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Non-Circular Optics for System Miniaturization
       

사이즈의 축소: 렌즈를 커팅하여 시스템의 크기를 줄임

 

정사각형 옵틱 및 커팅된 옵틱은 Czerny-Turner spectrographs와 같은 기존 광학 디자인의 총 체적을 감소시킴

 

정사각형 렌즈의 표면이 일반 플랫폼에 직접 닿도록 장착하면 열역학적 안정성이 향상됨

 

NA가 높은 마이크로 실린더 렌즈는 패키징 과정 동안 레이저 다이오드를 시준하고 원형화하는 데 사용 가능

 

대다수의 표준형 렌즈와 미러는 소형 광학 시스템에서 표면 장착이 용이하도록 맞춤 치수에 따라 커팅 가능

대다수의 사람들이 렌즈에 대해 생각할 때는 당연히 원형의 대칭형 렌즈일거라고 간주합니다. 이러한 선입견에는 그럴만한 이유가 있습니다. 역사상 렌즈 제조 시 대부분의 경우 구면 렌즈 및 비구면 렌즈의 형태를 정밀 가공연마하기 위해 이와 같은 대칭성에 의존해왔습니다. 방사형 대칭성은 광기계 설계 시 매우 유용한 도구와 같은 역할을 할 수 있어 복잡한 광학 시스템을 쉽게 센터링하고 정렬할 수 있도록 합니다. 이러한 수동적 정렬 과정의 예는 현미경 대물렌즈의 튜브나 하이엔드 카메라 렌즈의 내부에 있는 렌즈 배치를 보면 가장 잘 알 수 있습니다. 이 두 가지 예에서 렌즈와 스페이서 링은 튜브 내에서 셀프 센터링이 가능하기 때문에 제조 시간과 비용을 크게 절감하는 동시에 우수한 기계적 안정성을 제공합니다(그림 1).

Traditional circularly symmetric, round lenses are self-centered by circular spacers and retaining rings in conventional optical assemblies, simplifying assembly and alignment
그림 1: 원형으로 대칭을 이루는 기존의 round lens는 일반적인 광학 어셈블리에 사용되는 circular spacer와 retaining ring으로 셀프 센터링이 되기 때문에 조립과 정렬이 간단해짐

안타깝게도 기기가 더욱 소형화되고 공간을 덜 차지하는 기술적 추세로 나아감에 따라 패키지 내에 기기 장착품이나 사용하지 않는 글래스와 같이 필요 이상의 소재를 넣을 수 있는 공간이 항상 존재하는 것은 아닙니다. 이러한 이유로 근래의 현대적인 전자광학 패키지는 원형이나 V-groove mount를 사용하지 않고도 플랫폼에 평평하게 장착될 수 있는 커팅형 또는 정사각형 광학 부품을 사용하도록 설계됩니다(그림 2). 특히 멀티플렉서나 증폭기 같은 통신 기술을 비롯해 다양한 포토닉 테크놀로지에 이와 같은 광학 부품들이 사용됩니다. 다만 본문에서는 간략한 설명을 위해 miniature spectrometer와 fiber-coupled diode laser 이 두 가지 예에 대해서만 중점적으로 다룰 예정입니다.

Square or truncated optical components are becoming increasingly critical for a variety of space-constrained, electro-optical applications
그림 2: 사각형이나 커팅형 광학 부품은 공간적 제약이 있는 다양한 전자광학 용도에서 그 중요성이 점차 증대해가고 있음

Miniature Spectrometer에 사용되는 커팅형 미러

오늘날 소형 분광계(miniature spectrometer)에 사용되는 가장 흔한 광학 디자인으로 알려진 것은 Czerny-Turner 구성입니다. 이러한 구성 방식에서는 입사 슬릿의 빛이 소형의 오목 미러로 시준된 뒤 회절 격자 위로 향합니다(그림 3). 빛이 회절 격자에 입사하면, 그다음 여러 파장이 플랫폼에 평행한 광축을 따라 분산되지만 여전히 시준된 상태를 유지하게 됩니다. 이로 인해 분광계의 선형 디텍터 어레이에 다수의 슬릿 이미지를 포커싱하기 위해서는 상대적으로 직경이 큰 미러를 사용해야 하지만 이는 광축이 1개인 경우에만 해당합니다. 따라서 크기가 큰 원형 미러를 플랫폼과 같은 높이로 장착할 수 있도록 상단과 하단을 커팅하는 것이 시스템의 전반적인 높이를 크게 줄이는 일반적인 방법일 수 있습니다.

