과 같은 고유한 문제들은 이들을 부적합하게 할 수 있다. 혹은, 상이한 파장들을 갖는 복수의 레이저(예를 들면, 고체 레이저들)로부터의 출력들이 복수의 파장의 소스를 제공하도록 계측 또는 검사 시스템의 광 경로에 공간적으로 합성될 수 있다. 원하는 파장의 개수와 함께 증가하는 복잡도 및 높은 구현 비용은 이러한 해법이 널리 사용되지 못하게 한다. 대조적으로, 초연속체 레이저로도 불리는 섬유 기반의 광대역 또는 백색광 레이저는 높은 공간 가간섭성과, 예를 들면 UV에서 IR에 이르는 넓은 스펙트럼 범위를 갖는 방사선을 방출할 수 있으며, 그에 따라 매우 매력적이고 실용적인 옵션이다.
중공 코어 광결정 섬유(hollow-core photonic crystal fiber: HC-PCF)는 중앙의 중공 코어 영역과 중공 코어를 둘러싸는 내측 클래딩 구조 - 양자 모두 섬유 전체를 따라 축 방향으로 연장됨 - 를 포함하는 특수한 유형의 섬유이다. 예를 들면, 박벽 유리 요소들을 포함할 수 있는 내측 클래딩 도파관 구조에 의해 도광 메커니즘이 가능해진다. 방사선은 그래서 주로 중공 코어 내부에 갇히며 가로 코어 모드들(transverse core modes)의 형태로 섬유를 따라 전파된다.
다수의 유형의 HC-PCF가 설계될 수 있으며, 각각은 상이한 물리적 유도 메커니즘을 기초로 한다. 2개의 이러한 HC-PCF는: 중공 코어 광자 밴드갭 섬유들(hollow-core photonic bandgap fibers: HC-PBF) 및 중공 코어 반공진 반사 섬유들(hollow-core anti-resonant reflecting fibers: HC-ARF)을 포함한다.
HC-PCF들은 다양한 도광 용도로: 예를 들면, HC-PBF들을 사용한 하이 파워 빔 전달 및 HC-ARF들을 사용한 가스 기반의 백색광 생성(또는 초연속체 생성)을 위한 결과적인 원하는 특성들을 갖도록 유체로 채워진 중공 채널들을 포함한다. HC-PCF들의 설계 및 제조에 대한 상세한 내용은 미국 특허 US2004175085(HC-PBF들의 경우) 및 유럽 특허 출원 EP3136143A1(HC-ARF들의 경우)에서 찾을 수 있는데, 이들은 참조로 본 명세서에 편입되어 있다. HC-PBF들은 중앙의 중공 코어를 둘러싸는 클래딩 구조에 의해 확립된 광자 밴드갭 효과를 통해 저손실이지만 협대역폭의 도광(light guidance)을 제공하도록 구성된다. 반면, HC-ARF들은 클래딩으로부터의 광의 반공진 반사를 통해 전송 대역폭을 크게 넓히도록 설계된다.
도 7은 2가지 잘 알려진 유형의 HC-ARF를 단면도로 묘사한다. 도 7(a)는 중공의 섬유 코어(FCO)를 획정하는 그 클래딩(CLA)으로서 카고메(Kagome) 격자 구조를 포함하는 카고메 섬유를 나타낸다. 이 구성은 하나 이상의 외측 코팅(OCO)으로 둘러싸일 수 있다. 도 7(b)는 중공의 코어 영역(FCO)이 형성되고 비접촉 링들(CLA)의 층으로 둘러싸인 단일 링 또는 리볼버 섬유들(revolver fibers)을 나타낸다.
가스 기반의 백색광 생성의 경우, HC-ARF는 예를 들면, 최대 수십 바(예를 들면, 3 내지 100 바)의 압력에서 작동하도록 설계된 가스 셀 내에 포함될 수 있다. 가스로 채워진 HC-ARF는 충분한 피크 파워를 갖는 초단 펌프 레이저 펄스에 의해 펌핑될 때 광 주파수 변환기로 기능할 수 있다. 초단 펌프 레이저 펄스들로부터 광대역 레이저 펄스들로의 주파수 변환은 가스로 채워진 섬유 내부에서의 분산 및 비선형 광학 프로세스들의 복잡한 상호작용에 의해 가능해진다. 변환된 레이저 펄스들은 주로 가로 코어 모드들의 형태로 중공 코어 내에 갇히며 섬유 단부로 유도된다. 섬유에 의해 지원되는 가로 코어 모드들은 선형 편광(linear polarized: LP) 모드들로 기술될 수 있다. LP 표기에서, LP 모드는 LPmn으로 지칭되는데, 여기서 아래첨자 m과 n은 특정 모드의 방위각 및 반경방향 차수를 나타내는 정수들이다. 기본 모드는 LP01 모드이다. 방사선의 일부, 예를 들면 고차의 가로 코어 모드들 또는 특정 파장들은 중공 코어로부터 내측 클래딩 도파관 구조를 통해 누출될 수 있으며 섬유를 따라서의 그 전파 중에 강한 감쇠를 겪는다. HC-ARF의 코어 영역과 클래딩 영역은 고차 코어 모드들이 고차 클래딩 모드들에 위상 매칭되도록 구성될 수 있다. 이와 같이, 고차 코어 모드들은 후속적으로 감쇠되거나 억제되는 고차 클래딩 모드들과 공진적으로 결합될 수 있다. 이러한 방식으로, 넓은 스펙트럼 범위에서 낮은 손실 및 효과적으로 단일의 가로 모드 전송이 얻어질 수 있다.
(HC-PCF와 같은) PCF를 따라 전송되는 레이저 펄스의 시공간적 전송 특성들, 예를 들면 그 스펙트럼 진폭 및 위상은 펌프 레이저 파라미터들, 충전 가스 파라미터들, 섬유 파라미터들, 및 펌프 결합 상태들의 조정을 통해 변경 및 조정될 수 있다. 상기 전송 특성들은: 출력 파워, 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 하나 이상을 포함할 수 있다. 상기 펌프 레이저 파라미터들은: 펌프 파장, 펌프 펄스 에너지, 펌프 펄스 폭, 펌프 펄스 반복률 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 상기 섬유 파라미터들은: 섬유 길이, 중공 코어의 크기 및 형상, 클래딩 구조의 크기 및 형상, 중공 코어를 둘러싸는 벽들의 두께 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 상기 충전 가스 파라미터들은: 가스 유형, 가스 압력, 및 가스 온도 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 펌프 레이저 빔이 섬유 코어에 얼마나 잘 결합되는지를 결정하는, 상기 펌프 결합 상태들은: 섬유 코어에 대한 펌프 레이저 빔의 각도 오프셋, 섬유 코어에 대한 펌프 레이저 빔의 측방향 오프셋, 및 펌프 레이저 빔과 섬유 코어 사이의 모드 매칭 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 펌프 레이저 빔과 섬유 코어 사이의 상기 모드 매칭은 펌프 레이저 빔의 빔 직경, 펌프 레이저 빔의 발산, 중공 코어의 직경, 및 중공 코어의 NA와 같은 파라미터들에 의해 결정될 수 있다.
HC-PCF의 충전 가스는 헬륨, 네온, 아르곤, 크립톤, 및 크세논과 같은 희가스, 수소, 중수소, 및 질소와 같은 라만 활성 가스, 또는 아르곤/수소 혼합물, 크세논/중수소 혼합물, 크립톤/질소 혼합물, 또는 질소/수소 혼합물과 같은 가스 혼합물일 수 있다. 충전 가스의 종류에 따라, 비선형 광학 프로세스들은 변조 불안정성(MI), 솔리톤 분열(soliton fission), 커 효과(Kerr effect), 라만 효과(Raman effect), 및 분산파 생성을 포함할 수 있는데, 이들에 대한 상세한 내용은 WO2018/127266A1 및 US9160137B1(양자 모두 본 명세서에 참조로 편입되어 있음)에 기재되어 있다. 충전 가스의 분산은 가스 셀 압력을 변경함으로써 튜닝될 수 있으므로, 생성된 광대역 펄스 다이나믹스 및 관련된 스펙트럼 확장 특성들은 주파수 변환을 최적화하도록 조정될 수 있다. 생성된 광대역 레이저 출력은 UV(예를 들면, < 200 nm)로부터 중적외(예를 들면, > 2000 nm)에 이르는 파장들을 커버할 수 있다.
앞서 언급된 계측 툴들 중 어느 하나에서와 같은, 반도체 계측 및 정렬 용도에 적용할 때, HC-PCF 기반의 광대역 광원의 출력 방사선의 가로 모드는 기본 가로 모드, 즉 LP01이 되는 것이 바람직하다. 다시 말하면, 기본 가로 모드에서의 파워와 총 출력 파워 사이의 비로 정의되는 모드 순도(mode purity)가 높거나 최대화된 광대역 레이저 빔이 전형적으로 선호된다. 이는 기본 가로 모드가 HOM(higher order modes: 고차 모드들)보다 PCF(예를 들면, HC-PCF)를 통한 전송 손실이 훨씬 더 낮다는 사실에 기인한다. 그래서, 모든 펌프 광이 섬유의 기본 가로 모드에 결합되면 보다 파워 효율적이 된다. 또한, HOM들의 존재는 광대역 출력의 모드 품질과 강도 안정성을 저하시킨다. 가우스 빔 프로파일이 요구되는 많은 적용에서, 전송 중에 출력의 HOM 콘텐츠가 예를 들면, 공간 필터링에 의해 제거되기 때문에 모드 순도가 불량한 광대역 출력은 상당한 파워 손실을 겪게 된다. 강도 안정성의 저하는 높은 측정 노이즈와 불량한 측정 일관성을 초래한다.
도 8은 예시적인 HC-PCF 기반의 광대역 광원(800)을 개략적으로 도시한다. 특정 반복률의 펌프 펄스 열을 포함하는 시준된 펌프 레이저 빔(811)이 펌프 레이저(810)로부터 출력되어 HC-PCF(841)에서 광대역 방사선의 생성을 위한 입력 레이저 빔으로 사용된다. 시준된 펌프 레이저 빔의 전파는 (예를 들면, 빔 전달 시스템의 일부를 형성하는) 하나 이상의 빔 스티어링 컴포넌트 - 여기서는 2개의 스티어링 미러(820 및 821)로 묘사됨 - 에 의해 제어되며, 집속 렌즈(830)를 통과하도록 지향된다. 집속 렌즈는 HC-PCF(841)의 섬유 코어에 모드 매칭된 펌프 레이저 빔의 적절한 초점을 생성한다. 집속된 펌프 레이저 빔은 HC-PCF(841)의 코어에 결합되기 전에 입력 광학 윈도우(842)을 투과한다. 특정 섬유 길이를 갖는 HC-PCF(841)는 도 7을 참조하면 카고메 디자인 또는 단일 링 디자인을 채용할 수 있다. 혹은, 고체 코어 디자인, 억제 결합 디자인, 하이포사이클로이드 코어 카고메(hypocycloid-core Kagome), 및 네스트된 관형 디자인과 같은 다른 섬유 디자인들(도시되지 않음)도 사용될 수 있다. 이 예에서는, HC-PCF(841) 전체가 특정 압력으로 또는 압력 분포로 작동 가스 또는 가스 혼합물로 채워진 단일 기밀 가스 셀(840)에 포함된다. 가스로 채워진 HC-PCF에 결합된 후, 펌프 레이저 펄스들은 섬유를 따라 전파되는데, 이곳에서 상당한 스펙트럼 확장을 겪는다. 결과적인 광대역 레이저 펄스들(880)은 이어서 출력 광학 윈도우(843)를 통해 가스 셀(840)로부터 방출된다. 광대역 레이저 빔(880)은 다음으로 시준 렌즈(831)에 의해 적절한 빔 크기로 시준된다.
HC-PCF를 작동 가스로 채우기 위해, 가스 셀은 가압 가스 공급부 또는 저장소(도시되지 않음)와 연통될 수 있다. 가스 셀의 벽들과 윈도우들의 내면들은 공동을 둘러싼다. 가스 셀의 축은 HC-PCF의 축과 평행하다.
펌프 펄스 지속시간은 10 fs를 초과하도록, 및 보다 구체적으로는: 10 fs 내지 100 ps, 10 fs 내지 30 ps, 또는 10 fs 내지 1 ps의 범위 내에 있도록 선택될 수 있다. 펌프 파장은 가시 체제, 근적외(near-IR) 체제, 또는 중적외(mid-IR) 체제로부터 선택될 수 있다. 펌프 레이저 펄스들은 수백 헤르츠(Hz), 킬로헤르츠(kHz), 또는 메가헤르츠(MHz)의 반복 주파수를 가질 수 있다. 특히, 반복률은 100 kHz, 500 kHz, 1 MHz, 5 MHz, 10 MHz, 20 MHz, 30 MHz, 40 MHz와 같은, 100 kHz 내지 100 MHz의 범위에 있도록 선택될 수 있다.
HC-PCF에 대한 펌프 레이저 빔의 정렬은 2개의 주요 단계, 즉 대강 정렬(coarse alignment)과 세밀 정렬(fine alignment)을 포함할 수 있다. 대강 정렬은 HC-PCF의 손상을 방지하기 위해 충분히 낮은 펌프 펄스 에너지 또는 펌프 파워로 수행된다. 이 단계는 펌프 빔이 HC-PCF의 중공 코어에 적절히 결합되고 가로 코어 모드들이 HC-PCF의 전방(또는 입력) 패싯(facet)에서 여기되도록 확실히 하기 위한 것이다. 대강 정렬이 없으면, 하이 파워 펌프 레이저 빔의 중심이 HC-PCF의 클래딩 벽들에 부딪힐 때 손상이 발생할 수 있다. 가로 코어 모드들이 여기되고 섬유 출력 파워와 섬유 입력 파워 사이의 비로 정의되는 전송 효율이 로우 파워 레벨에서 최대화되면, 하이 파워 레벨에서 세밀 정렬이 시작된다. 재차 말하지만, 세밀 정렬의 목적은 전송 효율을 더욱 극대화하는 것이다. 하지만, 이러한 종래의 최적화 방법에서는, 최대화된 전송 효율(즉, 주어진 입력 파워에서 최대화된 출력 파워)이 반드시 최고 모드 순도에 대응하는 것은 아니다. 다시 말하면, 전송 효율이 최적화된 후에도 광대역 광원의 출력에는 HOM 콘텐츠가 여전히 존재할 수 있다. 이 불일치의 주된 이유는 펌프 레이저 빔의 가로 빔 프로파일이 전형적으로 불완전하기 때문이다, 즉 M2 > 1이기 때문이다. 그래서, 전체적인 전송 효율이 아무리 잘 최적화되더라도, HOM들은 항상 여기된다.
(예를 들면, 펌프 결합 최적화의 일부로서) 대강 정렬과 세밀 정렬 양자 모두는 1) 빔 전달 시스템(도 8 및 많은 후속 도면에서 2개의 스티어링 미러로 나타내지만, 이는 순전히 예시적인 빔 전달 시스템임)의 적어도 하나의 빔 스티어링 컴포넌트의 움직임; 2) 가스 셀의 움직임; 및 3) 집속 렌즈의 움직임(가능한 경우) 중 하나 이상에 의해 작동될 수 있다. 하나 이상의 빔 스티어링 컴포넌트 또는 스티어링 미러는 수동으로 및/또는 압전 액추에이터들과 같은 액추에이터들을 통해 전기적으로 조정될 수 있는 운동학적 미러 마운트들(kinematic mirror mounts)에 의해 유지될 수 있다. 미러들은 예를 들면, 그 후면들의 일부를 미러 마운트들에 직접 부착하거나 고정 나사를 사용하는 것과 같은 임의의 적절한 고정 구성에 의해 고정될 수 있다. 가스 셀은 하나 이상의 (예를 들면, 압전) 스테이지를 포함하는 스테이지 모듈에 장착될 수 있다. 스테이지 모듈은 복수의 자유도, 예를 들면 6자유도로 움직임을 제공할 수 있다. 추가적으로 또는 대체로서, HC-PCF에 대한 펌프 레이저 빔의 정렬은 하나 이상의 추가 광학 컴포넌트를 (예를 들면, 빔 전달 시스템의 일부로서 혹은 달리) 펌프 레이저 빔의 빔 경로에 삽입함으로써도 달성될 수 있다. 이러한 광학 컴포넌트들은, 예를 들면 입력 펌프 레이저 빔의 원하는 움직임(각도 및/또는 측방향)을 발생시킬 수 있는 2개 이상의 (회전 가능한) 광학 웨지 또는 임의의 다른 광학 컴포넌트를 포함할 수 있다. 이들 정렬 전략 및 방법 중 어느 하나 이상이 본 명세서에 기재된 방법들의 펌프 결합 최적화에 사용될 수 있다.
펌프 레이저 빔과 섬유 코어 사이의 양호한 모드 매칭을 달성하기 위해, 펌프 레이저 빔은 섬유로 들어가기 전에 광학 소자(예를 들면, 렌즈)에 의해 집속될 수 있는데, 렌즈 특성들은 집속된 펌프 레이저 빔의 발산 및 직경이 섬유 코어의 개구수(NA) 및 모드 필드 직경과 잘 매칭되도록 이루어진다. 집속된 펌프 레이저 빔의 특성들은 입력 펌프 레이저 빔이 고정될 때 렌즈에 의해 결정되기 때문에, 상이한 HC-PCF는 상이한 섬유 특성들을 가질 수 있으며 그에 따라 최적의 모드 매칭을 위해서는 상이한 집속 렌즈가 필요할 수 있다. 유사하게, HC-PCF의 특성들이 고정될 때, 예를 들면 상이한 빔 직경 또는 빔 발산을 갖는 상이한 펌프 레이저 빔은 집속된 빔 직경을 동일하게 유지하기 위해 상이한 집속 렌즈를 필요로 할 수 있다.
HOM들의 존재는 모드 품질뿐만 아니라 광대역 출력의 강도 안정성도 저하시킨다. 전체 출력 스펙트럼에 걸친 모드 순도의 비일관성은 파장에 종속적인 출력 성능을 초래하는데, 이러한 광대역 광원이 앞서 언급된 계측 툴들 중 어느 하나에 사용되는 경우 계측 데이터의 신뢰성과 재현성에 악영향을 미치게 된다. 전형적으로, 하나 이상의 펌프 결합 상태가 최적화되지 않을 때 HOM이 트리거된다. 광대역 광원의 모드 순도가 전체 출력 스펙트럼 범위에 걸쳐 완전히 최적화된 일부 상황에서, 일정량의 런타임 후에 HOM은 여전히 출력에 나타날 수 있다. 작동 중 HOM들의 출현은 예를 들면, 열 및/또는 진동 드리프트들에 의해 유발된 펌프 결합 상태들의 저하에 의해 초래된다.
