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광학 스펙트럼 분석기(OSA)를 사용하여 자유 공간을 통해 전파되는 빛을 측정할 때, OSA의 입력은 일반적으로 광섬유 연결을 통해 이루어지므로, 적응형 고정구(adaptive fixture)가 종종 필요합니다.* 이 고정구는 일반적으로 지그(jig)라고 불리며, 빛을 광섬유로 결합할 수 있도록 해줍니다.
이 응용 노트에서는 자유 공간에서 전파되는 광원이나 광 필터의 광학 전송 스펙트럼을 측정할 때 권장되는 자유 공간 광 측정용 지그를 소개합니다. 광원용 지그 4종과 필터용 지그 1종을 설명합니다.
최근 몇 년간, 통신, 생명공학, 환경 모니터링, 가스 감지/분석 등 여러 산업 분야에서 광학 관련 연구개발 및 제조 응용이 급격히 증가하고 있으며, 이로 인해 고급 광학 스펙트럼 측정, 특히 자유 공간에서 전파되는 빛의 측정이 요구되고 있습니다.
자유 공간 빛을 측정하는 과정은 복잡하기 때문에, 데이터가 정확하고 가능한 한 높은 정밀도로 수집될 수 있도록 전용 지그(specialized jig)를 사용하는 것이 일반적입니다.

프로젝트에 가장 적합한 지그 유형을 선택할 때는 대상 물체, 필요한 결합 효율, 그리고 예산을 고려하는 것이 중요합니다.

*1 실제 파장 범위는 광섬유와 렌즈의 파장 대역폭에 의해 제한됩니다.
표 1: 지그 유형 L-1, L-2, L-3, L-4는 광원 측정에 사용됩니다.

*1 실제 파장 범위는 광섬유와 렌즈의 파장 대역폭에 의해 제한됩니다.
표 2: 지그 유형 T-1은 광 필터 측정에 사용됩니다.
L-1 지그 유형은 범용 광원 측정에 사용됩니다. 발산광(divergent light)과 평행광(collimated light) 모두에 적용 가능하며, 사용이 간편하고 저비용이며, XY축 이동 마운트를 이용한 정밀한 광학 정렬이 가능합니다.
고려사항
측정 대상 장치(DUT)는 사용자가 고정하고 대략적으로 정렬해야 합니다.
측정 파장 범위는 광섬유의 파장 대역폭에 의해 제한될 수 있습니다.
대구경 멀티모드 광섬유 사용을 권장합니다.
정렬단계

그림 2: 지그형 L-1 부품 구성
L-2 지그 타입은 TO-CAN(발산형) 광원과 관련된 측정에 사용됩니다. 사용이 간편하고 저비용이며, XY축 이동 마운트를 이용한 광학 정렬을 쉽게 하기 위해 케이지 시스템을 활용합니다.
고려사항
정렬 단계

