2마이크로미터 파장대 GaSb 기반 초광대역 SLD를 이용한 시간영역 OCT 구현

초록

본 논문은 GaSb 기반 초광대역 슈퍼루미네선트 다이오드(SLD)를 2 µm 파장대의 광원으로 활용하여 시간영역 광학 코히런스 단층촬영(TD‑OCT) 시스템을 구현한 최초 사례를 제시한다. 80 nm 폭의 FWHM 스펙트럼을 갖는 SLD는 150 mA 이하 전류에서 스펙트럼 리플이 20 % 미만으로 안정적인 ASE를 제공한다. 섬유 결합형 마이켈슨 인터페로미터와 균형 검출기를 이용해 약 300 µm(공기 기준)의 축방향 해상도를 달성했으며, 페인트 코팅 샘플의 깊이 정보를 성공적으로 영상화하였다. 슈퍼컨티넘에 비해 소형·저전력·비용 효율적인 광원으로서 2 µm OCT 시스템의 실용화를 제시한다.

상세 분석

이 연구는 2 µm 파장대에서 GaSb 기반 SLD가 제공할 수 있는 광학적 특성을 정량적으로 규명하고, 이를 기반으로 TD‑OCT 시스템을 설계·시연한 점에서 의미가 크다. 먼저 SLD는 2 mm 길이, 5 µm 폭의 J‑shaped 리지 웨이브가이드를 채택하고, 전면에 90 % 고반사 코팅, 뒤쪽에 0.5 % 반사율의 AR 코팅을 입혀 ASE 효율을 극대화하였다. 전류 100 mA 이상에서 ASE가 시작되며, 400 mA에서 최대 19.5 mW(섬유 출력)까지 출력한다. 그러나 전류가 150 mA를 초과하면 스펙트럼 리플이 20 %를 넘어가고, 400 mA에서는 50 %까지 상승한다. 이는 이중 패스 이득 구조가 고전압 구간에서 공진 효과를 일으키기 때문이다. 따라서 OCT에 최적화된 동작점은 100–150 mA 구간으로, 이때 80–83 nm의 FWHM과 2.065 µm 중심 파장을 유지한다.

광학 설계 측면에서 저손실 50:50 광섬유 커플러와 20 mm 초점 거리 CaF₂ 렌즈, 15 mm 반사형 콜리메이터를 이용해 샘플 및 레퍼런스 빔을 균일하게 전송하였다. 균형 검출기를 사용해 공통 잡음(특히 레이저 전류에 의한 RIN)을 크게 억제했으며, 1.7–2.4 µm 대역에 1 A/W의 감도를 갖는 InGaAs PIN 포토다이오드가 신호 회복에 기여한다. 측정된 코히런스 엔벨로프는 약 300 µm(공기) 해상도를 보였는데, 이는 실제 사용된 스펙트럼이 이론적 가우시안 형태에서 벗어나 약간의 비대칭과 리플을 포함했기 때문이다. 이론적으로는 80 nm 대역폭이면 2 µm 중심 파장에서 23 µm 정도의 축방향 해상도가 기대되지만, 섬유 결합 손실·스펙트럼 비균일성·검출 대역폭 제한 등이 복합적으로 작용해 실험값이 크게 감소하였다.

응용 측면에서는 물 함량이 낮은 비생물학적 재료(페인트 코팅, 세라믹, 복합재 등)의 투과·산란 특성이 2 µm에서 감소함을 이용해 기존 1.3 µm·1.5 µm OCT 대비 깊이 침투가 향상된다. 특히 물 흡수가 거의 없는 재료에서는 파장에 따른 흡수 손실이 무시되므로, 스캐닝 속도와 시스템 복잡도만 낮추면 충분히 실용적인 비파괴 검사 도구가 된다. 슈퍼컨티넘 대비 SLD는 전기 구동, 패키징이 간단하고, 반도체 공정으로 대량 생산이 가능하므로 비용·부피·전력 소모 측면에서 큰 장점을 가진다. 다만 현재는 출력 파워가 수 mW 수준에 머물러 신호‑대‑잡음비(SNR)를 향상시키려면 검출기 감도 개선·광섬유 결합 효율 최적화가 필요하다.

요약하면, GaSb 기반 2 µm SLD는 충분히 넓은 스펙트럼과 안정적인 ASE를 제공하며, 적절한 전류 구간에서 스펙트럼 리플을 억제할 수 있다. 이를 이용한 섬유 기반 TD‑OCT는 300 µm 수준의 축방향 해상도와 2 mm 정도의 탐침 깊이를 달성했으며, 비생물학적 코팅 및 재료 검사에 유망한 플랫폼을 제시한다. 향후 파장대 확대·대역폭 최적화·출력 증대가 이루어지면, 10 µm 이하의 고해상도 2 µm OCT 시스템도 실현 가능할 것으로 기대된다.