도 8의 광대역 광원의 예시적인 셋업을 다시 참조하면, 소량의 입사 펌프 레이저 빔이 스티어링 미러와 같은 빔 스티어링 컴포넌트의 반사면을 통해 누출되어 컴포넌트 장착 메커니즘에 입사할 수 있다. 이 펌프 누출은 장착 메커니즘을 가열하여 그 상태를 변화시킬 수 있다. 예를 들어, 이 가열은 컴포넌트를 장착 메커니즘에 접착하는 데 사용되는 접착제를 연화시킬 수 있으며, 그래서 컴포넌트의 약간의 오정렬 및 그에 따라 HC-PCF에 대한 펌프 레이저 빔의 약간의 오정렬을 초래할 수 있다. HC-PCF 기반의 광대역 광원들은 정렬에 민감하기 때문에, HC-PCF에 대한 펌프 레이저 빔의 오정렬은 섬유 코어에의 펌프 레이저 빔의 결합 상태를 크게 저하시킬 수 있으며, 그래서 HOM들의 생성 및/또는 광대역 출력의 모드 순도의 저하를 초래할 수 있다. 펌프 레이저 빔의 오정렬 및/또는 정렬의 변화는 주변 온도 변동 또는 외부 진동과 같은 다른 요인들에 의해서도 유발될 수 있다. 유사한 방식으로, HC-PCF의 열 및/또는 진동 드리프트들도 HOM들의 출현 및/또는 광대역 출력의 모드 순도의 저하를 초래한다.
따라서, 광대역 광원의 작동 중에 광대역 출력, 특히 LP01 모드를 최적화 및/또는 안정화하고자 하는 강한 열망이 있다. 따라서, PCF 기반의 광대역 광원들과 관련된 전술한 모드 순도 문제를 다루기 위해 모드 제어 방법 및 장치가 제안된다.
도 9는 실시예에 따른 제안된 모드 제어 시스템의 작동 절차를 도시한다. 단계 910에서, 광대역 출력 빔의 하나 이상의 파라미터가 측정된다. 이러한 하나 이상의 빔 파라미터(즉, 광대역 출력 빔의 파라미터들)는 기본 모드 순도에 대한 출력 성능을 나타낸다. 단계 920에서 측정된 데이터가 처리된다. 단계 930에서, 처리된 데이터는 사전 정의된 기준 세트에 따라 평가된다. 단계 910 내지 930의 상세한 내용은 모니터링되는 빔 파라미터(들) 및/또는 하드웨어 셋업에 크게 의존하며, 이들 단계의 보다 상세한 예들은 아래에서 설명될 것이다. 이러한 평가의 결과에 따라, 단계 940에서 제어 신호가 발생되게 된다. 단계 950에서, 제어 신호는 광대역 광원의 하나 이상의 컴포넌트를 제어하는 데 사용된다. 광대역 광원의 이러한 컴포넌트들의 제어는 기본 가로 모드(LP01)의 측면에서 모드 순도가 최대화되도록 펌프 결합 상태들을 최적화한다.
펌프 결합 상태들의 최적화는 다양한 방법으로 달성될 수 있다. PCF에의 펌프 레이저의 결합을 개선하는 어떠한 방법이라도 사용될 수 있으며, (예를 들면, 빔 스티어링 컴포넌트들을 통해 혹은 달리) PCF에 대해 펌프 빔을 이동시킴으로써, 펌프 빔에 대해 PCF를 이동시킴으로써, 또는 양자 모두를 조합하여 이동시킴으로써; 또는 대체로서 또는 추가적으로, 집속 컴포넌트와 같은 임의의 개재 광학 컴포넌트들의 위치 또는 구성을 변경함으로써 달성될 수 있다. 이는 모드 순도가 최적화되는 것을 보장하기 위해 기준 빔(및 그에 따라 출력 빔)을 모니터링하면서 수행될 수 있다. 그래서, 본 방법은 광대역 출력의 가로 모드의 변화가 지속적으로 모니터링되고 최적화될 수 있도록 폐루프 동작으로 구현될 수 있다. 모니터링되는 빔 파라미터의 유형에 따라, 상이한 검출 메커니즘들이 사용될 수 있는데, 이들 각각은 하나 이상의 상이한 측정 디바이스 또는 컴포넌트를 필요로 할 수 있다.
도 10은 광원의 기본 가로 모드(LP01)의 최적화 및 안정화를 위한, 본 발명의 제1 실시예에 따른, 모드 제어 시스템(1000)이 장착된 광대역 광원을 개략적으로 도시한다. 이 실시예에서, 광대역 광원은 도 8에 도시된 예시적인 광원(800)과 본질적으로 유사하다. 간결화를 위해, 동등한 컴포넌트들 및 피처들은 개별적으로 설명되는 대신에 나머지 도면들에서 유사한 참조 번호들이 제공될 수 있다(예를 들면, 도 8의 라벨 811, 도 10의 1011, 도 11의 1111 등은 모두 펌프 레이저 빔을 기술한다).
도 10에 도시된 바와 같이, 주 광대역 출력 빔(1080)의 일부는 (선택적으로 검출 유닛(1050) 내에 포함될 수 있는) 빔 스플리터(1051)의 전면에 의해 반사되어 기준 빔(1081)으로 사용된다. 기준 빔(1081)과 주 광대역 출력 빔(1080)이 동일한 빔 특성들을 공유하는 것으로 간주되도록 빔 스플리터(1051)는 기준 빔에 공간적 및 스펙트럼적 왜곡을 초래하지 않아야 한다는 점에 유의하자. 기준 빔(1081)은 광대역 광원의 기본 가로 모드(LP01)의 최적화 및 안정화를 위해 모드 제어 시스템(1000)에 의해 사용된다. 모드 제어 시스템(1000)은 검출 유닛(1050), 처리 유닛(1060), 및 제어 유닛(1070)을 포함한다. 검출 유닛(1050)은 광대역 출력의 하나 이상의 파라미터를 측정한다. 얻어진 측정 데이터는 다음으로 데이터 처리 및 평가를 위해 처리 유닛(1060)으로 송신된다. 상기 평가의 결과에 기초하여, 제어 신호가 생성되며 그에 따라 하나 이상의 빔 제어 시스템 컴포넌트를 제어하기 위해 제어 유닛(1070)에 의해 사용된다. 이러한 빔 제어 시스템 컴포넌트들은 예를 들면, 하나 이상의 빔 전달 또는 빔 스티어링 컴포넌트(예를 들면, 스티어링 미러들(1020, 1021) 또는 이를 위한 액추에이터들), 가스 셀(1040)을 이동시키는 액추에이터 또는 스테이지, (옵션인) 집속 렌즈(1030)를 이동시키는 액추에이터, 및/또는 절대 편광각을 변경하는 회전 편광기와 같은 액추에이터(예를 들면, HC-PCF가 편광을 유지하고, 광의 편광의 특정 절대 배향이 요구되는 경우)를 포함할 수 있다. 데이터 측정 및 평가는 지속적이거나 주기적인 방식으로 수행될 수 있다.
제1 실시예에서, 검출 유닛은 대역통과 필터(1052), 및 파워 측정 디바이스(1053)가 필터의 통과대역의 스펙트럼 범위에서 광대역 출력의 파워를 측정하도록 배치된 파워 측정 디바이스(1053)(예를 들면, 파워 미터)와 같은 조명 측정 디바이스를 포함한다. 선택적으로, 대역통과 필터(1052) 구성은 가변 통과대역 구성을 가질 수 있다. 이와 같이, 복수의 스펙트럼 범위에서 측정된 복수의 파워 값들이 획득될 수 있는데, 각 파워 값은 각 대역통과 필터의 각 스펙트럼 범위에 대응한다. 이는 특정 스펙트럼 범위에서의 파워 측정(도 9의 방법의 단계 910에 대응함)이 완료되면, 상이한 대역통과 필터를 작동시키도록 필터 휠이 회전될 수 있도록 대역통과 필터(1052)를 하나 이상의 상이한 대역통과 필터와 함께 필터 휠에 장착함으로써 달성될 수 있다. 예를 들면, 가동 고역통과 및 가동 저역통과 연속 가변 필터를 직렬로 제공하는 것을 포함하여, 가변 대역통과 특성들을 획득하는 다른 구성들도 구상될 수 있다.
파워 측정 디바이스(1053)로부터의 측정된 파워 값들 및 측정에 사용된 대역통과 필터(들)의 스펙트럼 정보는 다음으로 파워 스펙트럼 밀도(power spectral density: PSD) 또는 에너지 스펙트럼 밀도 값들과 같은, 하나 이상의 스펙트럼 파라미터 값을 계산하기 위해 처리 유닛(1060)에 송신될 수 있다(이는 도 9의 방법의 단계 920에 대응한다). 계산된 PSD 값들은 이어서 특정 기준 세트에 따라 처리 유닛(1060)에서 평가된다(이는 도 9의 방법의 단계 930에 대응한다). 처리 유닛(1060)은 측정된 데이터를 처리하고 이어서 처리된 데이터에 대해 평가를 수행하도록 구성된 프로세서를 포함할 수 있다. 대체로서 또는 추가적으로, 평가는 측정된 파워 값들에 대해 직접 수행될 수도 있다.
데이터 평가 중에, 계산된 PSD 값들은 대응하는 스펙트럼 범위들에서 기준 PSD 값들과 비교될 수 있으며, 비교에 기초하여 편차 값 세트가 생성되는데; 여기서 편차 값은 기준 PSD 값에 대한 계산된 PSD 값의 편차의 정도의 척도를 포함한다. 기준 PSD 값들은 최적의 출력을 나타내는 광대역 출력 빔의 모드 순도에 대응할 수 있다. 광대역 광원의 펌프 결합 상태들이 허용 가능한지 여부를 결정하기 위해 편차 값 세트는 대응하는 스펙트럼 범위들에 대해 사전 정의된 편차 역치 세트에 대해 평가될 수 있다. 사전 정의된 편차 역치들은 예를 들면, 기준 PSD 값들의 5 % 내지 25 %(예를 들면, 기준 PSD 값들의 5 %, 10 %, 15 %, 또는 20 %)의 범위 내의 백분율로 설정될 수 있다. 편차 값들이 광대역 출력의 모드 순도가 비최적(sub-optimal)이 되도록 허용할 수 없는 펌프 결합 상태들을 나타내는 경우, 그에 따라 제어 신호가 생성 및/또는 변경된다(이는 도 9의 방법의 단계 940에 대응한다). 제어 신호에 기초하여, 제어 유닛(1070)은 펌프 결합 상태들을 개선/최적화하고 광대역 출력의 모드 순도를 최대화하도록 하나 이상의 컴포넌트에 명령하게 된다(이는 도 9의 방법의 단계 950에 대응한다).
펌프 결합 상태들의 최적화를 위한 몇 가지 구체적이며 순전히 예시적인 방법이 이제 설명될 것인데, 여기서 제어 유닛(1070)(또는 처리 유닛(1060))은 2개의 빔 스티어링 컴포넌트(예를 들면, 스티어링 미러들(1020, 1121))에 수평 및 수직 방향 모두에서 증분식으로 스캐닝하도록 명령할 수 있다. 수평 방향은 광학 테이블 평면에 평행하도록 정의되고 수직 방향은 테이블 평면에 수직이 되도록 정의된다. 이 스캐닝 구현은 본 명세서에 기재된 모든 실시예에 적용 가능하지만, 모니터링되는 빔 파라미터(들)는 (분명해지듯이) 나중의 실시예들에서는 상이할 수 있다.
제1의 이러한 특정 스캐닝 구현에서, 이 스캐닝은 사행(meandering) 또는 지그재그 경로로 상기 미러들 중 제1 미러(예를 들면, 미러(1020))를 스캔함으로써 수행될 수 있는데: 제1 미러는 예를 들면, 다음의 시퀀스의 반복을 스캔하도록 명령받을 수 있다: x 방향으로 원하는 범위의 제1 증분적 스캔, 및 y 방향으로 원하는 범위를 커버하도록 반복되는, y 방향으로의 단일 이동. 제1 미러(1020)가 스캔하고 있는 동안, 제2 미러(1021)는 그 원래의 위치에서 유지된다. 각각의 증분적 이동 후에, 측정, 예를 들면 파워 측정이 행해진다. 이러한 방식으로, 사전 정의된 영역에서 파워 맵 및/또는 계산된 PSD 맵이 생성된다. 맵(들)에 기초하여, 제1 미러의 위치가 최적화되고, 제2 미러, 예를 들면, 1021이 동일한 방식으로 스캔을 시작한다. 미러 스캐닝의 종료 시에, 제2 미러의 위치도 최적화된다.
위에서 언급된 스캐닝 루틴에서, 두 미러는 디커플링된다. 하나의 미러가 스캔하고 있을 때, 다른 하나의 미러는 최적의 위치에 유지된다고 가정한다. 이러한 구성은 따라서 두 미러 모두가 그 각각의 최적 위치로부터 드리프트되었을 때에는 이상적이지 않다. 그래서, 제2 스캐닝 구현에서는, 2개 이상의 빔 스티어링 컴포넌트(예를 들면, 미러들(1020, 1021))의 공동 최적화가 수행될 수 있다. 이 특정 구현은 x 방향으로 사전 정의된 범위에서 증분적 이동을 하는 제1 미러, 예를 들면 미러(1020), 및 뒤이어지는 x 방향의 원하는 범위 및 y 방향의 원하는 범위에 의해 결정되는 전체 영역을 스캔하는 제2 미러, 예를 들면 미러(1021)를 포함할 수 있다. 제2 미러에 의한 영역 스캔이 완료되면, 제1 미러는 같은 방향으로 다른 증분적 이동을 행하고, 제2 미러는 다른 영역 스캔을 수행한다. 이는 제1 미러가, y 방향으로 증분적으로 이동하고 x 방향으로 다른 증분적 스캔을 수행할 때, x 방향으로 원하는 범위의 종점에 이를 때까지 반복된다. 제1 미러가 x 및 y 방향으로 사전 정의된 범위들에 의해 결정된 전체 영역을 스캔하면 전체 미러 스캐닝 프로세스가 완료된다. 그래서, 파워 맵 및/또는 계산된 PSD 맵이 제1 미러의 각 위치에 대해 제2 미러에 의해 생성되게 되며, 그래서 이렇게 결정된 최적의 미러 위치들은 보다 정확할 것이다.
대체로서, 또는 하나 이상의 빔 스티어링 컴포넌트를 제어(예를 들면, 스캐닝)하는 것에 더해, 가스 셀(1040)의 위치를 제어(예를 들면, 증분적으로 스캐닝)함으로써 광대역 광원의 출력 모드 순도의 추가 최적화가 달성될 수 있다. 가스 셀의 이동은 스테이지 모듈에 의해 가능하게 될 수 있으며 하나 이상의 방향으로의 측방향 및/또는 각도 이동을 포함할 수 있다. 또한, 실시예에서, 집속 렌즈(1030)는 렌즈가 하나 이상의 자유도에 따라 이동할 수 있게 하는 피에조 스테이지 또는 스테이지 모듈에 장착될 수 있다. 이러한 렌즈 이동은 광대역 출력(1080)의 모드 순도를 더욱 최적화할 수 있다.
다른 실시예에서는, 방사선을 수신하고 변경하기 위한 광학 소자, 변경된 방사선을 수신하기 위한 수신 요소, 및 수신 요소를 둘러싸는 가스 환경을 포함하는 어셈블리가 제공되는데, 어셈블리는 가스 환경의 특성에 따라 수신된 방사선의 변경을 조정하거나 광학 소자와 수신 요소 사이의 거리를 조정함으로써 광학 소자와 수신 요소 사이의 매칭 상태를 안정화하도록 구성된 제어 요소를 더 포함한다.
예에서 광학 소자는 집속 렌즈(1030)일 수 있고, 수신 요소는 비선형 결정 또는 중공 코어 섬유 HC-PCF(1041)와 같은 비선형 광학 소자일 수 있다. 방사선은 (단색) 펌프 레이저에 의해 생성되고, 광학 소자(1030)에 의해 집속(변경)되며, 가스 셀(1040) 내에 봉입된 수신 요소(1041)에 의해 수신될 수 있다. 가스 셀(1040)은 압력, 온도, 및/또는 가스 조성과 같은 가스 환경의 특정 특성들의 조정을 가능하게 하도록 구성될 수 있다. 전형적으로, 가스 환경의 조정은 예를 들면, 광대역 광의 파장 스펙트럼을 조정하기 위해 광대역 광을 생성하는 비선형 광학 프로세스의 원하는 응답을 획득하는 것을 목표로 한다. 하지만, 상기 특성들(전형적으로는 가스 환경의 온도와 압력)의 변화는 HC-PCF(1041)에의 방사선의 결합의 효율과 관련된 초점 매칭 상태와 같은, 광학 소자(1030)와 수신 요소(1041) 사이의 매칭 상태에 직접적인 영향을 미칠 수 있다. 가스 환경의 특성들이 압력과 온도 변동인 경우, 기본적인 물리적 원리들은 초점 매칭 상태의 대응하는 변동을 추정할 수 있게 한다. 가스의 굴절률 'n'은 수학식 1에 따라 가스의 압력 P와 온도 T에 종속적이다:
P0 및 T0은 기준 압력 및 온도 값들이고, C1, C2, B1, B2는 가스의 셀마이어 계수들이며, λ는 펌프 레이저 광의 파장이다.
상기 굴절률의 변화로 인한 섬유(1041)의 입구에 대한 펌프 레이저 광의 초점 위치의 변동은 어셈블리의 기본적인 광학 분석(특히 광학 소자의 파워 및 광학 소자와 수신 요소 사이의 거리)에 의해 결정될 수 있다. 예를 들어, 크세논 가스 충전재의 15 bar에서 17 bar로의 압력 변화는 1 um 파장의 펌프 레이저 소스의 경우에 약 0.0015의 굴절률의 증가를 초래하게 된다. 전형적인 어셈블리 설계에 대한 간단한 광학 모델을 이용하면, 이는 20 내지 30 um의 초점 쉬프트를 초래한다는 것이 결정될 수 있다.
언급한 바와 같이, 압력 및/또는 온도 변동에 의해 유발된 초점 변동은 섬유(1041)에의 펌프 레이저 광의 결합 효율에 유해할 수 있다. 이는 섬유(1041) 내에서 생성되는 광대역 광의 파워의 저감으로 이어질 수 있다. 그래서, 예를 들면 가스 환경의 특성들의 이용 가능한 정보에 기초하여 초점 제어를 제공하는, 액추에이터와 같은, 제어 요소의 통합에 의해 초점 제어 수단을 제공하는 것이 바람직하다.
광학 소자(1030) 및/또는 가스 셀(1040)은 수신 요소 HC-PCF(1041)의 입구에 대해 펌프 레이저 광의 가변 집속을 가능하게 하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 집속 렌즈(1030) 및/또는 가스 셀(1040)은 수신 요소 HC-PCF(1041)의 광축(길이방향)을 따라 일정 범위 내에서 제어 요소에 의해 이동 가능할 수 있다. 혹은, 집속 렌즈는 제어 요소에 의해 서로에 대해 이동 가능할 수 있는, 가변 광 파워를 갖는 광학면(렌즈)(예를 들면, 렌즈/광학면은 제어 요소에 의해 변형 가능함) 또는 렌즈(요소들)를 포함할 수 있다.
감지 수단에 의해 가스의 압력 및/또는 온도를 주기적으로 측정하고, 가스의 대응하는 굴절률의 변화를 결정하며, 이어서 상기 굴절률의 변화로 인한 수신 요소(1041)의 입구에 대한 펌프 레이저 광의 초점 위치의 변동을 결정하는 것이 또한 제안된다.