L-3 지그 타입은 비구면 렌즈나 포물면 거울을 사용하여 결합 손실이 낮은 발산형 광원의 측정에 사용됩니다. 정밀한 광학 정렬을 위해 케이지 시스템과 두 개의 이동 마운트를 사용합니다.
고려사항
정렬 단계
XY축 이동 마운트와 Z축 이동 마운트를 모두 제거합니다.
포물면 거울과 광섬유 어댑터 사이의 광학 정렬을 조정하여 평행광(그림 4의 블록 A)을 생성합니다.
XY축 이동 마운트(비구면 렌즈 장착)와 Z축 이동 마운트를 DUT와 함께 케이지 조립봉을 이용해 조립합니다.
DUT 출력광(그림 4의 블록 B)의 평행광 상태를 조정하고, 블록 A의 구성 요소와 연결합니다.
측정되는 광 출력이 최대가 되도록 XY축 이동 마운트를 조정합니다.
선택 단계
가시광 레이저 광원(단일 모드 출력)과 시어링 간섭계(평행광 측정기)를 사용하여 광학 정렬을 용이하게 합니다.
가시광 레이저의 출력을 광섬유 어댑터를 통해 미러 마운트 안의 포물면 거울로 입력합니다.
포물면 거울의 출력광을 시어링 간섭계로 입력합니다.
간섭무늬가 평행광이 될 때까지 미러 마운트와 XYZ축 이동 마운트를 조정합니다.
DUT 출력광이 XY축 이동 마운트의 비구면 렌즈에 의해 평행광이 되도록 XYZ축을 조정합니다.
정렬 디스크를 사용하여 평행광 상태를 확인합니다.
F
그림 4: 지그형 L-3 부품 구성
L-4 지그 타입은 케이지 시스템과 정밀 광학 정렬을 위한 두 개의 이동 마운트를 사용하여 비구면 렌즈 또는 포물면 거울로 인해 낮은 결합 손실을 가지면서 발산광을 측정합니다.
고려사항
TO-CAN 전용 발산광원에만 적용
TO-CAN 외 발산광원에는 Type L-1 사용
측정 파장 범위는 광섬유와 비구면 렌즈의 파장 대역에 의해 제한될 수 있음
소구경 다중모드 광섬유 권장
정렬 단계
XY축 이동 마운트와 Z축 이동 마운트를 모두 제거
포물면 거울과 광섬유 어댑터 사이의 광학 정렬을 조정하여 평행 빔 생성 (그림 5의 Optical Layout Block 참조)
비구면 렌즈가 장착된 XY축 이동 마운트와 Z축 이동 마운트를 케이지 조립 막대를 이용해 DUT에 조립
DUT 출력 빔의 평행도 조정 및 Optical Layout Block의 구성 요소에 맞게 설정
측정된 출력 전력을 최대화하도록 XY축 이동 마운트 조정
광학 정렬
포물면 거울과 광섬유 어댑터 사이의 광학 정렬을 조정하여 평행 빔 생성
위에서 생성한 평행 빔을 사용하여 DUT의 광학 정렬 조정 (뷰어 카드 또는 정렬 디스크 사용 가능)
XYZ축 이동 마운트를 조정하여 OSA에서 측정되는 전력 최대화

대구경 다중모드 광섬유용으로 설계되고 반사 광학을 사용하는 T-1 지그 타입은 광학 필터의 투과 특성을 넓은 파장 범위에서 낮은 삽입 손실로 측정하며, 광학 정렬 조정이 필요하지 않습니다.
고려사항
1인치 광학 필터에만 적용
측정 파장 범위는 광섬유의 파장 대역에 의해 제한될 수 있음
대구경 다중모드 광섬유(> 200 μm) 권장

그림 7: 400 μm 다중모드 광섬유를 사용하여 AQ6374 OSA로 측정한 삽입 손실. 1400 nm 부근의 피크는 수증기 흡수 스펙트럼이며 (OSA 퍼지 기능 사용 시 감소 가능)
그림 8. 400 μm 다중모드 광섬유를 사용하여 AQ6376 및 AQ6377 OSA로 측정한 삽입 손실. 2700 nm 및 4200 nm 부근의 피크는 수증기 흡수 스펙트럼(OSA 퍼지 기능 사용 시 감소 가능), 4400 nm~5000 nm 구간의 큰 노이즈는 감도 한계로 인함(스펙트럼 출력 밀도가 높은 광원 사용 시 감소 가능)
광학 필터의 투과 특성을 측정하려면 광대역 광원이 필요합니다. 주요 광대역 광원 네 가지 유형은 증폭 자발 방출(ASE), 슈퍼루미네선트 다이오드(SLD), 슈퍼 컨티넘(SC), 그리고 백색광입니다

ASE 광원
광통신에서 DWDM 애플리케이션
높은 스펙트럼 출력 밀도 및 안정성
좁은 파장 대역폭
정밀도 높고 동적 범위가 큰 측정
SLD 광원
4파장 타입은 O~L 밴드를 커버할 수 있음
스펙트럼 출력 밀도는 ASE보다 약간 낮음
ASE의 파장 대역폭이 충분하지 않을 경우 사용
SC 광원
매우 높은 스펙트럼 출력 밀도
SLD 광원보다 낮은 스펙트럼 출력 안정성
SLD의 파장 대역폭이나 출력이 충분하지 않을 경우 사용
White광원
>2400 nm
VIS ~ 약 5500 nm
측정 시간이 길어질 수 있음
매우 낮은 스펙트럼 출력 밀도와 좁은 동적 범위 측정
다른 광원의 파장 대역폭이 충분하지 않을 경우에만 사용