Schematic of a Czerny-Turner spectrometer utilizing two truncated focusing mirrors
그림 3: 커팅된 포커싱 미러 2개를 이용한 Czerny-Turner spectrometer의 설계 방식

일부 신형 miniature 및 micro-spectrometer 디자인의 경우 커팅형 미러를 회절 격자 대신 micro-electro-mechanical system (MEMS) 기반의 spatial light modulator와 통합시키는 방식이 더 증가 추세에 있습니다. MEMS 기술은 옵틱의 크기를 더욱 줄여주고 디텍터 어레이를 단일 요소의 포토다이오드로 대체할 수 있도록 해 경우에 따라 지우개 만큼이나 작은 크기로 분광계의 외관을 줄일 수 있습니다. 분광계 설계 시 이처럼 매우 작은 수준의 크기를 달성하기 위해서는 시준 미러와 포커싱 미러를 둘 다 커팅해야만 두 옵틱의 표면 장착이 가능한 플랫 에지를 제공할 수 있습니다. 이 경우 에폭시로 제자리에 고정되기 전에 두 미러의 정렬을 위해 "pick & place" 스타일의 micropositioning system이 사용됩니다. 마이크로포지셔닝에 대해서는 다음 단원에서 자세히 다룰 예정입니다.

Fiber-Coupled Diode Laser에 사용되는 정사각형 렌즈

레이저 다이오드에 주로 사용되는 레이저 패키지에는 수십 가지가 있지만, 대개는 14-pin butterfly가 고성능 광섬유 결합 레이저 다이오드의 산업 표준으로 자리 잡아 왔습니다. 이 패키지는 내장형 열전 냉각기(TEC: thermoelectric cooler)에 장착되는 일반 플랫폼을 사용할 수 있도록 해 매우 뛰어난 열역학 안정성을 제공합니다. 일반적으로 치수가 8mm x 15mm 미만인 이러한 플랫폼은 글래스와 열팽창 계수(CTE: coefficient of thermal expansion)가 일치하는 구리 텅스텐과 같은 재료로 제조됩니다. 열팽창 계수가 일치하면 패키지 내에서 광학 요소의 손상이나 정렬 오류 없이 광범위한 온도에서 레이저 다이오드를 작동시킬 수 있습니다. 다만 기존의 원형 마이크로 옵틱, 실리콘 V-grove, 금속 마운팅 링을 사용하면 열팽창 계수가 일치하지 않기 때문에 불안정성이 발생해 패키지 내부의 제한된 공간을 더욱 감소시키고 상당히 부정확한 정렬을 유발하게 됩니다. 현재 레이저 다이오드 패키징의 추세는 플랫폼에 직접 접착하거나 zero-gap mounting으로 알려진 절차를 통해 공간상에서 부수적인 글래스로 지지될 수 있는 정사각형 혹은 사각형의 micro-lens를 활용하는 것입니다. 이와 같은 렌즈는 신뢰성이 우수하고 포장의 부피를 최소화해 sub-micron 정밀 정렬을 가능하게 합니다.

14-pin butterfly laser diode dependent on non-circular optics
그림 4: 비원형 옵틱의 영향을 받는 14-pin butterfly laser diode

일반적으로 1-3mm 크기의 정사각형 옵틱을 활용하면 숙련된 오퍼레이터는 micropositioning stage를 사용해 플랫폼 상에 옵틱을 능동적으로 정렬할 수 있습니다. 이 스테이지는 vacuum pick-up tool로 구성되며 정사각형 옵틱의 상단 및 측면과 서로 수평이 될 때 옵틱을 대개 5도의 자유도(degree of freedom)로 자유 공간에 정렬할 수 있게 됩니다. 한편 레이저의 출력은 실시간으로 모니터링이 이루어집니다. 오퍼레이터가 정사각형 옵틱 대신 원형의 옵틱을 사용해 동일한 작업을 수행하고자 하는 경우, 해당 렌즈를 정사각형 혹은 사각형의 렌즈 홀더에 장착해야 함에 따라 총 체적이 크게 증가할 수 밖에 없어 결국 패키지에 장착할 수 있는 광학 요소의 최대 개수를 줄여야 합니다.