실시예에서, 어셈블리는 압력 및/또는 온도 측정값들을 입력으로 사용하고 집속 렌즈(1030) 및/또는 가스 셀(1040)에 결합된 하나 이상의 제어 요소(액추에이터)에 대한 제어 신호에 대응하는 값을 출력하는 초점 제어 시스템을 포함한다. 제어 신호는 섬유(1041)의 입구에 대한 펌프 레이저 광의 결정된 초점 위치의 변동을 적어도 부분적으로 보상하는 초점 위치 변경을 제공하도록 구성될 수 있다. 하나 이상의 액추에이터는 집속 렌즈(1030) 및/또는 가스 셀(1040)을 광축을 따라 이동시킬 수 있다. 하나 이상의 액추에이터는 집속 렌즈(1030) 내에 포함된 렌즈(요소들)를 초점 위치 변경을 일으키도록 위치시킬 수 있다. 하나 이상의 액추에이터는 집속 렌즈(1030) 내에 포함된 광학면 또는 렌즈(요소)를 초점 위치 변경을 일으키도록 변형시킬 수 있다. 혹은, 하나 이상의 액추에이터는 가스 셀의 상류의 광 경로에 위치된 추가 광학 소자(도시되지 않음)의 위치 및/또는 광 파워를 초점 위치 변경을 일으키도록 제어할 수 있다.
초점 제어 시스템은 상기 압력 및/또는 온도 측정값들, 압력 및/또는 온도의 기준값, 펌프 레이저 광의 파장 및 가스의 조성, 및/또는 가스에 대응하는 셀마이어 계수들을 기초로, 가스의 굴절률의 변화를 결정하는 기능을 포함할 수 있다.
초점 제어 시스템은 가스의 결정된 굴절률의 변동 및 펌프 레이저 광을 섬유(1041)에 결합하는 데 사용되는 광학 소자들의 특성들 및 위치들에 대한 지식을 기초로, 섬유(1041)의 입구에 대한 펌프 레이저 광의 초점 위치의 변동을 결정하는 기능을 포함할 수 있다.
본 명세서에 기재된 초점 제어 시스템은 가스의 다양한 상태들(예를 들면, 온도, 압력, 가스 조성)에 응답하여 자동 초점 조정을 가능케 하여, 섬유(1041)에의 펌프 레이저 광의 효율적인 결합을 보장한다. 그래서, 초점 제어 시스템은 섬유(1041)에 의해 전달되는 광대역 광의 파워의 안정화를 증가시킨다.
혹은, 광대역 광의 파워는 섬유(1041)의 출력에서 주기적으로 측정되어, 하나 이상의 액추에이터에 대한 제어 신호를 제공하기 위해 압력 및/또는 온도 측정 판독값 대신에 또는 이에 부가적으로 사용된다. 혹은, 섬유의 출력 및 섬유의 입구에서의 파워 사이의 비(ratio)가 결정된다. 결정된 비는 하나 이상의 액추에이터에 대한 제어 신호를 제공하는 데 사용될 수 있다.
도 11은 제2 실시예를 도시한다. 이 실시예에서, 검출 유닛은 (예를 들면) 핀홀 또는 단일 모드 섬유를 포함할 수 있는 공간 필터(1152), 및 파워 측정 디바이스(1153)를 포함한다. 제1 실시예와 유사하게, 기준 빔(1181)이 빔 스플리터(1151)에 의해 광대역 출력 빔 쪽으로 지향된다. 기본 가로 모드만이 측정 및 모니터링되도록 공간 필터(1152)는 광대역 출력의 HOM 콘텐츠를 제거하도록 구성된다. 기본 가로 모드와 HOM들은 상이한 발산각들과 모드 필드 직경들을 갖기 때문에, 출력 빔의 기본 모드만이 단일 모드 섬유에 효율적으로 결합될 수 있고, HOM들은 단일 모드 섬유에 결합되지 않거나 파워 측정을 위한 파워 미터로 안내되지 않는다. 유사한 방식으로, 신중하게 선택된 크기를 갖는 핀홀은 기본 가로 모드만이 전송될 수 있게 하며 그래서 출력 빔의 HOM들을 효과적으로 제거한다.
공간적으로 필터링된 후, 기본 가로 모드(LP01)의 파워는 검출 유닛의 공간 필터 뒤에 배치된 파워 측정 디바이스(1153)에 의해 측정된다. 하나 이상의 추가 대역통과 필터(도시되지 않음) 또는 다른 필터 구성이 파워 측정을 위한 하나 이상의 원하는 스펙트럼 범위를 선택하기 위해 사용될 수 있다. 하나 이상의 펌프 결합 상태가 최적이 아닐 때, 기본 가로 모드의 출력 파워는 강하하기 시작한다. 기본 모드의 파워가 사전 정의된 파워 역치 아래로 떨어지자 마자, 제어 신호가 생성되고 및/또는 변동되어 제어 유닛(1170)으로 송신된다. 제어 유닛(1170)은 기본 가로 모드의 출력 파워가 개선된 출력 모드 순도를 나타내는 (역치보다 위로) 충분히 증가하도록 펌프 결합 상태들을 최적화하기 위해 (예를 들면, 전술한 바와 같이) 최적화 루틴을 기동하게 된다.
파워 강하는 부분적으로 시준 렌즈(1131) 및/또는 도 11에 도시된 광학 빔 스플리터(1151)와 같은 다른 하류의 광학 컴포넌트들의 열 및/또는 진동 드리프트들에 의해 야기될 수 있다는 것에 유의해야 한다. 따라서, 시준된 출력 빔(1180)과 기준 빔(1181)의 위치를 연속적으로 또는 단속적으로 모니터링하기 위한 검출 유닛(1150) 내의 하나 이상의 빔 정렬 측정 디바이스(도시되지 않음). 시준된 출력 빔(1180) 및/또는 기준 빔(1181)의 위치가 드리프트된 것으로 확인되면, 공간 필터(1152)의 위치는 드리프트를 보상하기 위해 그에 따라 최적화될 수 있다.
제3 실시예에 따르면, 도 12에 도시된 바와 같이, 검출 유닛(1250)은 직경/반경, 타원율, 중심 위치 등 중 하나 이상과 같은 입사 기준 빔(1281)의 다양한(예를 들면, 파 필드(far-field)) 형상/크기 파라미터들을 측정하는 빔 형상 측정 디바이스(1253)(보다 일반적으로는, 빔 형상 및/또는 크기 측정 디바이스)를 포함한다. 빔 형상 측정 디바이스(1253)는, 예를 들면 스캐닝 슬릿 빔 프로파일러 또는 CCD 카메라일 수 있다. 하나 이상의 추가 대역통과 필터가 빔 프로파일 측정을 위한 하나 이상의 원하는 스펙트럼 범위를 선택하는 데 사용될 수 있다. HC-PCF(1241)의 기본 가로 모드는 가우스 또는 근가우스 필드 분포(Gaussian or near Gaussian field distribution)를 가지며 HOM들은 비가우스 필드 분포(non-Gaussian field distributions)를 가지므로, 타원율 및 빔 직경과 같은 빔 형상 파라미터들이 기본 모드 순도를 평가하는 데 (개별적으로 또는 조합하여) 사용될 수 있다. 측정되면, 빔 형상 파라미터들은 데이터 처리 및 평가를 위해 처리 유닛(1260)으로 송신된다. 측정된 빔 타원율이 사전 정의된 타원율 역치보다 큰 것으로 평가되면, 광대역 출력 빔(1280)의 모드 순도는 최적이 아닌 것으로 확인된다. 타원율 역치는 예를 들면, 1.04 내지 1.20의 범위의 값으로 설정될 수 있다. 대체로서 또는 추가적으로, 평가는 측정된 빔 직경을 HC-PCF(1241) 및 시준 렌즈(1231)의 관련 파라미터들을 사용하여 계산된 시준된 가우스 빔의 기준 값과 비교하는 것을 포함할 수 있다. 측정된 빔 직경과 기준 빔 직경 사이의 차가 특정 역치보다 큰 경우, 광대역 출력 빔(1280)의 모드 순도는 최적이 아닌 것으로 확인된다. 실시예에서는, 크기와 타원율 양자 모두가 측정되어 각각의 역치에 대해 평가되는데, 그 이유는 이들 파라미터 중 하나가 단독으로 모드 순도를 항상 완전히 나타내는 것은 아니기 때문이다. 대체로서 또는 추가적으로, 이러한 방법은 빔의 라게르-가우스 모드(Laguerre-Gaussian mode) 형상들을 모니터링하고 이들을 모드 순도(또는 기타)를 나타내는 라게르-가우스 다항식에 피팅할 수 있다. 대체로서 또는 추가적으로, 제르니케(Zernike) 다항식 형상들도 유사한 방식으로 모니터링되고 피팅될 수 있다. 비최적의 모드 순도가 확인되면, 제어 신호가 처리 유닛(1260)에 의해 생성 및/또는 변경되고 펌프 결합 최적화 루틴을 위해 제어 유닛(1270)으로 송신된다.
대체 실시예에서, 광학 렌즈(1252)는 HC-PCF(1241)의 단부 패싯을 빔 형상 측정 디바이스(1253)에 이미징하기 위해 검출 유닛 내에 포함될 수 있다. 출력 모드의 파 필드(far-field) 분포가 평가되는 전술한 제3 실시예와 비교하여, 이 예는 대신에 모드 평가를 위해 HC-PCF 출력의 니어 필드(near field) 분포를 사용한다. 유사하게, 니어 필드 분포의 타원율 및 직경이 이론적 및/또는 실험적 값들에 대해 평가된다. 실험적으로 도출된 실험적 값들이 어떤 경우에는 더 신뢰성이 있을 수 있다.
제4 실시예에 따르면, 도 13에 도시된 바와 같이, 검출 유닛(1350)은 스펙트럼 측정 구성; 구체적으로는: 멀티모드 섬유(1352), 및 광 스펙트럼 측정 디바이스(예를 들면, 광학 분광계 또는 광 스펙트럼 분석기)(1353)를 포함한다. 멀티모드 섬유(1352)의 일단부는 빔 경로에 배치되며 기준 빔(1381)의 적어도 일부를 수신하는 데 사용된다. 멀티모드 섬유의 타단부는 기준 빔(1381)의 스펙트럼 특성들을 분석하도록 구성된 광 스펙트럼 측정 디바이스(1353)에 광학적으로 연결된다. 섬유 패싯(fiber facet)의 손상 및/또는 광 스펙트럼 측정 디바이스의 포화를 회피하기 위해 기준 빔(1381)의 강도는 중성 밀도(neutral density: ND) 필터(도시되지 않음)에 의해 감쇠/제어될 수 있다. 상이한 실시예에서, 멀티모드 섬유(1352)는 필요하지 않을 수 있다. 기준 빔은 광 스펙트럼 측정 디바이스에 결합된 자유 공간일 수 있다.
측정된 스펙트럼 파라미터 값들(이 경우는 PSD 값들)이 대응하는 스펙트럼 범위들의 기준 값들과 비교되는 제1 실시예와 유사하게, 이 실시예에서는, 스펙트럼 파라미터 값들(예를 들면, 측정된 스펙트럼)이 광대역 출력 빔의 모드 순도가 최적인 것으로 알려질 때 획득될 수 있는 기준 스펙트럼과 비교될 수 있다. 측정된 스펙트럼과 기준 스펙트럼 사이의 차의 크기에 따라, 제어 신호가 발생되고 펌프 결합 최적화가 수행된다.
다른 실시예에서는, 도 14에 도시된 바와 같이, 섬유 클래딩을 통해 누출되는 방사선(1481)은 예를 들면, 멀티모드 섬유(1452)에 의해 수집된다. 이 방사선(1481)은 외측 코팅이 벗겨질 수 있는 HC-PCF(1441)의 섹션으로부터만, 예를 들면 HC-PCF(1441)의 단부 섹션에서 또는 그 근처에서(예를 들면, 출력 단부에서 또는 그 근처에서)만 수집될 수 있다. 수집된 누출 방사선(1481)은 다음으로 스펙트럼 측정을 위해 광 스펙트럼 측정 디바이스(1453)로 안내된다. HC-PCF의 고차 섬유 코어 모드들은 섬유를 따라 전파되므로 기본 LP01 코어 모드보다 더 높은 갇힘 손실(confinement loss)을 겪게 된다. 그래서, 모드 순도가 저하되거나 최적이 아닌 경우, 더 많은 파워가 클래딩 구조를 통해 누출되어, 측정된 스펙트럼의 진폭의 증가를 초래한다. 따라서, 측정된 스펙트럼의 진폭은 (예를 들면, 역치와의 비교에 의해) 광대역 출력의 모드 순도가 최적인지 아닌지 여부를 평가하는 데 사용될 수 있다. 모드 순도가 최적이 아닌 것으로 판명되면, 처리 유닛에 의해 제어 신호가 발생되게 되고, 제어 유닛에 의해 펌프 결합 최적화 루틴이 기동되게 된다.
파워 또는 에너지 메트릭 또는 빔 형상 메트릭을 기초로 결합을 개선하는 것에 기반한 실시예들에 더해, 편광 소광 및/또는 편광각과 같은, 방출된 방사선의 다른 파라미터들이 측정될 수 있다. 이들 후자의 파라미터는 빔 또는 섬유의 클래딩으로부터 방출되는 광으로부터 직접 측정될 수 없으며, 빔 또는 빔 스플리터의 2차 축으로부터 나오는 광으로부터 부분적으로만 측정 가능하다는 점에 유의하자.
위의 펌프 결합 최적화 방법들은 주로 HC-PCF에 대한 펌프 레이저 빔의 정렬의 세밀 정렬 양태들과 관련된다. 주로 대강 정렬(coarse alignment)에 대한 개선이 이제 설명된다. 위의 펌프 결합 최적화 방법과 이하에서 논의되는 개선의 해 공간(solution spaces)은 중첩될 수 있다는 것에 유의해야 한다. 예를 들면, 위에서 논의된 펌프 결합 최적화 방법도 대강 정렬에 대한 이점들을 가질 수 있고, 이하에서 논의되는 개선도 모종의 세밀 정렬을 제공할 수 있다. 제안된 방법들과 장치들은 HC-PCF 클래딩, 보다 구체적으로는 HC-PCF를 방사상으로 빠져나가는 광을 모니터링하기 위해 하나 이상의 적절한 검출기(예를 들면, 포토다이오드 및/또는 광 파워 미터)를 사용할 수 있다. 이 실시예의 개념들은 도 14와 관련하여 설명된 세밀 정렬(모드 순도 평가)에 대한 개념들과 유사하다. 전술한 실시예 중 임의의 것의 방법들이 위에 개시된 실시예들 중 임의의 것과 독립적으로 또는 조합하여 사용될 수 있으며, 후자의 경우에 전술한 실시예 중 임의의 것이 초기의 대강 정렬에 사용되고, 이전 실시예들 중 임의의 것이 세밀 정렬에 후속적으로(즉, 대강 정렬될 때) 사용되도록 되는 것이 이해될 수 있다. 논의된 대강 정렬은 고체 물질의 코어 주위에 클래딩 영역을 갖는 광결정 섬유의 고체 코어에 대해 광의 빔이 정렬되어야 하는 방식에도 사용될 수 있다는 점에 유의하자.
도 15(a)는 이러한 실시예에 따른 대강 정렬 구성(CA)을 개략적으로 묘사한다. 대강 정렬 구성(CA)은 광빔(LB)을 HC-PCF의 입력면(INS)에 집속시키기 위한 광학 소자, 이 예에서는 정렌즈(positive lens)(POL)를 포함한다. 도 7의 예들에서와 같이, HC-PCF는 (중공) 섬유 코어(FCO)와 섬유 코어(FCO)를 둘러싸는 내측 클래딩 도파관 구조(섬유 클래딩(CLA))를 갖는다. 입력면(INS)은 HC-PCF의 일단부를 경계지으며, 광빔(LB)의 적어도 일부를 섬유 코어(FCO)에 결합하기 위해 광빔(LB)을 수신하도록 구성된다.
광학 소자는 임의의 유형의 광학 소자일 수 있으며 반드시 정렌즈(POL)로 한정되지 않는다는 것에 유의해야 한다. 예를 들어, 광학 소자는 축외 포물면 미러(off-axis parabolic mirror)일 수 있다. 대강 정렬 구성(CA)은 HC-PCF의 섬유 클래딩(CLA)에 또는 그 근처에 배치된, 광센서(PHS)와 같은, 검출기를 더 포함한다. 광센서(PHS)는 여기서는 포토다이오드로 구현되지만, 광 또는 다른 전자 에너지의 임의의 다른 유형의 센서일 수 있다. 광센서(PHS)는 입력면(INS)에서 섬유 클래딩(CLA)에 결합된 광빔(LB)으로부터 광을 수신할 수 있도록 배치된다. 광센서(PHS)는 광센서에 의해 수신된 광의 양을 나타내는 신호(SI)를 출력하도록 또한 구성되며, 그래서 출력 신호(SI)는 섬유 클래딩(CLA)에 결합된 광의 양을 나타내게 된다. 그래서, 광센서는 광빔(LB)과 섬유 코어(FCO)의 오정렬로 인해 존재하는 섬유 클래딩(CLA)으로부터 산란되는 광을 측정한다. 선택적으로, 원치 않는 파장들/편광들을 필터링하기 위해 및/또는 (예를 들면, 다이오드의 동적 범위 내로) 광의 양을 줄이기 위해, 광센서(PHS) 전에 광학 필터가 있을 수 있다.
도 15(b)는 광학 소자(POL)를 생략하고 HC-PCF의 자유단에 초점을 맞춤으로써 도 15(a)의 대강 정렬 구성(CA)을 보다 상세히 묘사하는데, 여기서는 입력면(INS)이 광빔(LB)을 수신한다. 도 15(b)에서는, 광빔(LB)이 섬유 코어(FCO)와 완전히 정렬되지는 않으며 그래서 광빔(LB)의 일부는 섬유 코어(FCO)에 결합되고 광빔(LB)의 다른 부분은 섬유 클래딩(CLA)에 결합된다는 것을 확실히 알 수 있다.
종래 기술의 시스템들에서는, 광빔(LB)과 섬유 코어(FCO) 사이의 오정렬의 측정이 보통 섬유 탭핑(fiber tapping)에 의해 측정되는데, 여기서는 섬유 코어(FCO)에 결합되는 광의 양이 섬유 코어(FCO) 내부에 갇힌 광의 일 부분을 태핑하고 이 부분을 검출기 또는 센서로 지향시키기 위해 HC-PCF를 변경시킴으로써, 예를 들면 손상시킴으로써 측정된다. 하지만, 이는 투과 손실을 초래하며 스펙트럼 변화 및/또는 편광 소광비(polarization extinction ratio)의 변화를 유발할 수 있다.