L-1, L-2, L-3, L-4 지그 타입의 경우, 광섬유 선택은 측정 파장과 요구되는 파장 해상도에 따라 이루어집니다.
<2300 nm에서는 실리카 광섬유 사용
>2300 nm에서는 플루오라이드 광섬유 사용
광섬유 코어 직경이 작을수록 OSA 파장 해상도가 향상됨
코어 직경이 클수록 빛 포집과 광학 정렬이 용이함
높은 파장 해상도가 필요하지 않은 경우 대구경 코어 광섬유 권장
L-1 및 L-2 지그 타입에서는 결합 효율을 위해 100 μm 이상 다중모드 광섬유 사용
L-3 및 L-4 지그 타입에서는 200 μm 미만 다중모드 광섬유 또는 단일모드 광섬유 사용

T-1 지그 타입의 경우, 파장, 요구되는 동적 범위, 파장 해상도, 광원에 따라 적절한 광섬유를 선택합니다.
광섬유를 선택할 때, 동일한 재질로 만들어진 여러 광섬유라도 경우에 따라 파장 특성이 다를 수 있다는 점에 유의해야 합니다.
ASE, SLD, and SC 광원
이들 광원의 출력 포트는 대부분 단일모드 광섬유
광원 → 지그 연결에는 단일모드 광섬유 사용
지그 → OSA 연결에는 대구경 다중모드 광섬유 사용
코어 직경 > 200 μm 권장
파장과 광원 커넥터에 따라 선택
White 광원

