마이켈슨 간섭계 기반 교차상관 QOCT: 고해상도·분산보정·노이즈 내성 구현

초록

본 논문은 마이켈슨 간섭계에 교차상관 검출을 적용한 양자 광학 코히런스 단층촬영(QOCT) 방식을 제안한다. 기존 자동상관 방식에서 발생하던 기생 신호와 위상 잡음에 대한 민감성을 제거하고, 넓은 스펙트럼을 갖는 콜리니어 SPDC 광원을 그대로 활용하면서도 두 배의 축방향 해상도와 분산 보정을 유지한다. 실험적으로 교차상관 방식의 PSF가 더 좁고 신호대잡음비가 향상됨을 확인했으며, 실리콘 윈도우를 이용한 결함 탐지에도 성공하였다.

상세 분석

이 연구는 양자 광학 코히런스 단층촬영(QOCT)의 실용화를 목표로, 마이켈슨 인터페로미터(MI) 내에서 교차상관(cross‑correlation) 검출 방식을 도입하였다. 기존 자동상관(auto‑correlation) 스킴은 두 광자 모두 같은 출력 포트에서 검출되기 때문에, HOM 간섭에 기인한 M₀ 항 외에 M₁(단일광자 MI 간섭)과 M₂(펌프 광자 간섭)라는 두 개의 기생 항이 동시에 나타난다. 특히 M₁ 항은 스펙트럼이 넓어 M₀와 겹치게 되면 축방향 해상도가 저하되고, 신호대잡음비(SNR)도 감소한다. 또한, 광섬유 내부의 위상 잡음이 M₁과 M₂의 주파수 성분을 넓혀, 후처리(Fourier 필터링) 시 손실이 커진다.

교차상관 방식은 두 출력 포트(a, b)를 각각 검출기에 연결하고, a‑b 조합으로 동시 검출한다. 이 경우 M₁ 항이 완전히 사라지고, 남는 기생 항은 M₂뿐이다. M₂는 펌프의 좁은 대역폭(δ)으로 제한되며, 중앙 주파수 ωₚ에만 존재한다. 따라서 Fourier 도메인에서 M₀와 M₂는 명확히 구분되며, 간단한 고주파 평균이나 필터링만으로 M₀만을 추출할 수 있다.

이론식 (11b)에서 보듯, 교차상관 인터페로그램 M_cross(τ)는 M₀의 진폭이 두 배이며 부호가 반전된 ‘딥’ 형태를 가진다. 이는 동일한 광자 쌍을 두 포트에 분배함으로써 50 % 손실이 사라지고, 실제 측정 시 동시 검출 효율이 4배 향상되는 효과와 일치한다. 결과적으로 동일한 SPDC 광원에서 자동상관 대비 SNR이 크게 개선된다.

실험에서는 1313 nm 중심 파장, 50 nm 대역폭을 갖는 콜리니어 타입‑0/Ⅰ PPLN 기반 SPDC 소스를 사용하였다. 광섬유 빔스플리터와 circulator를 이용해 입력을 분리하고, 두 개의 출력 포트를 각각 D1, D2, D3 검출기에 연결해 자동·교차상관 인터페로그램을 동시에 수집하였다.

1. PSF 검증: 단일 거울 샘플에서 교차상관 인터페로그램은 M₁ 항이 전혀 나타나지 않으며, M₀ 딥의 전형적인 가우시안 폭이 16.6 µm(≈c/Δ) 수준으로 측정되었다. 이는 이론적으로 기대되는 두 배 해상도와 일치한다.

2. 분산 보정: 5 mm 실리콘 윈도우(고분산) 삽입 실험에서, 전통적인 OCT은 인터페로그램이 크게 넓어졌지만, 교차상관 QOCT은 거의 변형되지 않아 분산 보정 능력을 확인하였다.

3. 결함 탐지(Defectoscopy): 두 실리콘 윈도우 사이에 공기층을 삽입한 샘플에서, 교차상관 QOCT은 5 µm 이하의 층 두께를 명확히 구분하였다. 이는 고해상도와 분산 보정이 동시에 요구되는 반도체 결함 검사에 유리함을 보여준다.

또한, 광섬유 내부 위상 잡음이 인터페로그램 스펙트럼을 20배 이상 확대했음에도 불구하고, 교차상관 방식은 M₂가 펌프 주파수에 국한되므로 위상 잡음에 대한 민감도가 크게 감소한다. 이는 실시간 스캔이나 장시간 측정에서 안정적인 데이터 획득을 가능하게 한다.

결론적으로, 교차상관 MI‑QOCT은 (i) 기생 항 제거로 인한 해상도·SNR 향상, (ii) 펌프 대역폭에 의한 간단한 후처리, (iii) 광섬유 위상 잡음에 대한 내성, (iv) 기존 자동상관 방식 대비 2배 이상의 축방향 해상도와 4배 이상의 검출 효율을 제공한다. 이러한 장점은 고속·고해상도 양자 단층촬영 시스템 구축에 핵심적인 전진을 의미한다.