이 실시예에서는, 섬유 코어에 결합된 광이 아니라 섬유 클래딩(CLA)에 결합된 광을 측정하는 것이 제안된다. 도 15(b)의 우측에는, 광빔(LB)이 HC-PCF의 좌측에 있는 상태로 입력면(INS)이 도시되어 있다. HC-PCF 아래에는 광빔(LB)이 HC-PCF의 좌측으로부터 HC-PCF의 우측으로 X 방향으로 이동될 때의 출력 신호(In)를 묘사하는 다이어그램이 도시되어 있으나, 여기서는 다른 자유도로 이동함으로써 유사한 다이어그램들이 얻어질 수 있다는 점에 유의하자. 광빔(LB)은 정렬 위치 AL1에 대응하여, 대부분 섬유 클래딩(CLA)의 외부에 입사하기 시작하는 것으로 도시되어 있다(광빔(LB), 섬유 코어(FCO), 및 섬유 클래딩(CLA)의 각 배치에 대한 구체적인 도해가 각 값 바로 아래에 도시되어 있다). 정렬 위치 Al2에서, 광빔(LB)은 대부분 섬유 클래딩(CLA)에 입사하며 그래서 출력 신호(In)의 값의 증가를 초래한다. 이어서 광빔(LB)은 섬유 코어(FCO)에 입사하게 되며 그래서 출력 신호(In)의 값의 감소를 초래하는데; 이는 최상의 정렬 위치 ALB에 대응한다. 마지막으로, 광빔(LB)은 섬유 클래딩(CLA)에 다시 입사하게 되며 그래서 정렬 위치 AL3에서 출력 신호(In)의 값의 증가를 초래한다. 그래서, 출력 신호(In)가 광빔(LB)이 섬유 클래딩(CLA)에 최대로 결합될 때의 제1 최대값(Inmax1)과 제2 최대값(Inmax2) 사이에서 최소값(Inmin)에 있을 때, 광빔(LB)과 섬유 코어(FCO) 사이의 최상의 정렬이 얻어진다.
여기서 최소값(Inmin)이 반드시 0 값일 필요는 없다는 점에 유의하자. 예를 들면, 실제에서는 항상 코어로부터 일정 수준의 광 산란이 있을 수 있으므로, 최소값(Inmin)으로 0이 아닌 값은 특히 대강 정렬 스테이지의 경우에 당연히 가능하며 또는 심지어는 가능성이 높을 수도 있다. 신호 Inmin은 시스템 및/또는 정렬 및/또는 섬유의 건전성을 모니터링하기 위해 광대역 광원의 작동 중에도 사용될 수 있다.
모든 스캔은 실제로 입력면(INS) 위에서의 2차원 스캔이 된다는 것도 이해해야 한다. 그래서, 모델은 도 15(c)에 도시된 바와 같은 3차원 모델이 되는데, 도 15(c)는 도 15(b)의 2차원 플롯과 유사한 3차원 모델, 및 그 3개의 상이한 오프셋 횡단면도를 도시한다(여기서 최대값은 모든 방향에서 동일한 것으로 도시되고 있으나, 도 15(b)에 도시된 바와 같이 그렇지 않을 수도 있다). 스캐닝 알고리즘은 따라서 X/Y 평면 상의 모든 방향의 최대값들 사이의 공통 최소값에 대응하는 위치를 찾는 것을 목표로 한다.
대강 정렬 전략은 이 최소값(Inmin)을 찾기 위해, HC-PCF의 입력 패싯에 대한 빔의 위치를 제어하는 컨트롤러에 대한 제어 신호 및 측정된 출력 신호에 기초하여 피드백 루프에서 작동할 수 있다. 이러한 방법은 입력 빔이 중공 HC-PCF의 입력에 대해 충분히 정렬되었는지를 자동으로 검색하는 검색 알고리즘을 사용할 수 있다. 이러한 방법은 (예를 들면, 환형 영역을 형성하는) 최대값들에 의해 경계지어진 영역을 찾기 위한 나선형 스캔 및, 이 영역 내에서 최소값을 찾는 것을 포함할 수 있다.
도 16은 추가의 대강 정렬 구성(CA)을 개략적으로 묘사한다. 도 16은 HC-PCF 및 HC-PCF 둘레에 배치된 광센서(PHS)(또는 다른 검출기)를 좌측에는 측면도로 및 우측에는 정면도로 각각 도시한다. HC-PCF는 다른 도면들에는 묘사되지만 여기서는 명시적으로는 도시되지 않은, 중공 섬유 코어 및 섬유 코어를 둘러싸는 섬유 클래딩을 포함한다. HC-PCF는 광빔의 적어도 일부를 섬유 코어에 결합하기 위해 광빔을 수신하도록 HC-PCF의 일단부에 구성된 입력면(INS)을 더 포함한다. 광센서(PHS)는 입력면(INS)에서 섬유 클래딩에 결합되는 광빔으로부터 광을 수신하도록 배치되는데, 광센서는 광센서에 의해 수신되는 광의 양을 나타내는 신호를 출력하도록 구성된다.
광센서(PHS)는 개개의 복수의 개별 영역에 들어오는 광의 양을 검출할 수 있는 복수의 개별 영역을 가질 수 있다. 복수의 개별 영역을 갖는 이러한 광센서(PHS)가 HC-PCF의 둘레에 배치되면, 특정 양의 광이 섬유 클래딩으로부터 출력되는 방향에 대한 정보가 획득될 수 있다. 이 방향 정보는 검출된 방향 정보에 의존하는 방향으로 광빔의 정렬을 조종하는데 사용될 수 있다.
도 16의 실시예에서, 광센서(PHS)는 입력면(INS) 근처에서 섬유 클래딩 상에 배치된다. 광센서(PHS)는 HC-PCF의 길이방향 축(LAF)을 중심으로 각도 α에 걸쳐 HC-PCF의 반경방향(RAD)으로 연장되는데, 이 경우 각도 α는 180도보다 크고, 심지어는 270도보다 크며, 거의 360도이다. 이러한 실시예는, 증가된 각도 α에 대해 보다 많은 광이 광센서(PHS)에 의해 수신되므로 신호 대 잡음비를 증가시키는 데 유리하게 사용될 수 있다.
도 17은 다른 대강 정렬 구성(CA)을 개략적으로 묘사한다. 도 17의 대강 정렬 구성은 도 16의 대강 정렬 구성과 유사하며, 두 실시예 사이의 주된 차이점을 설명하기 위해 여기서는 정면도만이 묘사되어 있다. 주된 차이점은 도 16의 실시예에서는, 대강 정렬 구성(CA)이 2개의 광센서, 즉 제1 광센서(PHS1) 및 제2 광센서(PHS2) - 각각은 동일한 기능을 가짐 - 를 포함한다는 것이다. 제1 및 제2 광센서(PHS1, PHS2)는 HC-PCF의 원주를 따라 반경방향(RAD)에서 볼 때 실질적으로 균등하게 분포되어 제공되는데, 각 광센서는 HC-PCF의 길이방향 축(LAF)을 중심으로 각각 각도 α 및 β에 걸쳐 HC-PCF의 반경방향(RAD)으로 연장되며, 이들 각도는 180도보다 작지만, 바람직하게는 90도보다 크다.
제1 광센서(PHS1)는 제1 출력 신호(In1)를 제공하고 제2 광센서(PHS2)는 제2 출력 신호(In2)를 제공한다. 신호들 In1 및 In2의 조합은 도 15와 도 16의 실시예의 광센서(PHS)의 출력 신호(In)와 유사한 방식으로 사용될 수 있다. 하지만, 이 구성의 이점은 두 신호 In1과 In2 모두를 수신하는 제어 유닛이 신호들 In1과 In2의 선형, 또는 가중화된, 차(difference)도 결정할 수 있다는 것이며, 이 차는 광빔을 섬유 코어와 정렬시키기 위해 광빔이 어느 방향으로 변위되거나 틸트될 필요가 있는지를 결정하는 데 사용될 수 있다.
도시되지는 않았으나, 실시예에서는, 3개 이상의 광센서가 제공되어 광 섬유의 원주를 따라 실질적으로 반경방향으로 균등하게 분포될 수 있다는 것이 구상될 수 있는데, 각 광센서는 광 섬유의 길이방향 축을 중심으로 360/n도 - 여기서 n은 광센서의 수량임 - 보다 작은 각도에 걸쳐, 예를 들어 3개의 광센서의 경우 120도보다 작은 각도로 광 섬유의 반경방향으로 연장된다.
도 17에 묘사된 구성의 변형예에서, 제2 광센서(PHS2)는 단일 광센서(PHS1)와 조합하여 사용되는 미러 요소로 대체될 수 있다. 미러 요소는 입력면에서 섬유 클래딩에 결합된 광을 광센서(PHS1) 쪽으로 반사한다. 그 결과, 그 신호 대 잡음비가 개선될 수 있다. 미러 요소는 반드시 섬유 상에 배치될 필요는 없으며, 대신에 섬유 둘레에 그 거리를 두고 배치될 수 있다. 미러 요소는, 모두가 섬유 클래딩에 결합된 광을 광센서(PHS1) 쪽으로 반사하도록 구성된 하나 이상의 다른 미러 요소를 또한 수반할 수 있다.
이 대강 정렬 구성의 이점은 예를 들면, 컴포넌트들의 교체 또는 드리프트로 인한, 오정렬 후에 광이 광 섬유의 코어에 결합될 수 있고, 이 결합은 시스템을 변경하거나 분리할 필요 없이 인라인으로 행해질 수 있다는 것이다.
도 18은 대강 정렬 구성에서 및/또는 본 명세서에 개시된 세밀 정렬 실시예들 중 임의의 것에서 입력면 상의 빔의 실제 제어에 사용 가능한 특정 빔 스티어링 구성 또는 광학 조작 유닛(OMU)을 갖는 광학계(OS)를 개략적으로 묘사한다.
광학계(OS)는 광원(LIS)과 광학 조작 유닛(OMU)을 포함한다. 광원(LIS)은 섬유 HC-PCF와 출력 커넥터(OC)를 사용하여 광학 조작 유닛(OMU)에 광빔(LB)을 제공하는데, 이 출력 커넥터(OC)는 광학 조작 유닛(OMU)에 시준된 광빔(LB)을 제공하기 위한 콜리메이터(collimator)를 포함할 수 있다. 광원(LIS)은 백색 광원 또는 초연속체 소스일 수 있다.
광학 조작 유닛(OMU)은 출력 커넥터(OC)를 수용하도록 구성된 입력 디바이스(ID)를 포함한다. 입력 디바이스(ID)와 출력 커넥터(OC)가 매우 개략적으로 묘사되어 있으나, 두 컴포넌트 모두는 출력 커넥터(OC)가 입력 디바이스(ID)에 해제 가능하지만 견고하게 연결될 수 있게 하는 피처들(features)을 포함할 수 있으며, 그래서 출력 커넥터(OC)를 교체할 수 있게 하거나 출력 커넥터(OC)를 분리하고 나서 출력 커넥터(OC)를 다시 연결할 수 있게 한다는 것을 이해할 것이다.
광학 조작 유닛(OMU)은 광빔(LB)을 조작하도록 구성된 하나 이상의 광학 소자를 더 포함한다. 도 18에서 이러한 광학 소자들의 예로서 묘사된 것은 필터 유닛(FU)을 통과하는 광빔을 필터링하도록 구성된 필터 유닛(FU)으로 광빔을 지향시키는 미러(MI)이다. 필터링은 스펙트럼 필터링, 편광 필터링, 및/또는 광빔의 전체적인 감쇠를 포함할 수 있다.
여기서 필터 유닛의 존재는 다른 광학 소자들이, 예를 들면 반사형 또는 투과형 대역통과 필터의 형태로 필터링 기능도 갖지 않을 수 있음을 의미하지는 않는다는 것이 언급된다. 그래서, 미러(MI)는 이러한 대체 또는 추가적인 필터링 기능을 가질 수 있다.
이 실시예에서, 필터 유닛(FU)의 하류에는 광빔(LB)의 전파 방향을 조정하기 위해 광빔 틸트 조정기(TA)가 제공된다. 광빔 틸트 조정기(TA)는 직렬로 배치된 제1 웨지 프리즘(WP1)과 제2 웨지 프리즘(WP2)을 포함하는데, 각 웨지 프리즘(WP1, WP2)은 해당 웨지 프리즘(WP1, WP2)을 도 18에서는 주로 X 방향으로 연장되는 그 각각의 광축을 중심으로 회전시키기 위한 각각의 틸트 액추에이터(A1, A2)를 포함한다. 틸트 액추에이터(A1, A2)는 틸트 작동 시스템의 일부이다.
이 실시예에서는, 광빔 틸트 조정기(TA)의 하류에 배치되어, 광빔 변위 디바이스(DD)가 광빔(LB)을 변위시키기 위해 제공된다. 광빔 변위 디바이스(DD)는 평면 평행 플레이트(PP) 및 평면 평행 플레이트(PP)를 액추에이터 A3을 사용하여 제1 축을 중심으로 및 액추에이터 A4를 사용하여 제2 축을 중심으로 회전시키기 위한 변위 작동 시스템을 포함하는데, 이들 제1 및 제2 축은 서로에 대해 및 광빔의 전파 방향에 대해 실질적으로 수직이다. 광빔(LB)의 전파 방향은 실질적으로 X 방향이므로, 제1 축은 예를 들면, Y 방향에 실질적으로 평행할 수 있고, 제2 축은 예를 들면, Z 방향에 실질적으로 평행할 수 있다.
광학 조작 유닛(OMU)은 광빔의 전파 방향을 조정하고 광빔(LB)을 입력 커넥터(INC) 쪽으로 지향시키기 위해 광빔을 변위시키기 위해 틸트 작동 시스템(A1, A2) 및 변위 작동 시스템(A3, A4)에 연결된 제어 유닛(CU)을 더 포함한다. 입력 커넥터(INC)는 광학 조작 유닛(OMU)의 출력 디바이스(OD)에 수용되며 광을 섬유 HC-PCF에 결합하기 위한 결합 디바이스를 포함할 수 있다. 입력 디바이스(ID) 및 출력 커넥터(OC)와 유사하게, 출력 디바이스(ID)와 입력 커넥터(INC)가 여기서는 매우 개략적으로 묘사되어 있으며, 그래서 이들을 서로 견고하게, 및 가능케는 해제 가능하게, 연결할 수 있게 하는 피처들을 포함할 수 있으며, 그래서 입력 커넥터(INC)가 새로운 또는 상이한 입력 커넥터(INC)로 교체될 수 있게 하거나 예를 들면, 유지보수를 위해 분리되고 다시 연결될 수 있게 할 수 있다.
섬유 HC-PCF는 이 예에서와 같이 커넥터(CON)를 사용하여 서로 연결된 제1 섬유 부분 및 제2 섬유 부분을 포함할 수 있다. 커넥터(CON) 또는 섬유 HC-PCF는 섬유 HC-PCF에서의 광빔의 광 강도를 결정하기 위해 커넥터(CON)를 통과하는 광의 일부, 바람직하게는 소량 부분을 검출기(DE)로 지향시키도록 구성될 수 있는데, 이 광 강도는 입력 커넥터(INC)의 결합 디바이스에 의해 섬유에 결합되는 광의 양에 대한 측정치이다.
그래서, 섬유 HC-PCF에서의 광빔의 결정된 광 강도는 광빔이 입력 커넥터(INC)에 의해 수신될 때까지 틸트 작동 시스템을 제어하기 위해 제어 유닛(CU)을 작동하는 데 사용될 수 있다. 실시예에서, 제어 유닛(CU)은 입력 커넥터(INC)에 의해 수신되는 광빔의 원하는 전파 방향의 제1 추정(first estimate)을 찾기 위해, 이 경우에는 Z-Y 평면에서, 나선 패턴을 따라 광빔이 이동되고 이어서 광빔의 원하는 전파 방향 및/또는 변위에 대한 개선된 제1 추정을 찾기 위해 틸트 작동 시스템 및/또는 변위 작동 시스템이 조작된 광빔을 제1 추정 주위로 이동시키도록 제어되도록 틸트 작동 시스템을 제어하도록 구성될 수 있다. 광빔을 나선 패턴으로 이동시키는 것은 2개의 웨지 프리즘(WP1, WP2)을 상이한 각속도로 회전시킴으로써 달성될 수 있다. 제1 및 제2 추정은 양자 모두 대강 정렬 추정일 수 있으며, 본 명세서에 달리 개시된 세밀 정렬 전략들이 세밀 정렬에 적용될 수 있다. 혹은, 제1 추정은 대강 정렬과 관련될 수 있고, 제2 추정은 최종 정렬과 관련될 수 있다. 후자의 예에서, 세밀 정렬은 본 명세서에 기재된 다른 측정 전략들 중 하나에 의존할 수 있다.
다른 실시예에 따르면, HC-PCF 기반의 광대역 광원의 펌프 레이저 펄스들 및/또는 광대역 출력 펄스들의 타이밍을 제어하도록 구성된 타이밍 제어 시스템이 제공된다. 레이저 펄스들의 타이밍 제어는 타이밍 기준에 대한 레이저 펄스들의 정확한 시간적 위치가 요구되며 예를 들면, 마이크로프로세서 또는 마이크로컨트롤러 기반의 기술들을 사용하여 전형적으로 달성되는 적용들에서 종종 바람직하다. 전형적인 종래 기술의 타이밍 제어 시스템은 하나 이상의 마이크로프로세서, 중앙처리장치(CPU), 및 메모리 유닛을 포함할 수 있다. 이러한 마이크로프로세서 기반의 타이밍 제어 시스템이 HC-PCF 기반의 광대역 광원의 타이밍 제어에 사용될 때, 펌프 레이저 펄스, 광대역 출력 펄스, 및 하나 이상의 광학 클라이언트, 예를 들면 광학 센서들로부터 생성된 신호들의 타이밍이 결정 및/또는 동기화될 수 있다. 하지만, HC-PCF 기반의 광대역 광원들의 타이밍을 제어하기 위해 종래 기술의 타이밍 제어 시스템들을 사용하는 것은 많은 기술적 난제 또는 결점을 갖는다. 첫째, HC-PCF 기반의 광원은 종종 서로 멀리 떨어져 위치되는 복수의 컴포넌트를 포함한다. 예를 들어, 전형적으로 씨드 레이저, 전치 증폭기, 펄스 스트레처, 파워 부스터, 및 펄스 컴프레서를 포함하는 펌프 레이저는 10 미터 넘게 떨어져 위치될 수 있는 초연속체 섬유에 연결된다. 이러한 컴포넌트들 사이, 예를 들면 씨드 레이저와 초연속체 섬유 사이의 통신은 무시할 수 없는 시간 지연을 유발할 수 있다. 둘째, 펌프 레이저의 타이밍은 그 복잡한 광학 아키텍처(예를 들면, 씨드 레이저, 전치 증폭기, 펄스 스트레처, 파워 부스터, 및 펄스 컴프레서를 포함하는 광학계)로 인해 복잡하다. 그 결과, 펌프 레이저의 각 컴포넌트는 펌프 레이저 펄스의 타이밍에 영향을 미친다. 광대역 출력 펄스의 타이밍도 상이한 타이밍들을 갖는 상이한 파장들을 초래하는 펄스내 그룹 지연 분산으로 인해 복잡하다. 이들 복잡한 타이밍은 타이밍 제어 시스템들의 성능(예를 들면, 타이밍 정확도)에 엄격한 요건을 부과하며 전형적으로는 복잡한 제어 아키텍처로 달성된다. 또한, 광학 클라이언트들, 예를 들면 광학 센서들 각각으로부터 생성된 신호는 다른 제어 유닛들에 의해 다른 컴포넌트들에 사용할 수 있기 전에 처리되어야 한다. 이 요건을 충족하기 위해, 종래 기술의 타이밍 제어 시스템들은 종종 신호 처리 기능을 구비하며, 그에 의해 훨씬 더 복잡한 제어 아키텍처를 초래한다.
