광 스펙트럼 분석기란?
광 스펙트럼 분석기 (영어: Optical spectrum analyzer) 는 이 광 스펙트럼을 측정하기 위한 분광 장치입니다.
광 스펙트럼은 가로축에 파장, 세로축에 광 강도를 표시한 파장별 강도 분포를 말합니다. 비슷한 장치로 광파장계가 있지만, 광스펙트럼 분석기에는 측정값을 보정하는 기능이나 파장을 스캔하는 거울이 탑재되어 있습니다.
광파장계보다 광학계가 복잡한 편이지만, 다기능으로 다용도로 사용할 수 있는 것이 특징입니다. 따라서 장비의 가격이 상대적으로 높습니다.
광스펙트럼 분석기는 광네트워크 통신이나 광커플러 등 광반도체 개발에 활용되고 있습니다. 그 외에도 빛을 이용한 분석, 수분량 측정, 막 두께 측정, 의약, 생물 등 바이오, 화학을 비롯한 모든 광 관련 부품 분야에 응용되고 있습니다.
광 스펙트럼 분석기의 사용 용도
광 스펙트럼 분석기는 주로 광학계의 성능 평가에 활용되고 있습니다. 특히 레이저 광원이나 LED 광원은 산업, 의료 응용, 정보통신, 학술 연구에 이르기까지 매우 광범위하게 응용되고 있으며, 그 파장 특성을 조사하는 것은 매우 중요합니다.
광 스펙트럼 분석기의 사용 용도의 일례는 다음과 같습니다.
- 레이저, LED를 비롯한 단색광원 및 수은, 크세논 램프 등 백색광원의 파장 특성 평가
- 광학 부품의 파장 의존적인 반사율, 투과율 평가
- 광파장 다중 통신 등 광섬유 통신의 품질 검사
광 스펙트럼 분석기의 원리
광 스펙트럼 분석기의 원리는 분광 방식에 따라 크게 분산형과 간섭형 두 가지로 나뉩니다.
1. 분산형 분광방식 광 스펙트럼 분석기
분산 분광 방식은 분광 소자를 이용하여 파장 성분을 공간적으로 분해하여 파장별 강도를 측정하는 방식입니다.
분광소자에는 프리즘이나 회절 격자가 사용됩니다. 분광기는 그 외에 콜리메이트 (Collimate) 라고 불리는 거울과 렌즈, 집광용 카메라나 렌즈로 구성되어 있습니다.
프리즘의 경우 파장에 따른 굴절률의 차이를 이용하여 분광합니다. 프리즘에 입사된 빛은 파장에 따라 다른 굴절각으로 분사됩니다. 이를 통해 측정하고자 하는 빛의 파장 성분을 공간적으로 분해할 수 있습니다.
회절격자의 경우, 파장에 따른 회절각의 차이를 이용하여 분광합니다. 회절 격자에 빛이 입사하면 회절 조건을 만족하는 각도로 파장별로 다른 각도로 출사됩니다.
2. 간섭분광 방식 광 스펙트럼 분석기
간섭분광법은 측정하고자 하는 빛을 간섭시켜 그 간섭 패턴으로부터 스펙트럼을 측정하는 방법입니다.
측정하고자 하는 빛을 간섭시키기 위해 빔 스플리터를 이용한 이광속 간섭 방식과 대향시킨 고반사 미러를 이용한 다광속 간섭 방식이 있습니다. 이광속 간섭 방식에서는 이광속의 광로 길이를 변화시켜 간섭광 강도 변화(인터 프로그램)를 측정하고, 이를 역 푸리에 변환하여 스펙트럼을 산출할 수 있습니다.
다광속 간섭 방식에서는 측정하고자 하는 빛을 다중 반사시키면 공진하는 파장 성분만을 추출할 수 있습니다. 거울의 간격을 바꾸면 공진하는 빛의 파장도 바뀌기 때문에 이를 반복하여 스펙트럼을 측정할 수 있습니다.
파장별로 분리된 빛의 강도를 검출하는 분산 분광 방식에 비해 다이내믹 레인지의 성능은 떨어지지만, 높은 파장 정확도를 얻을 수 있습니다.
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광스펙트럼 분석기의 성능 비교
광 스펙트럼 분석기의 성능을 나타내는 가장 중요한 것 중 하나는 파장 분해능 있습니다. 파장 분해능은 광 스펙트럼을 분해할 수 있는 파장폭의 한계를 나타내는 용어입니다.
1. 분산 분광 방식 광 스펙트럼 분석기
분산 분광 방식의 경우, 파장 분해능은 사용하는 회절 격자의 종류, 광로의 거리, 슬릿 폭 등에 따라 달라집니다. 따라서 파장 분해능이 높은 장비의 경우 대형 장비가 됩니다.
또한, 검출할 때 빛이 통과하는 슬릿의 폭을 좁히면 분해능은 높아지지만, 검출하는 강도도 낮아지므로 필요한 분해능 폭을 고려하여 광학계를 조정하는 것이 중요합니다. 카메라에 냉각장치가 부착된 제품을 사용하는 경우, 암전류 등의 배경을 낮추어 측정할 수 있습니다.
2. 간섭분광 방식 광 스펙트럼 분석기
간섭 분광 방식의 경우, 광로 길이를 변화시킬 때의 스텝 폭에 따라 파장 분해능이 결정됩니다. 따라서 높은 파장 분해능을 원할 경우 더 많은 단계로 측정해야 하므로 측정 시간이 더 길어집니다.