뷰어 카드
뷰어 카드는 적외선 빛의 조사 지점을 시각화하고 광학 정렬을 용이하게 합니다. 빛의 진행 방향으로 카드를 앞뒤로 움직이면, 크기 변화를 통해 빛이 평행한지 확인할 수 있습니다. 뷰어 카드 모델은 광원 파장에 따라 다릅니다.
쉬어링 간섭계(평행도 테스트기)
쉬어링 간섭계는 빛이 평행한지(즉, 간섭 무늬가 기준선과 평행한지) 확인하는 데 사용됩니다. 평행도 측정에는 He-Ne 레이저와 같은 단일모드 가시광 레이저가 사용됩니다(파브리-페로 레이저나 광대역 광원은 간섭 무늬를 생성하지 않으므로, 단일모드 광섬유에 결합된 가시광 광원을 사용할 수 있습니다).
정렬 디스크
뷰어 카드와 마찬가지로, 정렬 디스크는 적외선 빛의 조사 지점을 시각화하여 광학 정렬을 용이하게 합니다. 또한 케이지 시스템과 호환됩니다.
광원과 용도에 따라, 자유 공간에서 진행하는 빛의 방출 스펙트럼과 광학 필터의 투과 스펙트럼을 측정하기 위한 다양한 지그 옵션과 구성 방식이 제공됩니다. 간단한 광학 배치를 구성하든 복잡한 실험 시스템을 구축하든, 요구 사항에 맞게 정밀하게 맞춤 설정할 수 있는 여러 지그 구성이 있습니다. 이러한 구성은 기본적인 분광기 기반 배치부터, 광섬유, 평행도 조정기, 거울 등을 통합하여 정밀하고 정확한 측정을 가능하게 하는 고급 조합까지 폭넓게 포함됩니다.
이 권장 사항은 내부 커넥터가 없고 자유 공간 입력을 사용하는 OSA(예: AQ637x 시리즈)에만 적용되며, 내부 입력 커넥터 설계를 가진 OSA(예: AQ6380 OSA)에는 적용되지 않습니다.
When using an optical spectrum analyzer (OSA) to measure light propagating in free space, and because the input to an OSA is typically via a fiber optic connection, an adaptive fixture is often required.* This fixture, more commonly referred to as a jig, enables coupling of the light into an optical fiber. This application note introduces free space light measurement jigs as a recommendation for measuring the emission spectrum of a light source that propagates in free space or the optical transmission spectrum of an optical filter. It describes four types of jigs for light sources and one type for filters.
In recent years there has been a dramatic increase in optics-related R&D and manufacturing applications across multiple industries (e.g., telecom, biomedical, environmental monitoring, gas sensing/analysis) that necessitate advanced optical spectral measurements, and specifically, the measurement of light in free space.
Given the complexities of measuring free space light, the use of a specialized jig is typically employed to ensure that data is captured accurately and with the highest precision possible.
Figure 1: The AQ6373E Optical Spectrum Analyzer from Yokogawa Test&Measurement covers the visible wavelength range of 350 nm to 1200 nm and is designed for bio-photonics applications
When selecting the best jig type for a project, it is important to consider the target object, required coupling efficiency, and budget.
*1 The actual wavelength range is limited by the wavelength bandwidth of optical fibers and lenses
Table 1: Jig types L-1, L-2, L-3, and L-4 are used for light source measurements
*1 The actual wavelength range is limited by the wavelength bandwidth of optical fibers and lenses
Table 2: Jig type T-1 is used for optical filter measurement
L-1 jig types are used for general purpose light source measurement. Applicable for both divergent and collimated light, L-1 jigs are easy to use, low-cost, and enable precise optical alignment with XY-axis translation mount.
Considerations
Alignment Steps
Figure 2: Jig type L-1 component configuration
L-2 jig types are used for measurements relating to TO-CAN (divergent) light sources. Simple to use and low-cost, they utilize a cage system for easy optical alignment with the XY-axis translation mount.
Considerations
Alignment Steps
Figure 3: Jig type L-2 component configuration
L-3 jig types are used for measurements of divergent light with low coupling loss due to aspheric lenses or parabolic mirrors. They use a cage system plus two translation mounts for precise optical alignment.
Considerations
Alignment Steps
Optional Steps
Figure 4: Jig type L-3 component configuration
L-4 jig types measure divergent light with low coupling loss due to aspheric lenses or parabolic mirrors using a cage system plus two translation mounts for precise optical alignment.
Considerations
Alignment Steps
Optical Alignment
Figure 5: Jig type L-4 component configuration
Designed for large-diameter multimode fiber and using reflective optics, T-1 jig types measure the transmission characteristics of optical filters with low insertion loss over a wide wavelength range and do not require optical alignment adjustments.
Considerations
Figure 6. Jig type T-1 component configuration
Figure 7: Insertion loss measured with an AQ6374 OSA using 400 μm multimode fiber, peaks near 1400 nm are water vapor absorption spectrum (can be reduced using OSA purge feature)
Figure 8. Insertion loss measured with AQ6376 and AQ6377 OSA using 400 μm multimode fiber, peaks near 2700 nm and 4200 nm water vapor absorption spectrum (can be reduced using OSA purge feature), large noises between 4400 nm and 5000 nm due to sensitivity limitations (can be reduced using light source with high spectral power density)
A broadband light source is required to measure the transmission characteristics of optical filters. The four primary broadband light source types are amplified spontaneous emission (ASE), super luminescent diode (SLD), super-continuum (SC), and white light.
Figure 9: Wavelength bands and comparison of light sources
ASE Light Source
SLD Light Source
SC Light Source
White Light Source
Figure 10. Comparison of light sources
For jig types L-1, L-2, L-3, and L-4, optical fiber selection is made according to the measurement wavelength and required wavelength resolution.
Figure 11: Optical fiber examples
For jig type T-1, select a suitable optical fiber according to wavelength, required dynamic range, wavelength resolution, and light source. When selecting optical fiber, it’s important to note that even when multiple optical fibers are made of the same material, they can sometimes have different wavelength characteristics.
ASE, SLD, and SC Light Sources
White Light Source
Figure 12: Optical fiber examples
Viewer Card
Viewer cards visualize the irradiation point of infrared light and facilitate optical alignment. By moving the card back and forth in the direction of light propagation, it becomes possible to confirm the light is parallel via size change. Viewer card models differ depending on light source wavelength
Shearing Interferometer (Collimation Tester)
A shearing interferometer is used to determine if light is collimated (i.e., interference fringes are parallel to the reference line). A single-mode visible laser, such as a He-Ne laser, is used for collimation (Fabry-Perot lasers and broadband light sources do not produce interference fringes so single-mode fiber-coupled visible light sources can be used).
Alignment Disk
Like viewer cards, alignment disks visualize the irradiation point of infrared light to facilitate optical alignment. Additionally, they are compatible with a cage system
Depending on the source and application, there are multiple jig options and configurations available to measure the emission spectrum of light propagating in free space, as well the optical transmission spectrum of an optical filter. Whether constructing a straightforward optical arrangement or an intricate experimental system, various jig setups are available that enable customization precisely suited to your requirements. These setups encompass a spectrum of configurations, from basic spectrometer-based arrangements to sophisticated combinations that integrate optical fibers, collimators, and mirrors, to enable precise and accurate measurements.
*Please note these recommendations are applicable only to OSAs that do not have an internal connector and use a free space input (such as the AQ637x series) and are not applicable to OSAs with an internal input connector design (e.g., the AQ6380 OSA).