위에서 언급된 결점들은 임의의 두 컴포넌트, 예를 들면 씨드 레이저와 초연속체 출력을 모니터링하기 위한 광학 클라이언트들 중 하나 사이의 시간 지연의 정확한 예측 및/또는 모델링에 어려움을 초래한다. 타이밍 제어 시스템에 의해 결정된 시간 지연은 타이밍 에러가 수정될 수 있도록 측정 데이터에 대해 교정될 수 있으나, 이 접근법은 HC-PCF 기반의 광원들에서는, 그 레이저 펄스들이 너무 짧아 정확하게 측정될 수 없기 때문에, 실용적이지 않다. 가능한 최상의 타이밍 성능을 얻기 위해서는, 사전 정의된 마진 내에서 작동하도록 구성된 광범위한 제어 펌웨어 및/또는 소프트웨어가 필요하다. 복잡한 마이크로프로세서 기반의 하드웨어와 함께 광범위한 제어 펌웨어 및/또는 소프트웨어는 타이밍 제어 시스템 전체를 지나치게 복잡하고 고비용이 되게 한다. 펌웨어 또는 소프트웨어 기반의 제어 시스템은 에러를 발생하기 쉬우므로, 이를 강고(robust)하게 만드는 데에는 많은 시간과 노력이 든다.
본 발명의 상이한 양태에 따르면, 아래에서 설명되는 실시예들은 전술한 문제들에 대한 보다 나은 해법들을 제공한다. 종래 기술의 타이밍 제어 시스템들에 비해 다음의 실시예들의 유의한 이점은 마이크로프로세서들 또는 유사한 기술들의 사용이 방지된다는 것이다.
도 19는 실시예에 따른 HC-PCF 기반의 광대역 광원의 타이밍 제어를 위해 구성된 타이밍 제어 시스템을 개략적으로 도시한다. 도 19를 참조하면, 타이밍 제어 시스템은 가스 셀(1940)의 압력 변화를 검출 또는 모니터링하도록 구성된 압력 센서(1944)(예를 들면, 초고속 압력 센서)를 포함할 수 있다. 이 실시예에서, 압력 센서(1944)는 가스 셀 벽(1946)의 내측에 연결된 지지 구조(1945)에 의해 HC-PCF(1941)의 출력단 부근에 유지될 수 있다. 몇몇 상이한 실시예에서는, 압력 센서(1944)가 가스 셀 벽(1946)의 내측에 직접 장착될 수 있다. 가스 센서(1944)는 밀봉된 방식으로 가스 셀 벽(1946)을 통과하거나 피드스루 커넥터들을 통해 외부 케이블들에 연결되는 하나 이상의 신호 케이블을 통해 외부 디바이스들과 통신할 수 있다.
도 19를 계속 참조하면, 펌프 레이저 펄스들(1912)의 열을 포함하는 펌프 레이저 빔(1911)은 집속 렌즈(1930)에 의해 집속된다. 집속된 펌프 레이저 빔(1911)은 HC-PCF(1941)의 코어에 결합되기 전에 가스 셀(1940)의 입력 윈도우(1942)를 통과한다. 섬유를 따라 전파되는 동안, 각 펌프 레이저 펄스(1912)는 앞서 언급된 비선형 광학 프로세스들을 통해 광대역 출력 펄스(1982)로 스펙트럼적으로 확장된다. 가스 셀(1940)을 떠난 후, 광대역 출력 펄스들(1982)의 열을 포함하는 광대역 출력 빔(1980)은 시준 렌즈(1931)에 의해 시준된다. 비선형 프로세스들의 개시로부터, 펌프 레이저 펄스(1912)의 스펙트럼 대역폭은 스펙트럼적으로 확장된 펄스가 섬유를 나갈 때까지 계속해서 증가한다(예를 들면, 스펙트럼 확장). 섬유를 떠나면, 광대역 출력 펄스(1982)는 가스 셀(1940)의 출력 윈도우(1943)를 나가기 전에 가스 셀(1940) 내부에서 짧은 거리를 이동할 수 있다. 가스 셀(1940)에 들어갈 때, 광대역 출력 펄스(1982)는 가스 셀(1940) 내부에 압력파를 발생시킨다. 이러한 압력파의 진폭은 가스 셀(1940)의 작동 상태(예를 들면, 가스 셀 압력, 가스 유형) 및 광대역 출력 펄스(1982)의 레이저 파라미터들(예를 들면, 펄스 에너지, 펄스 스펙트럼, 펄스 폭)과 같은 많은 요인에 의해 영향을 받을 수 있다. 압력파는 (일시적으로) 가스 셀(1940)의 내부 압력 분포를 변경시킨다. 압력 센서(1944)의 위치에서 결과로 발생되는 압력 변화가 압력 센서에 의해 검출되고, 이어서 압력 센서(1944)에 의해 전기 신호로 변환된다. 몇몇 실시예에서, 전기 신호는 생성되는 광대역 출력 펄스(1982)의 타이밍을 나타내는 출력 펄스 트리거 신호로서 사용될 수 있다. 추가적으로 또는 대체로서, 이러한 전기 신호는 상이한 기능들, 예를 들면 광대역 펄스들의 버스트를 출력하는 것이 실현될 수 있도록 광대역 광원의 처리 유닛(1060, 1160, 1260, 1360, 1460) 및/또는 제어 유닛(1070, 1170, 1270, 1370, 1470)에 송신될 수 있다.
HC-PCF(1941)에 결합되기 전에 펌프 레이저 펄스가 가스 셀(1940)에 들어갈 때 압력파도 발생된다는 것도 유의하자. 따라서, 몇몇 실시예에서는, 가스 셀(1940)에 들어가는 펌프 레이저 펄스(1911)의 타이밍도 동일한 압력 센서(1944) 및/또는 예를 들면, 입력 윈도우(1942) 부근에 위치된 추가 압력 센서(도시되지 않음)를 사용하여 결정될 수 있다.
광대역 출력 펄스(1982)의 타이밍과 함께, 펌프 레이저 펄스(1911)와 광대역 출력 펄스(1982) 사이의 상대적인 시간 지연이 결정될 수 있다. 광대역 출력 펄스(1982)는 펌프 레이저 펄스(1911)와 본질적으로 (고정된 시간 관계로) 동기화되어 있으므로, 광대역 출력 펄스(1982)의 전기 신호도 따라서 펌프 레이저 펄스(1911)의 전기 신호와 동기화된다는 것에 유의하자. 2개의 펄스 열, 즉 펌프 레이저 펄스 열과 광대역 출력 펄스 열은 앞서 언급된 시간 지연의 양만큼 시간적으로 오프셋된다. 몇몇 다른 실시예에서, 타이밍 제어 시스템은 2개의 펄스 열 사이의 시간 지연을 조정하거나 최소화하도록 구성된 조정 가능한 광학 지연선을 더 포함할 수 있다.
도 19와 관련하여 위에서 설명된 방법들은 본 명세서에 개시된 다른 실시예들 중 임의의 것과 독립적으로 또는 조합하여 사용될 수 있다는 것을 이해할 수 있다. 조합하여 사용되는 경우, 모드 순도 기반의 실시예들이 초기 정렬(대강 및/또는 세밀)에 사용될 수 있고, 이전 실시예들 중 임의의 것이 타이밍 제어를 위해 후속적으로(즉, 광원이 적절히 정렬될 때) 사용될 수 있다.
앞서 언급된 스캐터로메트리 기반의 계측 툴들과 같은 몇몇 계측 또는 검사 툴들의 경우, 계측 툴의 성능은 툴의 조명 방사선의 편광 특성들에 의해 크게 영향을 받을 수 있다. 이러한 편광 특성들은 편광 소광비(polarization extinction ratio: PER) 또는 편광 품질, 편광 안정성, 및 주로 선형 편광된 광의 배향 등을 포함될 수 있다. PER은 종종 TE(transverse electric: 횡전기) 및 TM(transverse magnetic: 횡자기)로 불리는 2개의 수직 편광의 파워비(power ratio)로 정의되며, 선형 편광이 얼마나 양호한지를 특징짓는 데 전형적으로 사용된다. 편광 안정성은 편광 상태가 시간 경과에 따라 얼마나 안정적으로 유지될 수 있는지를 특징짓는 데 사용된다. 컴포넌트의 노후화 및/또는 움직임으로 인해, 조명 방사선의 편광은 시간 경과에 따라 변하게 되며, 그래서 편광의 회전 및/또는 PER 저하를 초래하게 된다. 불충분한 PER을 갖는 조명 빔이 편광에 민감한 계측 툴, 예를 들면 스캐터로미터에 사용되는 경우, 원치 않는 편광 방향의 광 파워는 측정에 기여하지 않게 되며 심지어는 백그라운드 산란을 일으킬 수도 있으며, 그에 의해 검출 신호 대 잡음비(SNR)를 저감시킨다. 또한, 원하는 편광 방향의 광 파워만 측정에 사용되므로, 계측 툴의 파워 효율이 낮다. 유사하게, 불안정한 편광을 갖는 조명 빔이 예를 들면, 스캐터로미터에 사용되는 경우, 수신된 편광의 변동들은 전형적으로 웨이퍼 레벨에서의 파워 변동을 초래하여, 계측 툴의 충실도를 손상시킨다. 따라서, 양호한 편광 안정성을 제공할 수 있는 조명 소스를 사용하는 것이 바람직하다.
도 10 내지 도 14에서 설명된 것들과 같은 HC-PCF 기반의 광대역 광원들이 예를 들면, 스캐터로미터에서 조명 소스로 사용되는 경우, 양호한 PER을 갖는 선형 편광 광대역 출력 빔이 바람직하다. 광대역 출력 빔은 주로 펌프 레이저 빔으로부터 편광 특성들을 물려받으므로, 양호한 PER을 갖는 선형 편광 펌프 레이저 빔이 사용될 수 있다. 스트레스 없이 장착된 완벽하게 제작된 일직선의 HC-PCF의 경우, 광대역 출력 빔의 PER은 입력(펌프) 편광 방향에 의존하지 않을 것으로 예상된다. 하지만, 연구에 의하면 HC-PCF를 통해 낮은 펌프 파워를 결합할 때(즉, HC-PCF에서 스펙트럼 확장이 발생하지 않을 때), 투과되는 펌프 레이저 빔의 PER은 입력(펌프) 편광 방향에 따라 주기적으로 변한다는 것이 밝혀졌다. 이는 HC-PCF의 약간의 비대칭이 작은 광학 복굴절을 초래하여, 섬유를 사실상 빠른 축과 느린 축을 갖는 긴 편광 지연기(또는 파장판)로 되게 한다는 사실에 의해 설명된다. HC-PCF의 약간의 비대칭은 제조 공차 및/또는 장착에 의해 유발된 섬유 응력에 의한 것일 수 있다. 제조 공차는 HC-PCF의 구조적 코어 직경에 변동을 초래할 수 있으며, 그에 의해 코어를 사실상 약간 타원형으로 되게 할 수 있다. 그 결과, 직교 입력 편광들은 (즉, 빠른 축과 느린 축을 형성하는) 상이한 모드 인덱스들을 볼 수 있고 상이한 감쇠를 겪을 수 있다. 펌프 레이저 빔의 편광 방향이 섬유의 빠른 축 또는 느린 축과 일치할 때, 펌프 빔의 편광 충실도가 유지된다. 하지만, 펌프 레이저 빔의 편광 방향과 섬유의 빠른 축 또는 느린 축 사이에 불일치가 존재하는 경우, 투과되는 펌프 레이저 빔의 PER은 저하된다.
따라서, 높은 PER을 갖는 선형 편광 광대역 출력 빔을 얻기 위해서는, 펌프 레이저 빔의 편광 방향을 섬유의 선호되는 복굴절 축과 정확하게 정렬해야 한다. 산업용 레이저 제품의 경우, 펌프 레이저 빔의 편광 방향은 공장 제작 중에 완전히 최적화된다. 펌프 레이저 빔의 편광 방향의 제어/최적화는 전형적으로 로우 파워 레벨에서 편광 제어 디바이스, 예를 들면 반파장판(half-wave plate: HWP) - HC-PCF에서의 결합 전에 펌프 레이저 빔의 빔 경로에 위치될 수 있음 - 을 사용하여 달성된다. 펌프 레이저 빔의 편광 방향이 HWP에 의해 회전되는 동안, 섬유를 통해 전파된 후의 펌프 레이저 빔의 PER이 편광계(polarimeter)로 측정된다. 하지만, 예를 들면 유지보수 또는 수리 목적으로 주요 컴포넌트(예를 들면, 가스 셀 또는 HC-PCF)가 교체될 때마다, 선호되는 섬유 축에 대한 펌프 레이저 빔의 편광 방향은 다시 최적화될 필요가 있다. 이는 재최적화 중에 및 재최적화 후에 레이저 PER을 특징짓고 확인하기 위해 편광계가 필요하게 됨을 의미한다. 또한, 커스텀 설계된 툴들이 특정 컴포넌트(들), 예를 들면 패키징된 레이저 제품의 HWP에 액세스 및/또는 제어하기 위해 또한 사용될 수 있다. HC-PCF의 축 배향을 사전에 특징짓고 이러한 정보를 사용하여 섬유의 절대 회전을 정렬시키는 것이 가능할 수 있으나, 펌프 편광의 어떠한 변화라도 여전히 출력 PER의 저하로 이어질 수 있다. 그래서, 투과되는 펌프 레이저 빔의 PER에 의해 나타나는 펌프 편광의 안정성을 모니터링하기 위해, 예를 들면 영구적인 제품 내 진단으로서, 편광계가 여전히 사용되게 된다. 편광계는 고가의 육중한 진단 디바이스이다. 각각의 HC-PCF 기반의 광대역 레이저 소스에 편광계를 장착하는 것은 비용을 증가시키고 레이저 제품의 풋프린트에 제한을 가한다.
본 발명의 상이한 양태에 따르면, 위에서 언급한 문제를 해결하기 위한 방법이 제안된다. 제안된 방법은 선형 편광된 방사선 빔이 비대칭 모드 인덱스 프로파일을 갖는 도파관 구조, 예를 들면 (약간) 타원형 단면을 갖는 섬유를 통해 전파될 때, 출력 빔의 PER과 출력 파워가 강한 상관관계가 있다는 발견을 기초로 한다. 따라서, 펌프 레이저 빔의 편광이 선호되는 섬유의 축과 얼마나 잘 정렬되어 있는지를 간접적으로 평가 또는 유추하기 위해 섬유 출력에서 측정된 파워를 사용할 수 있다. 펌프 빔의 편광 방향과 선호되는 섬유 축 사이의 각도 오프셋과, 섬유 출력에서의 파워 사이의 관계가 알려진 경우, 펌프 빔의 편광 방향과 섬유 입력에서의 선호되는 섬유 축 사이의 각도 오프셋을 결정하기 위해 섬유 출력에서 측정된 파워를 사용하는 것도 가능하다. 파워 측정 디바이스들은 가장 일반적인 진단 장비이며 편광계들보다 훨씬 저렴하기 때문에, 본 방법은 편광계의 필요성을 배제하므로 종래 기술의 방법들에 비해 유리하다.
출력 파워와 PER의 상관관계는 HC-PCF의 구조적 특징에 의해 설명될 수 있는데: 기본 유도 모드(LP01)의 모드 인덱스와 감쇠는 다음과 같이 근사화될 수 있으며:
여기서 u01은 제1종 베셀 함수 J0의 첫 번째 제로(0)이고, λ는 파장이며, D는 내접 코어 직경이다. 그래서, 모드 순도도 이러한 방식으로 모니터링될 수 있다.
도 20은 상이한 실시예에 따른 HC-PCF 기반의 광대역 광원의 편광 제어를 위해 구성된 편광 제어 시스템을 개략적으로 도시한다. 도 20을 참조하면, 편광 제어 시스템은 펌프 레이저 빔(2011)의 편광의 제어를 위한 HWP(2029)를 포함할 수 있다. HWP(2029)는 펌프 레이저(2010)와 가스 셀(2040)의 입력 윈도우(2042) 사이에서 어디든 배치될 수 있다. 펌프 집속 렌즈(2030)가 펌프 레이저 빔(2011)을 HC-PCF(2041)의 코어에 집속시키는 데 사용되는 경우, HWP(2029)를 집속 렌즈(2030) 앞에 배치하는 것이 바람직한데, 이는 HWP(2029)가 보다 높은 피크 강도를 갖는 집속된 레이저 빔에 의해 잠재적으로 손상되는 것을 회피할 수 있기 때문이다.
실시예에서, 편광 제어 시스템은 잠재적인 손상을 회피하기 위해 바람직하게는 시준 렌즈(2031) 뒤에, 출력 빔(2080)의 빔 경로 상에 배치된 빔 스플리터(2051)를 더 포함할 수 있다. 빔 스플리터(2051)는 출력 빔(2080)의 일부를 분할할 수 있고 진단 목적으로 이를 검출 유닛(2050)으로 반사할 수 있다. 빔 스플리터(2051)로부터 반사된 출력 빔(2080) 부분은 기준 빔(2081)으로 라벨링될 수 있다. 검출 유닛(2050)은 기준 빔(2081)의 파워를 측정하는 파워 미터와 같은 파워 측정 디바이스(2053)를 포함할 수 있다. 파워 측정 디바이스(2053)에 의해 수신되기 전에, 기준 빔(2081)은 기준 빔(2081)의 스펙트럼으로부터 원하는 파장 범위를 선택하는 데 사용되는 하나 이상의 광학 필터(2052)를 통과할 수 있다. 빔 스플리터(2051)는 출력 빔(2080)에 파워 분할비를 부과하는 것 외에는 기준 빔(2081)의 광학 특성들에 무시할 정도로 영향을 미친다는 점에 유의하자.
몇몇 실시예에서, 편광 제어 시스템은 펌프 레이저 파워/에너지가 높고 펌프 펄스가 섬유를 통과한 후에 상당한 스펙트럼 확장을 겪게되는 하이 파워 또는 에너지 체제에서 작동될 수 있다. 몇몇 다른 실시예에서, 편광 제어 시스템은 펌프 레이저 파워/에너지가 낮고 펌프 펄스가 섬유를 통과하는 동안 스펙트럼 확장을 겪지 않는 로우 파워/에너지 체제에서 작동될 수 있다. 로우 파워 체제에서 작동될 때, 출력 빔(2080)은 펌프 레이저 빔의 광 스펙트럼과 실질적으로 동일한 광 스펙트럼을 갖는다. 펌프 레이저 빔은 전형적으로 협대역 스펙트럼을 가지므로, 스펙트럼 필터링은 필요하지 않을 수 있으며 그래서 광학 필터들(2052)은 사용되지 않을 수 있다. 대조적으로, 하이 파워 체제에서 작동될 때, 출력 빔(2080)은 펌프 레이저 빔의 광 스펙트럼보다 훨씬 더 넓은 광대역 광 스펙트럼을 갖는다. 이 경우, 원하는 스펙트럼 범위의 파워를 측정하는 데에만 스펙트럼 필터링이 필요할 수 있으며 따라서 하나 이상의 광학 필터(2052)가 사용될 수 있다. 몇몇 실시예에서는, 빔 스플리터(2051)가 제거될 수 있으며, 검출 유닛(2050)은 전체 출력 빔(2080)이 파워 측정 디바이스(2053)에 의해 수신될 수 있도록 출력 빔(2080)의 빔 경로 상에 배치될 수 있다.