전형적인 fiber-coupled 14-pin butterfly 패키지의 경우 효과적이면서 안정적인 결합을 제공하는 데 필요한 개별 렌즈의 수가 최대 3개에 이를 수 있습니다. 다수의 하이엔드 레이저 다이오드는 레이저 다이오드의 fast와 slow 축에 대한 발산각 간의 차이를 보정하기 위해 두 개의 cross acylindrical square micro-lens를 사용합니다. Fast axis collimating (FAC) lens로 알려진 first lens는 발산각으로 인해 약 500µm의 전형적인 초점 거리와 함께 상당히 많은 수의 NA(numerical aperture)를 보유해야 하며 이때 발산각은 방출 구경의 크기 작기 때문에 대개 약 25도 가량 됩니다. 싱글 모드 또는 멀티 모드 다이오드 사용에 따라 slow 축은 fast 축보다 3-5배 낮은 어느 위치에서나 발산각을 갖게 됩니다. 따라서 빔을 원형화하려면 slow axis collimating (SAC) lens의 초점 거리가 fast axis collimating (FAC) lens의 초점 거리보다 훨씬 더 길어야 합니다. 다이오드의 submount 크기에 따라 이러한 광학 요소는 사용하고자 하는 플랫폼 공간의 최대 1/3까지 쉽게 차지할 수 있어 더 나아가 원형 옵틱 대신에 정사각형 마이크로 옵틱을 사용하는 것이 중요함을 알 수 있습니다. 빔이 시준된 후에는 광섬유 내부로 빛을 결합하기 위해 세 번째 정사각형 렌즈(주로 비구면 렌즈)가 필요합니다. 시준 단계에서 빔의 프로파일과 발산각을 모니터링하는 것과 마찬가지로 최대 출력을 보장하기 위해서는 광섬유 결합 단계 또한 적극적으로 모니터링해야 합니다. 일부 single-mode, fiber-coupled laser의 경우에는 편광 소광비 역시 관찰될 수 있습니다. 저출력 레이저를 사용하는 저비용 레이저 다이오드 시스템의 경우에는 cylindrical FAC와 SAC lens 조합 대신 단일 구면 렌즈나 비구면 렌즈가 주로 사용됩니다.

Two cylinder lenses are often used to circularize the output of laser diodes. Filters and other optical components can be inserted into the collimated beam path between the SAC lens and the coupling lens
그림 5: 레이저 다이오드의 출력을 원형화화는 데 있어 두 개의 실린더 렌즈가 주로 사용됨. 필터 및 기타 광학 부품은 SAC lens와 coupling lens 사이에 있는 시준빔 경로 내부에 삽입 가능.

비원형 옵틱의 맞춤 제작

위에서 언급한 내용은 현대식 전자광학 장치에 비원형 옵틱이 적용되는 방식에 관해 다룬 두 가지 예에 불과합니다. 기기의 패키징이 더욱 작아지고 소형화되어 가는 추세가 지속되면서 정사각형 렌즈와 커팅형 렌즈, 미러에 대한 수요 역시 앞으로 증가할 것입니다. 이와 같은 광학 요소의 일부는 기성 제품으로 공급되기도 하지만 대다수의 경우에는 맞춤 제작이 필요하다는 것을 이해하고 있어야 합니다. 에드몬드 옵틱스(EO)는 1-3mm 정도로 작은 비원형 옵틱을 제조하지는 않더라도, 정사각형의 다양한 표준 기성 cylinder lens를 공급하고 맞춤 제작 서비스를 위해 커팅형 광학 부품을 제공하기도 합니다. 이러한 서비스는 크기 및 중량에 민감한 어플리케이션에 안성맞춤입니다. 커팅형, 실린더 옵틱, 맞춤형 크기의 제품을 위해 대량 생산 등의 서비스를 원할 경우 당사로 문의 주시기 바랍니다.

자주 묻는 질문(FAQ's)

FAQ  커팅형 옵틱은 어떠한 방식으로 kinematic mount의 필요성을 없애줍니까?
원형의 옵틱 대신에 평평한 에지를 갖도록 렌즈나 미러를 커팅하면 micropositioning stage로 광학 요소를 손쉽게 조정한 뒤 마운트의 표면이나 중간부에 직접 에폭시를 바른 후 차례로 표면에 접착할 수 있습니다.
FAQ  원형의 옵틱을 정사각형으로 커팅하는 방식은 맞춤형 정사각 옵틱을 몰딩하는 것에 비해 어떠한 장점이 있습니까?

몰딩 처리된 정사각 옵틱은 대량 생산 용도에 안성맞춤인 옵션이지만 몰딩 과정에서 고가의 비용이 발생할 수 있습니다. 소량 생산이나 프로토타이프 제작의 경우에는 크기가 큰 원형 옵틱을 소형의 정사각 옵틱으로 커팅하는 것이 더 바람직합니다.

FAQ  레이저 다이오드 시준 용도의 경우 cross cylindrical lens를 사용해야 합니까?

빔의 품질과 발산각이 그다지 중요하지 않은 로우엔드 레이저 장치의 경우에는 대개 단일 비구면 렌즈를 사용할 수 있습니다. 단, 원형화, 발산, 공초점(confocality) 성능이 중요한 용도에서는 cross cylinder를 사용하는 것이 가장 비용 효율적인 옵션입니다.

FAQ  광섬유를 결합하기 전에 레이저 다이오드를 시준해야 하는 이유는 무엇입니까?
엄밀히 말하자면, 다이오드 레이저의 출력을 우선 시준하지 않고도 광섬유의 결합을 가능하게 하는 광학 설계 방식이 존재하지만, 이러한 설계는 광섬유의 결합 효율성을 크게 저하시킬 수 있는 심각한 비점수차를 유발합니다. 레이저 패키지 내부에 시준된 빔을 설치하면 micro-optical isolator와 bandpass filter 등의 광학 요소를 추가할 수 있습니다.

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