계속해서 도 20을 참조하면, 편광 제어 시스템은 처리 유닛(2060)과 제어 유닛(2070)을 촉진할 수 있다. 파워 측정 디바이스(2053)는 기준 빔(2081)의 파워를 측정하고 이어서 파워 신호를 발생시킨다. 발생된 파워 신호는 처리 유닛(2060)으로 송신될 수 있으며 처리 유닛(2060)은 수신된 파워 신호를 (예를 들면, 사전 정의된 방식으로) 처리한다. 다음으로, 처리된 파워 신호는 제어 유닛(2070)으로 송신될 수 있으며 제어 유닛(2070)은 처리된 파워 신호에 기초하여 대응하는 제어 신호를 발생시킨다. 제어 유닛(2070)은 처리된 데이터의 저장을 위한 메모리 유닛을 포함할 수 있다. 마지막으로, 제어 신호는 HWP(2029)를 적절히 조정하는 데 사용될 수 있다. 처리 유닛(2060)과 제어 유닛(2070)은 별개의 유닛들일 필요는 없으며 대신에 처리 유닛(2060)과 제어 유닛(2070)에 의해 수행되는 모든 작업들을 수행하는 하나의 처리 및 제어 유닛(도시되지 않음)으로 통합될 수 있다는 것에 유의하자.
위에서 언급한 바와 같이, 편광 제어 시스템은 적어도 2가지 시나리오에서, 예를 들면 컴포넌트 교체 및 장기적인 편광 안정성에서 HC-PCF의 선호되는 축에 대해 펌프 레이저 빔의 편광 방향을 최적화하는 데 사용될 수 있다. 편광 제어 시스템은 2가지 상이한 루틴으로 작동될 수 있다. 주요 컴포넌트, 예를 들면 가스 셀(2040)이 교체되는 시나리오에서, 펌프 레이저 빔(2011)의 편광 방향은 새로운 섬유(2041)의 선호되는 축과 일치하도록 다시 최적화되어야 한다. 몇몇 실시예에서, 이는 HWP(2029)를 1회의 완전한 회전 또는 360° 회전시킴으로써 달성될 수 있다. 다른 실시예들에서, HWP(2029)는 540°, 720°, 900°, 또는 1080°와 같이, 360° 넘게 회전될 수도 있다. 몇몇 실시예에서, HWP(2029)는 예를 들면, HWP(2029)를 작은 증분(small increment) 단위로 회전시키는 전동 회전 마운트에 장착될 수 있다. 분해능 요건에 따라, 각 증분 스텝은 스텝당 1°, 스텝당 2°, 스텝당 5°, 또는 스텝당 10°와 같은 작은 회전각에 대응할 수 있다.
도 20을 참조하면, 최적화 프로세스 중에, 제어 유닛(2070)은 HWP(2029)에 제어 신호를 송신하여 HWP(2029)가 회전 작업을 수행하도록, 예를 들면 5°의 스텝 크기(또는 72 스텝)로 360°를 증분식으로 회전하도록 명령한다. 각 회전 스텝 후에, 기준 빔(2081)의 파워가 파워 측정 디바이스, 예를 들면 파워 미터에 의해 측정된다. 파워 측정 디바이스(2053)에 의해 발생된 파워 신호는 예를 들면, 평균화 및/또는 필터링함으로써 처리 유닛(2060)에 의해 처리된다. 처리된 파워 신호는 제어 유닛(2070)으로 송신될 수 있으며, 이곳에서 파워 값은 예를 들면, 메모리 유닛에 HWP(2029)의 현재 각도 위치에 대해 저장된다. 회전 작업, 즉 5°의 스텝 크기로 360°의 회전의 종료 시에, 72 쌍의 파워와 각도 값을 갖는 데이터 테이블이 생성되어 저장되게 된다. 데이터에 기초하여, 출력 빔(2080)(또는 기준 빔(2081))의 파워와 HWP(2029)의 각도 위치 사이의 관계가 예를 들면, 데이터의 보간을 통해 결정될 수 있다. 각 파워 최소값이 PER 최대값에 대응함을 나타내는 기존의 PER-파워 상관 곡선을 참조하여, 파워-각도 관계가 PER-각도 관계로 변환될 수 있는데, 이로부터 최대의 PER(또는 최소의 파워)을 줄 수 있는 최적의 HWP 위치가 결정될 수 있다.
장기적인 PER 안정성이 모니터링 및/또는 유지되어야 하는 시나리오에서, 출력 빔(2080) 또는 기준 빔(2081)의 파워는 파워 측정 디바이스(2053)에 의해 연속적으로 또는 단속적으로 측정/샘플링될 수 있다. 장기적인 PER 안정성이 모니터링 및/또는 유지되기 전에 광대역 광원의 파워-각도 관계가 이미 이용 가능하다고 가정된다는 것에 유의하자. 파워 측정 디바이스(2053)에 의해 발생된 파워 신호는 제어 유닛(2070)으로 송신되기 전에 처리 유닛(2060)에 의해 처리될 수 있는데, 예를 들면 다수의 샘플링 포인트에 걸쳐 평균화될 수 있다. 처리된 파워 신호를 수신하면, 제어 유닛(2070)은 처리된 파워 신호를 사전 정의된 파워 역치와 비교할 수 있다. 파워 신호가 파워 역치보다 높은 경우, 제어 유닛(2070)은 어떠한 제어 신호도 발생시키지 않을 수 있다. 하지만, 파워 신호가 파워 역치보다 낮으면, 제어 신호가 발생된다. 제어 신호는 대응하는 회전 작업을 행하도록 HWP(2029)에 명령할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 회전 작업은 위에서 설명된 예와 같은, HWP의 완전한 360° 회전을 포함할 수 있다. 혹은, 다른 실시예들에서, 회전 작업은 HWP(2029)의 현재 각도 위치의 주위의 작은 각도의 회전을 포함할 수 있다. HWP(2029)의 새로운 각도 위치는 출력 빔(2080) 또는 기준 빔(2081)의 PER(측정된 파워에 의해 표시됨)이 최적화될 때 결정될 수 있다. 제어 유닛(2070)은 다음으로 (이용 가능한 경우) 메모리 내의 설정된 각도 위치를 새로운 각도 위치로 업데이트할 수 있다. 그 후, 편광 제어 시스템은 장기적인 PER 안정성을 계속 모니터링한다.
출력 빔(2080) 또는 기준 빔(2081)의 파워는 모드 순도를 나타낼 수 있으므로, 이 섹션의 방법들은 본 명세서에서 설명되는 모드 제어 시스템들에 사용될 수 있다.
파워 측정 디바이스(2053)의 개수, 위치, 및 유형은 설명된 것들에 한정되지 않음에 유의하자. 몇몇 실시예에서는, 섬유 팁에서 산란된 광의 파워가 측정될 수 있도록 '소형' 파워 측정 디바이스가 HC-PCF 섬유의 출력단 부근에 배치될 수 있다. 섬유 팁에서 산란된 광의 파워는 광대역 출력 빔의 파워에 선형적으로 비례하므로, 전술한 PER 최적화 방법은 여전히 유효하다. 몇몇 실시예에서, 소형 디바이스는 멀티모드 섬유 및 파워 미터를 포함할 수 있다. 가스 셀(2040) 또는 HC-PCF(2041) 중 하나 또는 양자 모두는 전동 회전 스테이지에 장착될 수 있고 HWP(2029)는 고정된 각도 위치를 가질 수 있다. 이러한 방식으로, PER 최적화를 위해 HWP(2029)를 회전시키는 대신, 가스 셀(2040) 또는 HC-PCF(2041) 또는 양자 모두는 펌프 편광 방향과 섬유의 하나의 축 사이의 각도차를 최소화하고 그래서 출력 빔(2080)의 PER을 최대화하도록 회전될 수 있다.
전술한 실시예 중 임의의 것의 방법은 위에 개시된 다른 실시예들 중 임의의 것과 독립적으로 또는 조합하여 사용될 수 있으며, 후자의 경우 모드 제어 시스템의 일부로서 및/또는 전술한 실시예 중 임의의 것이 초기 정렬(대강 및/또는 세밀)에 사용되도록 함을 이해할 수 있다. 추가적으로 또는 대체로서, 다른 실시예들은 후속 편광 최적화에 후속적으로(즉, 광원이 적절히 정렬될 때) 사용될 수 있다. 독립적으로 사용될 때, 상술한 실시예들은 HC-PCF 기반의 광대역 광원에 적용되는 것에 한정되지 않고, 펌프 레이저 빔의 편광 방향과 명목상 원통형 도파관의 광학 평면 사이의 상대 각도를 결정 및/또는 최적화하는 데에도 사용될 수 있다.
HC-PCF 기반의 광대역 광원들의 구성은 도시되거나 설명된 구체적인 구성들로 한정되지 않으며, 다른 구성들이 구현될 수 있음을 유의해야 한다. 예를 들어, 펌프 레이저(1010, 1110, 1210, 1310, 1410)는, 그 허리부(waist)가 섬유 코어와 양호한 모드 매칭을 갖는 시준된 펌프 레이저 빔(1011, 1111, 1211, 1311, 1411) 대신에, 수렴형 펌프 레이저 빔을 출력하도록 구성될 수 있다. 이 경우, 집속 렌즈(1030, 1130, 1230, 1330, 1430)는 필요하지 않다. 빔 전달 시스템은 도시된 2개 이상의 스티어링 미러(1020, 1120, 1220, 1320, 1420, 1021, 1121, 1221, 1321, 1421)의 구체적인 예와 상이할 수 있다. 대체로서 또는 추가적으로, 이들 미러 중 적어도 하나는 곡면 및/또는 제공된 다른 집속 빔 전달 컴포넌트를 포함할 수 있는데, 이는 집속 렌즈(1030, 1130, 1230, 1330, 1430)를 사용하지 않고 모드 매칭된 펌프 스폿을 형성하도록 신중하게 선택된 곡률 반경(ROC)을 갖는다. 상이한 실시예에 따르면, 입력 광학 윈도우(1042, 1142, 1242, 1342, 1442)는 집속 렌즈(1030, 1130, 1230, 1330, 1430)로 대체될 수 있고 및/또는 출력 광학 윈도우(1043, 1143, 1243, 1343, 1443)는 시준 렌즈(1031, 1131, 1231, 1331, 1431)로 대체될 수 있다. 이러한 구성에서, 2개의 렌즈와 2개의 섬유 단부 사이의 거리들은 모드 매칭 상태가 잘 유지되도록 선택된다. 이러한 방식으로 구성된 광대역 광원은 더 컴팩트하지만 유연성은 더 낮다. 다른 실시예에서, 가스 셀(1040, 1140, 1240, 1340, 1440)은 복수의 서브셀로 구성될 수 있으며; HC-PCF(1041, 1141, 1241, 1341, 1441)는 부분적으로 또는 완전히 서브셀들에 포함될 수 있다. 빔 스플리터(1051, 1151, 1251, 1351, 1451)는 도시된 바와 같이 각각의 검출 유닛(1050, 1150, 1250, 1350, 1450)의 내부가 아니라 외부에 위치될 수 있다. 처리 유닛(1060, 1160, 1260, 1360, 1460)과 제어 유닛(1070, 1170, 1270, 1370, 1470)은 반드시 별개의 엔티티일 필요는 없으며 처리 및 제어 기능을 수행하기 위한 단일 프로세서를 갖는 단일 유닛을 포함할 수 있다.
위에서 언급한 실시예들 중 어느 하나라도 광대역 광원에 대한 모드 최적화를 독립적으로 수행하기에 충분하지만, 몇몇 실시예는 서로 상보적일 수 있으며 그래서 모드 제어 시스템의 전체적인 성능을 개선하기 위해 결합될 수 있다. 예를 들면, 실시예에서, 제3 실시예에서 사용된 빔 형상 측정 디바이스(1253)는 제1 실시예의 (대역통과 필터(1052)와 파워 측정 디바이스(1053)을 포함하는) 검출 유닛(1050)에 추가되거나 결합될 수 있다. 이러한 방식으로, 광대역 출력 빔의 가로 모드 프로파일은 빔 측정 디바이스(1253)에 의해 직접 모니터링될 수 있는 한편, 출력 PSD는 파워 측정 디바이스(1053)에 의해 측정된다. 광대역 광원의 파워 및/또는 스펙트럼 프로파일은 시간 경과에 따라 점진적으로 저하될 수 있으므로(예를 들면, 펌프 다이오드들의 노후화로 인해 야기됨), 모드 순도가 변하지 않고 유지되더라도 PSD 값들은 그에 따라 떨어질 수 있다. 따라서, 빔 측정 디바이스의 추가는 모드 제어 시스템이 감소된 PSD 값들이 모드 저하에 의해 야기된 것인지 또는 컴포넌트 노후화로 유발된 파워 저하로 인한 것인지 여부를 신속하게 검증할 수 있게 하고 그에 따라 후자인 경우 모드 제어 시스템이 최적화 데드 루프(dead-loop)에 들어가는 것을 방지할 수 있게 한다. 또한, 컴포넌트 노후화로 유발된 파워 저하를 반영하기 위해 기준 PSD 값들을 정기적으로 업데이트하는 것이 바람직하다. 빔 측정 디바이스(1053)의 사용은 모드 순도가 최적일 때 기준 PSD 값들이 정기적으로 유지되고 업데이트될 수 있는 것을 보장한다.
그래서, 검출 유닛들(1050, 1150, 1250, 1350, 1450) 또는 그에 속한 컴포넌트들 중 임의의 2개 이상이 조합되어 사용될 수 있으며, (예를 들면, 출력 빔 상의 복수의 빔 스플리터에 의해 생성되는) 동일한 기준 빔 또는 별개의 기준 빔들을 검출 및 평가할 수 있다.
다음의 번호가 매겨진 조항들에 추가 실시예들이 개시된다:
1. 광결정 섬유(photonic crystal fiber: PCF)를 포함하는 광대역 광원의 출력 모드를 제어하도록 구성된 모드 제어 시스템으로서,
측정 데이터를 생성하기 위해 상기 광대역 광원으로부터 방출되는 방사선의 하나 이상의 파라미터를 측정하도록 구성된 적어도 하나의 검출 유닛; 및
상기 측정 데이터로부터, 상기 광대역 광원으로부터 방출되는 상기 방사선의 모드 순도를 평가하도록 구성된 처리 유닛:
을 포함하고,
상기 평가에 기초하여, 상기 모드 제어 시스템은 상기 광대역 광원의 하나 이상의 펌프 결합 상태의 최적화를 위한 제어 신호를 발생시키도록 구성되며; 상기 펌프 결합 상태들은 상기 광결정 섬유의 섬유 코어에 대한 펌프 레이저 빔의 결합과 관련되는,
모드 제어 시스템.
2. 조항 1에 규정된 모드 제어 시스템에서, 상기 출력 방사선의 상기 하나 이상의 파라미터는 상기 광대역 광원의 모드 순도를 나타내는 하나 이상의 파라미터를 포함한다.
3. 조항 1 또는 조항 2에 규정된 모드 제어 시스템에서, 상기 검출 유닛에 의해 검출되는 상기 광대역 광원으로부터 방출되는 상기 방사선은 상기 광결정 섬유의 출력단으로부터 방출되는 출력 방사선을 포함한다.
4. 조항 3에 규정된 모드 제어 시스템은, 상기 광결정 섬유에 의해 방출되는 주 출력 빔으로부터 기준 빔을 분할하도록 위치된 빔 스플리터를 포함하고, 상기 검출 유닛에 의해 검출되는 상기 출력 방사선은 상기 기준 빔을 포함한다.
5. 임의의 이전 조항에 규정된 모드 제어 시스템에서, 상기 적어도 하나의 검출 유닛은 상기 측정 데이터로서 상기 출력 방사선의 하나 이상의 스펙트럼 파라미터 값을 측정하도록 작동 가능한 스펙트럼 측정 구성을 포함한다.
6. 조항 5에 규정된 모드 제어 시스템에서, 상기 스펙트럼 파라미터 값들은 상기 출력 방사선의 측정된 스펙트럼의 하나 이상의 파라미터를 포함한다.
7. 조항 5 또는 조항 6에 규정된 모드 제어 시스템에서, 상기 스펙트럼 측정 구성은 스펙트럼 측정 디바이스 및 상기 광대역 광원으로부터 방출되는 상기 방사선의 상기 적어도 일부를 상기 스펙트럼 측정 디바이스로 안내하도록 작동 가능한 멀티모드 광 섬유를 포함한다.
8. 임의의 이전 조항에 규정된 모드 제어 시스템에서, 상기 검출 유닛은 하나 이상의 대역통과 필터 - 상기 하나 이상의 대역통과 필터 각각은 상기 출력 방사선의 각각의 스펙트럼 범위를 선택하도록 작동 가능함 -; 및 상기 필터링된 방사선의 파워를 나타내는 조명 파라미터를 검출하도록 작동 가능한 조명 측정 디바이스를 포함하며, 상기 측정 데이터는 파워를 나타내는 상기 조명 파라미터를 포함하고 및/또는 파워를 나타내는 상기 조명 파라미터로부터 도출된다.
9. 조항 5 또는 조항 6에 규정된 모드 제어 시스템에서, 상기 측정 데이터는 파워를 나타내는 상기 조명 파라미터로부터 도출된, 하나 이상의 스펙트럼 범위에서의 파워 스펙트럼 밀도 또는 에너지 스펙트럼 밀도 값을 포함한다.
10. 임의의 이전 조항에 규정된 모드 제어 시스템에서, 상기 검출 유닛은 출력 방사선으로부터 기본 모드 이외의 고차 모드들을 필터링하도록 작동 가능한 공간 필터 및 상기 필터링된 방사선의 파워를 나타내는 조명 파라미터를 검출하도록 작동 가능한 조명 측정 디바이스를 포함하고, 상기 측정 데이터는 파워를 나타내는 상기 조명 파라미터를 포함하고 및/또는 파워를 나타내는 상기 조명 파라미터로부터 도출된다.
11. 조항 10에 규정된 모드 제어 시스템에서, 상기 공간 필터는 단일 모드 섬유 또는 핀홀을 포함한다.
12. 임의의 이전 조항에 규정된 모드 제어 시스템은, 상기 광대역 광원으로부터 방출되는 상기 방사선의 편광 특성을 제어 가능하게 구성하도록 작동 가능한 가변 편광 구성:
을 더 포함하고,
상기 검출 유닛은 입력 편광각의 함수로서 상기 광대역 광원으로부터 방출되는 상기 방사선의 파워를 나타내는 조명 파라미터를 검출하도록 작동 가능한 조명 측정 디바이스를 포함하고, 상기 측정 데이터는 파워를 나타내는 상기 조명 파라미터를 포함하고 및/또는 파워를 나타내는 상기 조명 파라미터로부터 도출되며; 상기 모드 제어 시스템은 상기 광결정 섬유의 섬유 축에 대해 상기 가변 편광기에 의해 부과되는 편광각을 변화시킴으로써 상기 하나 이상의 펌프 결합 상태를 최적화하도록 또한 작동 가능하고, 이에 의해 상기 광대역 광원으로부터 방출되는 상기 방사선의 펌프 편광 상태들을 최적화한다.
13. 조항 12에 규정된 모드 제어 시스템에서, 상기 가변 편광 구성은:
상기 광결정 섬유에 대한 상기 펌프 레이저 빔의 편광각을 변화시키도록 작동 가능한 가변 편광기, 및/또는
상기 광결정 섬유의 각도를 그 광축을 중심으로 변화시키도록 작동 가능한 액추에이터:
중 하나 또는 양자 모두를 포함한다.
14. 임의의 이전 조항에 규정된 모드 제어 시스템에서, 상기 검출 유닛은 상기 빔의 형상 및/또는 크기와 관련된 상기 출력 방사선의 하나 이상의 빔 특성을 측정하도록 작동 가능한 빔 형상 및/또는 크기 측정 디바이스를 포함하고, 상기 측정 데이터는 상기 빔의 형상 및/또는 크기와 관련된 상기 출력 방사선의 상기 빔 특성들을 포함하고 및/또는 상기 빔의 형상 및/또는 크기와 관련된 상기 출력 방사선의 상기 빔 특성들로부터 도출된다.
15. 조항 14에 규정된 모드 제어 시스템에서, 상기 빔의 형상 및/또는 크기와 관련된 상기 출력 방사선의 상기 빔 특성들은: 빔 타원율, 빔 직경, 라게르-가우스 모드 형상, 또는 제르니케 다항식 형상 중 하나 이상을 포함한다.
16. 임의의 이전 조항에 규정된 모드 제어 시스템은, 상기 검출 유닛에 의해 측정되는 상기 광대역 광원으로부터 방출되는 방사선의 상기 하나 이상의 파라미터는 상기 광결정 섬유의 섬유 클래딩(fiber cladding)으로부터 방출되는 누출 방사선을 포함하도록 구성된다.
17. 임의의 이전 조항에 규정된 모드 제어 시스템은, 상기 광대역 광원의 하나 이상의 컴포넌트의 동작을 작동시키기 위한 하나 이상의 액추에이터를 포함하고; 상기 제어 신호는 상기 액추에이터들 중 하나 이상을 제어하도록 작동 가능하다.
18. 조항 17에 규정된 모드 제어 시스템은, 상기 처리 유닛으로부터 상기 제어 신호를 수신하고 상기 하나 이상의 액추에이터를 제어하도록 구성된 제어 유닛을 더 포함한다.
19. 조항 17 또는 조항 18에 규정된 모드 제어 시스템에서, 상기 하나 이상의 액추에이터는:
상기 광결정 섬유의 섬유 코어에 대한 상기 펌프 레이저 빔의 각도 오프셋;
상기 광결정 섬유의 섬유 코어에 대한 상기 펌프 레이저 빔의 측방향 오프셋;
상기 펌프 레이저 빔의 빔 직경;
절대 편광각; 및
상기 펌프 레이저 빔의 발산:
중 하나 이상을 최적화함으로써 하나 이상의 펌프 결합 상태의 최적화를 위해 작동 가능하다.
20. 조항 17, 조항 18, 또는 조항 19에 규정된 모드 제어 시스템에서, 상기 하나 이상의 액추에이터는:
적어도 하나의 빔 스티어링 컴포넌트 또는 그 지지부를 위한 적어도 하나의 액추에이터;
상기 광결정 섬유의 가스 셀 또는 그 지지부를 위한 적어도 하나의 액추에이터;
펌프 레이저 빔을 상기 광결정 섬유의 섬유 코어에 집속시키기 위한 집속 렌즈를 위한 적어도 하나의 액추에이터:
중 하나 이상을 포함한다.
21. 임의의 이전 조항에 규정된 모드 제어 시스템에서, 상기 처리 유닛은 상기 광대역 광원으로부터 방출되는 방사선의 상기 하나 이상의 파라미터 각각을 최적 또는 허용 가능한 모드 순도를 나타내는 동등한 역치 파라미터 값과 비교함으로써 측정 데이터를 평가하도록 작동 가능하다.
22. 임의의 이전 조항에 규정된 모드 제어 시스템에서, 상기 광결정 섬유는 중공 코어 광결정 섬유(hollow-core photonic crystal fiber: HC-PCF)를 포함한다.
23. 임의의 이전 조항에 규정된 모드 제어 시스템에서, 상기 광대역 광원의 상기 출력 방사선은 200 nm 내지 2000 nm의 파장 범위, 또는 이 범위 내의 하위범위를 포함한다.
24. 임의의 이전 조항에 규정된 모드 제어 시스템에서, 모드 순도는 기본 가로 모드의 파워와 총 출력 파워 사이의 비(ratio)를 나타낸다.
25. 임의의 이전 조항에 규정된 모드 제어 시스템에서, 상기 모드 제어 시스템이 상기 광대역 광원의 하나 이상의 펌프 결합 상태의 최적화를 위한 제어 신호를 발생시키도록 구성되는 것은:
모드 순도를 최대화하기 위해, 상기 하나 이상의 펌프 결합 상태의 최적화를 위한 제어 신호를 발생시키도록 구성되는 것을 포함한다.
26. 임의의 이전 조항에 규정된 모드 제어 시스템은, 누출 방사선을 검출하고 상기 광결정 섬유의 섬유 코어에 대해 상기 펌프 레이저 빔을 대강 결합하기 위해 초기의 대강 펌프 결합 동작에서 작동 가능한 적어도 하나의 검출기를 포함하고, 상기 대강 펌프 결합 동작은 상기 광결정 섬유의 입력 패싯 상에서의 상기 펌프 레이저 빔의 스캐닝 중에 상기 광결정 섬유의 섬유 클래딩으로부터 방출되는 누출 방사선을 측정하는 것; 및
상기 측정된 누출 방사선에 기초하여 상기 펌프 레이저 빔이 상기 광결정 섬유와 대강 정렬되는지 여부를 결정하는 것을 포함한다.
27. 조항 26에 규정된 모드 제어 시스템에서, 상기 펌프 레이저 빔이 대강 정렬되는지 여부를 결정하는 것은 상기 측정된 누출 방사선의 적어도 2개의 최대값 사이에서 상기 측정된 누출 방사선의 최소값을 찾는 것을 포함한다.
28. 조항 26 또는 조항 27에 규정된 모드 제어 시스템에서, 상기 펌프 레이저 빔이 대강 정렬되는지 여부를 결정하는 것은 상기 측정된 누출 방사선의 최대값들의 주변 환형 영역의 내부에서 상기 측정된 누출 방사선의 최소값을 찾는 것을 포함한다.
29. 조항 26, 조항 27, 또는 조항 28에 규정된 모드 제어 시스템에서, 상기 적어도 하나의 검출기는 상기 섬유 클래딩의 둘레에 반경방향으로 이격된 복수의 검출기를 포함한다.
30. 조항 29에 규정된 모드 제어 시스템에서, 각 검출기는 상기 광결정 섬유의 길이방향 축을 중심으로 360/n도보다 작은 각도에 걸쳐 상기 광결정 섬유의 반경방향으로 연장되는데, 여기서 n은 검출기의 수량이다.
31. 조항 26 내지 조항 28에 규정된 모드 제어 시스템에서, 상기 적어도 하나의 검출기는 적어도 한 쌍의 검출기와 미러을 포함하고, 각 검출기와 미러는 상기 섬유 클래딩의 둘레에서 반경방향 반대편 위치들에 위치된다.
32. 조항 26 내지 조항 31 중 어느 하나의 조항에 규정된 모드 제어 시스템에서, 상기 펌프 레이저 빔 상기 광빔의 스캐닝은 상기 입력 패싯 상의 나선형 경로를 따라서의 스캔을 포함한다.
33. 임의의 이전 조항에 규정된 모드 제어 시스템은, 상기 광빔을 스캐닝하기 위한 광학 조작 유닛을 더 포함하고, 상기 광학 조작 유닛은:
- 상기 광빔을 조작하도록 구성된 하나 이상의 광학 소자;
- 상기 광빔의 전파 방향을 조정하기 위한 광빔 틸트 조정기; 및
- 상기 전파 방향을 상기 광결정 섬유 쪽으로 설정하기 위해 상기 광빔 틸트 조정기를 제어하기 위한 제어 유닛:
을 포함한다.
34. 조항 33에 규정된 모드 제어 시스템에서, 상기 광빔 틸트 조정기는 직렬로 배치된 적어도 2개의 웨지 프리즘 및 틸트 작동 시스템을 포함하고,
상기 틸트 작동 시스템은 상기 웨지 프리즘들을 그 각각의 광축을 중심으로 독립적으로 회전시키도록 상기 제어 유닛에 의해 제어 가능하다.
35. 조항 33 또는 조항 34에 규정된 모드 제어 시스템에서, 상기 광학 조작 유닛은 상기 광빔을 변위시키기 위한 광빔 변위 디바이스를 더 포함하고, 상기 광빔 변위 디바이스는 평면 평행 플레이트 및 상기 광빔의 전파 방향에 실질적으로 수직인 제1 축을 중심으로 상기 평면 평행 플레이트를 회전시키도록 상기 제어 유닛에 의해 제어 가능한 변위 작동 시스템을 포함하고, 바람직하게는 상기 변위 작동 시스템은 상기 광빔의 전파 방향 및 상기 제1 축에 실질적으로 수직인 제2 축을 중심으로 상기 평면 평행 플레이트를 회전시키도록 또한 제어 가능하며, 바람직하게는 상기 광빔 변위 디바이스는 제2 평면 평행 플레이트를 포함하고 상기 변위 작동 시스템은 상기 광빔의 전파 방향 및 상기 제1 축에 실질적으로 수직인 제2 축을 중심으로 상기 제2 평면 평행 플레이트를 회전시키도록 상기 제어 유닛에 의해 제어 가능하다.
36. 광결정 섬유(PCF)를 포함하는 광대역 광원의 타이밍을 결정하도록 구성된 타이밍 제어 시스템으로서,
상기 광결정 섬유를 둘러싸는 가스 환경의 압력 변화를 검출하고 상기 압력 변화에 따라 적어도 하나의 전기 신호 - 상기 적어도 하나의 전기 신호는 상기 광대역 광원의 적어도 하나의 펄스의 타이밍을 결정하는 데 사용됨 - 를 출력하도록 구성된 적어도 하나의 압력 센서:
를 포함하는, 타이밍 제어 시스템.
37. 조항 36에 규정된 타이밍 제어 시스템에서, 상기 광대역 광원의 상기 적어도 하나의 펄스는 상기 광결정 섬유 내에서 생성되고 상기 압력 변화를 유발하는 광대역 펄스를 포함한다.
38. 조항 36에 규정된 타이밍 제어 시스템에서, 상기 광대역 광원의 상기 적어도 하나의 펄스는 상기 광결정 섬유에 결합되고 상기 압력 변화를 유발하도록 구성된 펌프 펄스를 포함한다.
39. 조항 36 내지 조항 38 중 어느 하나의 조항에 규정된 타이밍 제어 시스템에서, 상기 광결정 섬유는 중공 코어 광결정 섬유(HC-PCF)를 포함한다.
40. 조항 36 내지 조항 39 중 어느 하나의 조항에 규정된 타이밍 제어 시스템에서, 상기 적어도 하나의 전기 신호는 상기 펌프 펄스 또는 상기 광대역 펄스 중 적어도 하나에 대한 트리거 신호로서 구성된다.
41. 조항 1 내지 조항 35 중 어느 하나의 조항에 규정된 모드 제어 시스템; 및/또는
조항 36 내지 조항 40 중 어느 하나의 조항에 규정된 타이밍 제어 시스템:
중 하나 또는 양자 모두를 포함하는 광대역 광원 디바이스.
42. 조항 41에 규정된 광대역 광원 디바이스를 포함하는 계측 디바이스.
43. 조항 42에 규정된 계측 디바이스는, 스캐터로미터 계측 디바이스, 레벨 센서, 또는 정렬 센서를 포함한다.
44. 광결정 섬유를 포함하는 광대역 광원의 모드 제어 방법으로서,
측정 데이터를 획득하기 위해 상기 광대역 광원으로부터 방출되는 방사선의 하나 이상의 파라미터를 측정하는 단계;
상기 측정 데이터로부터, 상기 광대역 광원으로부터 방출되는 상기 방사선의 모드 순도를 평가하는 단계; 및
상기 광대역 광원의 하나 이상의 펌프 결합 상태 - 상기 펌프 결합 상태들은 상기 광결정 섬유의 섬유 코어에 대한 펌프 레이저 빔의 결합과 관련됨 - 을 최적화하기 위한 제어 신호를 발생시키는 단계;
를 포함하는, 방법.
45. 조항 44에 규정된 방법에서, 상기 출력 방사선의 상기 하나 이상의 파라미터는 상기 광대역 광원의 모드 순도를 나타내는 하나 이상의 파라미터를 포함한다.
46. 조항 44 또는 조항 45에 규정된 방법에서, 상기 검출 유닛에 의해 검출되는 상기 광대역 광원으로부터 방출되는 상기 방사선은 상기 광결정 섬유의 출력단으로부터 방출되는 출력 방사선을 포함한다.
47. 조항 46에 규정된 방법은, 상기 광결정 섬유에 의해 방출되는 주 출력 빔으로부터 기준 빔을 분할하는 단계를 포함하고, 상기 하나 이상의 파라미터를 측정하는 단계는 상기 기준 빔으로부터이다.
48. 조항 44 내지 조항 47 중 어느 하나의 조항에 규정된 방법에서, 상기 측정하는 단계는 상기 측정 데이터를 획득하기 위해 상기 출력 방사선의 하나 이상의 스펙트럼 파라미터 값을 측정하는 단계를 포함한다.
49. 조항 48에 규정된 방법에서, 상기 스펙트럼 파라미터 값들은 하나 이상의 스펙트럼 범위에서의 파워 스펙트럼 밀도 값을 포함한다.
50. 조항 48 또는 조항 49에 규정된 방법은, 상기 광대역 광원으로부터 방출되는 상기 방사선을 대역통과 필터링하는 단계 및 상기 필터링된 방사선의 파워를 나타내는 조명 파라미터를 측정하는 단계를 포함한다.
51. 조항 44 내지 조항 50 중 어느 하나의 조항에 규정된 방법에서, 상기는 상기 광대역 광원으로부터 방출되는 상기 방사선으로부터 기본 모드 이외의 고차 모드들을 공간적으로 필터링하는 단계, 및 상기 필터링된 방사선의 파워를 나타내는 조명 파라미터를 측정하는 단계를 포함한다.
52. 조항 44 내지 조항 51 중 어느 하나의 조항에 규정된 방법에서, 상기 측정하는 단계는 상기 측정 데이터를 획득하기 위해 상기 빔의 형상 및/또는 크기와 관련된 상기 출력 방사선의 하나 이상의 빔 특성을 측정하는 단계를 포함한다.
53. 조항 52에 규정된 방법에서, 상기 빔의 형상 및/또는 크기와 관련된 상기 출력 방사선의 상기 빔 특성들은: 빔 타원율, 빔 직경, 라게르-가우스 모드 형상, 또는 제르니케 다항식 형상 중 하나 이상을 포함한다.
54. 조항 44 내지 조항 53 중 어느 하나의 조항에 규정된 방법에서, 상기 측정하는 단계는 상기 측정 데이터를 획득하기 위해 상기 광결정 섬유의 섬유 클래딩으로부터 방출되는 누출 방사선을 측정하는 단계를 포함한다.
55. 조항 44 내지 조항 54 중 어느 하나의 조항에 규정된 방법은, 상기 광대역 광원의 하나 이상의 펌프 결합 상태를 최적화하기 위해 상기 제어 신호에 기초하여 상기 광대역 광원의 하나 이상의 컴포넌트의 동작을 작동시키는 단계를 포함한다.
56. 조항 55에 규정된 방법에서, 상기 하나 이상의 액추에이터는:
상기 광결정 섬유의 섬유 코어에 대한 상기 펌프 레이저 빔의 각도 오프셋;
상기 광결정 섬유의 섬유 코어에 대한 상기 펌프 레이저 빔의 측방향 오프셋;
상기 펌프 레이저 빔의 빔 직경;
절대 편광각; 및
상기 펌프 레이저 빔의 발산:
중 하나 이상을 최적화함으로써 하나 이상의 펌프 결합 상태의 최적화를 위해 작동 가능하다.
57. 조항 55 또는 조항 56에 규정된 방법에서, 상기 하나 이상의 액추에이터는:
적어도 하나의 빔 스티어링 컴포넌트 또는 그 지지부를 위한 적어도 하나의 액추에이터;
상기 광결정 섬유의 가스 셀 또는 그 지지부를 위한 적어도 하나의 액추에이터;
펌프 레이저 빔을 상기 광결정 섬유의 섬유 코어에 집속시키기 위한 집속 렌즈를 위한 적어도 하나의 액추에이터:
중 하나 이상을 포함한다.
58. 조항 44 내지 조항 57 중 어느 하나의 조항에 규정된 방법에서, 상기 평가하는 단계는 상기 광대역 광원으로부터 방출되는 방사선의 상기 하나 이상의 파라미터 각각을 최적 또는 허용 가능한 모드 순도를 나타내는 동등한 역치 파라미터 값과 비교하는 단계를 포함한다.
59. 조항 44 내지 조항 58 중 어느 하나의 조항에 규정된 방법에서, 상기 광결정 섬유는 중공 코어 광결정 섬유(HC-PCF)를 포함한다.
60. 조항 44 내지 조항 59 중 어느 하나의 조항에 규정된 방법에서, 모드 순도는 기본 가로 모드의 파워와 총 출력 파워 사이의 비를 나타낸다.
61. 조항 44 내지 조항 60 중 어느 하나의 조항에 규정된 방법에서, 상기 하나 이상의 펌프 결합 상태의 최적화를 위한 제어 신호를 발생시키는 단계는 모드 순도를 최대화하도록 상기 하나 이상의 펌프 결합 상태를 최적화한다.
62. 조항 44 내지 조항 61 중 어느 하나의 조항에 규정된 방법은, 상기 광결정 섬유의 섬유 코어에 대해 상기 펌프 레이저 빔을 대강 결합하는 초기의 대강 펌프 결합 단계를 포함하고, 상기 대강 펌프 결합 단계는 상기 광결정 섬유의 입력 패싯 상에서의 상기 펌프 레이저 빔의 스캐닝 중에 상기 광결정 섬유의 섬유 클래딩으로부터 방출되는 누출 방사선을 측정하는 단계; 및 상기 측정된 누출 방사선에 기초하여 상기 펌프 레이저 빔이 상기 광결정 섬유와 대강 정렬되는지 여부를 결정하는 단계를 포함한다.
63. 조항 62에 규정된 방법에서, 상기 펌프 레이저 빔이 대강 정렬되는지 여부를 결정하는 단계는 상기 측정된 누출 방사선의 적어도 2개의 최대값 사이에서 상기 측정된 누출 방사선의 최소값을 찾는 단계를 포함한다.
64. 조항 62 또는 조항 63에 규정된 방법에서, 상기 펌프 레이저 빔이 대강 정렬되는지 여부를 결정하는 단계는 상기 측정된 누출 방사선의 최대값들의 주변 환형 영역의 내부에서 상기 측정된 누출 방사선의 최소값을 찾는 단계를 포함한다.
65. 조항 62 내지 조항 64 중 어느 하나의 조항에 규정된 방법에서, 상기 펌프 레이저 빔 상기 광빔의 스캐닝은 상기 입력 패싯 상의 나선형 경로를 따라서의 스캔을 포함한다.
66. 광결정 섬유의 섬유 코어에 대해 펌프 레이저 빔을 대강 결합하는 대강 펌프 결합 단계를 수행하는 방법으로서, 상기 대강 펌프 결합 단계는 상기 광결정 섬유의 입력 패싯 상에서의 상기 펌프 레이저 빔의 스캐닝 중에 상기 광결정 섬유의 섬유 클래딩으로부터 방출되는 누출 방사선을 측정하는 단계; 및 상기 측정된 누출 방사선에 기초하여 상기 펌프 레이저 빔이 상기 광결정 섬유와 대강 정렬되는지 여부를 결정하는 단계를 포함한다.
67. 조항 66에 규정된 방법에서, 상기 펌프 레이저 빔이 대강 정렬되는지 여부를 결정하는 단계는 상기 측정된 누출 방사선의 적어도 2개의 최대값 사이에서 상기 측정된 누출 방사선의 최소값을 찾는 단계를 포함한다.
68. 조항 66 또는 조항 67에 규정된 방법에서, 상기 펌프 레이저 빔이 대강 정렬되는지 여부를 결정하는 단계는 상기 측정된 누출 방사선의 최대값들의 주변 환형 영역의 내부에서 상기 측정된 누출 방사선의 최소값을 찾는 단계를 포함한다.
69. 조항 66 내지 조항 68 중 어느 하나의 조항에 규정된 방법에서, 상기 펌프 레이저 빔 상기 광빔의 스캐닝은 상기 입력 패싯 상의 나선형 경로를 따라서의 스캔을 포함한다.
70. 도파관의 광학 평면에 대한 방사선의 편광각을 나타내는 편광 파라미터에 대한 최적화된 값을 결정하는 방법으로서,
상기 편광각과 상기 도파관을 통과한 방사선의 파워를 나타내는 파워 파라미터 사이의 관계를 획득하는 단계;
상기 파워 파라미터에 대한 값을 획득하는 단계; 및
상기 파워 파라미터 및 상기 관계에 대한 상기 값으로부터 편광 파라미터에 대한 상기 최적화된 값을 결정하는 단계:
를 포함하는, 방법.
71. 조항 70에 규정된 방법에서, 상기 도파관은 광결정 섬유 또는 중공 코어 광결정 섬유를 포함한다.
72. 이전 조항 70 또는 조항 71 중 어느 하나의 조항에 규정된 방법에서, 상기 결정하는 단계는 상기 파워 파라미터에 대한 최소값에 대응하는 것으로서 상기 최적화된 값을 결정하는 단계를 포함한다.
73. 이전 조항 70 내지 조항 72 중 어느 하나의 조항에 규정된 방법은,
복수의 각도 위치 사이에서 상기 방사선의 편광을 변화시키는 단계;
상기 파워 파라미터에 대한 복수의 값 - 각 값은 상기 각도 위치들 중 하나에 대응함 - 을 획득하는 단계; 및
상기 파워 파라미터에 대한 상기 복수의 값 중에서 적어도 하나의 최소값에 대응하는 것으로서 상기 편광 파라미터에 대한 최적화된 값을 선택하는 단계:
를 포함한다.
74. 조항 73에 규정된 방법에서, 상기 방사선의 상기 편광을 변화시키는 상기 단계는: 편광기 디바이스, 상기 방사선을 방출하는 광원, 또는 상기 명목상 원통형 도파관 중 하나 이상을 회전시키는 단계를 포함한다.
75. 도파관을 포함하는 광대역 광원의 출력 편광을 제어하도록 구성된 편광 제어 시스템으로서,
측정 데이터를 생성하기 위해 상기 광대역 광원으로부터 방출되는 방사선의 하나 이상의 파라미터를 측정하도록 구성된 적어도 하나의 검출 유닛; 및
상기 측정 데이터로부터, 상기 광대역 광원으로부터 방출되는 상기 방사선의 편광 특성을 유추하도록 구성된 처리 유닛:
을 포함하며,
상기 평가에 기초하여, 상기 편광 제어 시스템은 상기 광대역 광원의 펌프 편광 상태들의 최적화를 위한 제어 신호를 생성하도록 구성되고; 상기 펌프 편광 상태들은 광결정 섬유의 섬유 축에 대한 펌프 레이저 빔의 결합과 관련되는,
편광 제어 시스템.
76. 조항 75에 규정된 편광 제어 시스템에서, 상기 도파관은 광결정 섬유 또는 중공 코어 광결정 섬유를 포함한다.
77. 조항 75 또는 조항 76에 규정된 편광 제어 시스템은, 상기 광결정 섬유의 섬유 축에 대한 상기 광대역 광원의 상기 펌프 편광 상태들을 변화시키기 위한 가변 편광기 디바이스를 포함한다.
78. 조항 75 내지 조항 77 중 어느 하나의 조항에 규정된 편광 제어 시스템에서, 상기 편광기 디바이스는 회전 가능한 반파장판을 포함한다.
79. 조항 75 내지 조항 78 중 어느 하나의 조항에 규정된 편광 제어 시스템에서, 상기 검출 유닛은 파워 측정 디바이스를 포함하고, 방사선의 상기 하나 이상의 파라미터는 파워를 포함한다.
80. 조항 75 내지 조항 79 중 어느 하나의 조항에 규정된 편광 제어 시스템은, 상기 검출 유닛 전에 하나 이상의 원하는 파장을 선택하기 위한 광학 필터를 포함한다.
81. 조항 75 내지 조항 80 중 어느 하나의 조항에 규정된 편광 제어 시스템은, 상기 광대역 광원으로부터 방출되는 상기 방사선의 일부를 수집하기 위한 측정 브랜치를 포함한다.
82. 어셈블리로서,
- 방사선을 수신하고 변경하기 위한 광학 소자;
- 상기 변경된 방사선을 수신하기 위한 수신 요소; 및
- 상기 수신 요소를 둘러싸기 위한 가스 환경:
을 포함하고,
상기 어셈블리는 상기 가스 환경의 특성에 따라 상기 수신된 방사선의 변경을 조정하거나 상기 광학 소자와 상기 수신 요소 사이의 거리를 조정함으로써 상기 광학 소자와 상기 수신 요소 사이의 매칭 상태를 안정화시키도록 구성된 제어 요소를 더 포함한다.
83. 조항 82의 어셈블리에서, 상기 방사선은 실질적으로 단색이고, 상기 광학 소자는 집속된 단색광을 상기 요소에 제공하도록 구성된 집속 요소이며, 상기 요소는 상기 집속된 단색 방사선을 광대역 방사선으로 변환하도록 구성된 비선형 요소이다.
84. 조항 83의 어셈블리에서, 상기 비선형 요소는 상기 가스 환경에 내장된 비선형 섬유이다.
85. 조항 84의 어셈블리에서, 상기 가스 환경의 특성은 가스의 온도, 압력, 또는 조성이다.
86. 조항 85의 어셈블리에서, 상기 제어 요소는 상기 비선형 섬유의 광축을 따라 상기 비선형 섬유에 대해 상기 집속 요소를 가변적으로 위치시키도록 구성된 액추에이터를 포함한다.
87. 조항 85의 어셈블리에서, 상기 제어 요소는 상기 집속 요소의 광 파워를 가변적으로 조정하도록 구성된 액추에이터를 포함한다.
88. 조항 84 내지 조항 87 중 어느 하나의 조항의 어셈블리에서, 상기 매칭 상태는 상기 집속된 단색광을 상기 비선형 섬유에 결합하는 효율과 관련된다.
89. 조항 85 내지 조항 87 중 어느 하나의 조항의 어셈블리에서, 상기 제어 요소는 상기 가스의 온도, 압력, 또는 조성과 관련된 측정 값들을 수신하도록 구성된 프로세서를 더 포함한다.
90. 조항 89의 어셈블리에서, 상기 프로세서는 상기 가스의 굴절률의 변화를 결정하도록 구성된다.
91. 조항 90의 어셈블리에서, 상기 프로세서는 상기 비선형 섬유의 상류의 광 경로에 위치된 광학 소자들에 대한 지식에 기초하여 초점 위치 변동을 결정하도록 또한 구성된다.
92. 조항 89 내지 조항 91 중 어느 하나의 조항의 어셈블리는, 상기 가스 환경의 특성을 측정하도록 구성된 센서를 더 포함한다.
93. 어셈블리로서,
- 방사선을 수신하고 변경하기 위한 광학 소자; 및
- 상기 변경된 방사선을 수신하기 위한 수신 요소:
를 포함하고,
상기 어셈블리는 상기 수신 요소를 둘러싸는 가스 환경의 특성에 따라 상기 수신된 방사선의 변경을 조정하거나 상기 광학 소자와 상기 수신 요소 사이의 거리를 조정함으로써 상기 광학 소자와 상기 수신 요소 사이의 매칭 상태를 안정화시키도록 구성된 제어 요소를 더 포함한다.
94. 어셈블리로서,
- 방사선을 수신하고 변경하기 위한 광학 소자; 및
- 상기 변경된 방사선을 수신하기 위한 수신 요소:
를 포함하고,
상기 어셈블리는 상기 수신 요소의 출구에서 결정된 광 파워에 기초하여 상기 수신된 방사선의 변경을 조정하거나 상기 광학 소자와 상기 수신 요소 사이의 거리를 조정함으로써 상기 광학 소자와 상기 수신 요소 사이의 매칭 상태를 안정화시키도록 구성된 제어 요소를 더 포함한다.
95. 조항 94의 어셈블리에서, 상기 조정은 상기 수신 요소의 입구에서 결정된 광 파워를 또한 기초로 한다.
96. 조항 95의 어셈블리에서, 상기 조정은 i) 상기 수신 요소의 출구에서 결정된 상기 광 파워와 ii) 상기 수신 요소의 입구에서 결정된 상기 광 파워 사이의 비(ratio)를 기초로 한다.
본 발명의 위에서 언급된 예들 및 실시예들 모두는 HC-PCF 기반의 광대역 광원들과 관련되어 있으나, 본 발명은 SC-PCF 기반의 광대역 광원의 모드 제어에도 동등하게 적합하다. 상이한 실시예에서, 모드 제어 시스템의 검출 유닛은 SC-PCF 기반의 광대역 광원의 광대역 출력 빔의 하나 이상의 파라미터를 측정한다. 이러한 파라미터들은 SC-PCF 기반의 광대역 광원의 출력 모드 성능을 나타낼 수 있어야 한다. 측정된 데이터는 처리 유닛에서 처리되며 처리된 데이터는 이후 평가된다. 평가의 결과에 따라, 피드백 신호(또는 제어 신호)가 생성되어 모드 제어 시스템의 제어 유닛으로 송신된다. 마지막으로, 제어 유닛은 제어 신호를 수신하고는, 광원의 펌프 결합 상태들이 개선되고 SC-PCF 기반의 광원의 출력 모드 순도가 최적화되도록 SC-PCF 기반의 광대역 광원의 활성 컴포넌트들을 제어한다.
본 명세서에서는 IC의 제조에서 리소그래피 장치의 사용에 대해 구체적인 참조가 이루어질 수 있으나, 본 명세서에 기재된 리소그래피 장치는 다른 용도도 가질 수 있음을 이해해야 한다. 가능한 다른 용도로는 통합 광학계의 제조, 자구(magnetic domain) 메모리, 평판 디스플레이, 액정 디스플레이(LCD), 박막 자기 헤드 등에 대한 가이던스 및 검출 패턴이 포함된다.
본 명세서에서는 리소그래피 장치의 맥락에서 본 발명의 실시예들에 대해 구체적인 참조가 이루어질 수 있으나, 본 발명의 실시예들은 다른 장치에서도 사용될 수 있다. 본 발명의 실시예들은 마스크 검사 장치, 계측 장치, 또는 웨이퍼(또는 다른 기판) 또는 마스크(또는 다른 패터닝 디바이스)와 같은 물체를 측정 또는 처리하는 임의의 장치의 일부를 형성할 수도 있다. 이들 장치는 일반적으로 리소그래피 툴로 지칭될 수 있다. 이러한 리소그래피 툴은 진공 조건 또는 주변(비진공) 조건을 사용할 수 있다.
상기에서는 광학 리소그래피의 맥락에서 본 발명의 실시예들의 사용에 대해 구체적인 참조가 이루어질 수 있으나, 맥락이 허용하는 한 본 발명은 광학 리소그래피에 국한되지 않으며 다른 용도, 예를 들면 임프린트 리소그래피에도 사용될 수 있음을 이해할 것이다.
상기에서는 본 발명의 특정 실시예들이 설명되었으나, 본 발명은 기재된 것과 다르게 실시될 수도 있음을 이해할 것이다. 상기 설명은 예시를 위한 것이지 한정하기 위한 것이 아니다. 그래서, 이하에 기재되는 청구범위의 범위로부터 일탈함이 없이 기재된 바와 같은 본 발명에 변형이 이루어질 수 있음이 당업자에게는 분명할 것이다.
Claims (15)
- 광결정 섬유(photonic crystal fiber: PCF)를 포함하는 광대역 광원의 출력 모드를 제어하도록 구성된 모드 제어 시스템으로서,
측정 데이터를 생성하기 위해 상기 광대역 광원으로부터 방출되는 방사선의 하나 이상의 파라미터를 측정하도록 구성된 적어도 하나의 검출 유닛; 및
상기 측정 데이터로부터, 상기 광대역 광원으로부터 방출되는 상기 방사선의 모드 순도(mode purity)를 평가하도록 구성된 처리 유닛:
을 포함하고,
상기 평가에 기초하여, 상기 모드 제어 시스템은 상기 광대역 광원의 하나 이상의 펌프 결합 상태의 최적화를 위한 제어 신호를 발생시키도록 구성되며; 상기 펌프 결합 상태들은 상기 광결정 섬유의 섬유 코어에 대한 펌프 레이저 빔의 결합과 관련되는,
모드 제어 시스템. - 제1 항에 있어서,
상기 출력 방사선의 상기 하나 이상의 파라미터는 상기 광대역 광원의 모드 순도를 나타내는 하나 이상의 파라미터를 포함하는,
모드 제어 시스템. - 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
상기 검출 유닛에 의해 검출되는 상기 광대역 광원으로부터 방출되는 상기 방사선은 상기 광결정 섬유의 출력단으로부터 방출되는 출력 방사선을 포함하는,
모드 제어 시스템. - 제3 항에 있어서,
상기 모드 제어 시스템은 상기 광결정 섬유에 의해 방출되는 주 출력 빔으로부터 기준 빔을 분할하도록 위치된 빔 스플리터를 포함하고, 상기 검출 유닛에 의해 검출되는 상기 출력 방사선은 상기 기준 빔을 포함하는,
모드 제어 시스템. - 제1 항 내지 제4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 검출 유닛은 상기 측정 데이터로서 상기 출력 방사선의 하나 이상의 스펙트럼 파라미터 값을 측정하도록 작동 가능한 스펙트럼 측정 구성을 포함하고,
선택적으로, 상기 스펙트럼 파라미터 값들은 상기 출력 방사선의 측정된 스펙트럼의 하나 이상의 파라미터를 포함하는,
모드 제어 시스템. - 제1 항 내지 제5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 검출 유닛은 하나 이상의 대역통과 필터 - 상기 하나 이상의 대역통과 필터 각각은 상기 출력 방사선의 각각의 스펙트럼 범위를 선택하도록 작동 가능함 -; 및 상기 필터링된 방사선의 파워를 나타내는 조명 파라미터를 검출하도록 작동 가능한 조명 측정 디바이스를 포함하며, 상기 측정 데이터는 파워를 나타내는 상기 조명 파라미터를 포함하고 및/또는 파워를 나타내는 상기 조명 파라미터로부터 도출되는,
모드 제어 시스템. - 제5 항에 있어서,
상기 측정 데이터는 파워를 나타내는 상기 조명 파라미터로부터 도출된, 하나 이상의 스펙트럼 범위에서의 파워 스펙트럼 밀도 또는 에너지 스펙트럼 밀도 값을 포함하는,
모드 제어 시스템. - 제1 항 내지 제7 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 검출 유닛은 출력 방사선으로부터 기본 모드 이외의 고차 모드들(higher order modes)을 필터링하도록 작동 가능한 공간 필터 및 상기 필터링된 방사선의 파워를 나타내는 조명 파라미터를 검출하도록 작동 가능한 조명 측정 디바이스를 포함하고, 상기 측정 데이터는 파워를 나타내는 상기 조명 파라미터를 포함하고 및/또는 파워를 나타내는 상기 조명 파라미터로부터 도출되는,
모드 제어 시스템. - 제1 항 내지 제8 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 검출 유닛은 상기 빔의 형상 및/또는 크기와 관련된 상기 출력 방사선의 하나 이상의 빔 특성을 측정하도록 작동 가능한 빔 형상 및/또는 크기 측정 디바이스를 포함하고, 상기 측정 데이터는 상기 빔의 형상 및/또는 크기와 관련된 상기 출력 방사선의 상기 빔 특성들을 포함하고 및/또는 상기 빔의 형상 및/또는 크기와 관련된 상기 출력 방사선의 상기 빔 특성들로부터 도출되며,
선택적으로, 상기 빔의 형상 및/또는 크기와 관련된 상기 출력 방사선의 상기 빔 특성들은: 빔 타원율, 빔 직경, 라게르-가우스(Laguerre-Gaussian) 모드 형상, 또는 제르니케(Zernike) 다항식 형상 중 하나 이상을 포함하는,
모드 제어 시스템. - 제1 항 내지 제9 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 검출 유닛에 의해 측정되는 상기 광대역 광원으로부터 방출되는 방사선의 상기 하나 이상의 파라미터는 상기 광결정 섬유의 섬유 클래딩(fiber cladding)으로부터 방출되는 누출 방사선을 포함하도록 구성되는,
모드 제어 시스템. - 제1 항 내지 제10 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 모드 제어 시스템은 상기 광대역 광원의 하나 이상의 컴포넌트의 동작을 작동시키기 위한 하나 이상의 액추에이터를 포함하고; 상기 제어 신호는 상기 액추에이터들 중 하나 이상을 제어하도록 작동 가능하며,
선택적으로, 상기 하나 이상의 액추에이터는:
상기 광결정 섬유의 섬유 코어에 대한 상기 펌프 레이저 빔의 각도 오프셋;
상기 광결정 섬유의 섬유 코어에 대한 상기 펌프 레이저 빔의 측방향 오프셋;
상기 펌프 레이저 빔의 빔 직경;
절대 편광각; 및
상기 펌프 레이저 빔의 발산:
중 하나 이상을 최적화함으로써 하나 이상의 펌프 결합 상태의 최적화를 위해 작동 가능한,
모드 제어 시스템. - 제1 항 내지 제11 항 중 어느 한 항에 있어서,
모드 순도는 기본 가로 모드(fundamental transverse mode)의 파워와 총 출력 파워 사이의 비(ratio)를 나타내는,
모드 제어 시스템. - 제1 항 내지 제12 항 중 어느 한 항에 따른 모드 제어 시스템을 포함하는 광대역 광원 디바이스.
- 제13 항에 따른 광대역 광원 디바이스를 포함하는 계측 디바이스.
- 광결정 섬유를 포함하는 광대역 광원의 모드 제어 방법으로서,
측정 데이터를 획득하기 위해 상기 광대역 광원으로부터 방출되는 방사선의 하나 이상의 파라미터를 측정하는 단계;
상기 측정 데이터로부터, 상기 광대역 광원으로부터 방출되는 상기 방사선의 모드 순도를 평가하는 단계; 및
상기 광대역 광원의 하나 이상의 펌프 결합 상태 - 상기 펌프 결합 상태들은 상기 광결정 섬유의 섬유 코어에 대한 펌프 레이저 빔의 결합과 관련됨 - 을 최적화하기 위한 제어 신호를 발생시키는 단계;
를 포함하는, 방법.
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