[논문]반사형 마이크로 미러를 이용한 광마이크로폰

송주한; 이상신

doi:10.3807/kjop.2006.17.4.366

반사형 마이크로 미러를 이용한 광마이크로폰
Optical Microphone Based on a Reflective Micromirror Diaphragm 원문보기

한국광학회지 = Korean journal of optics and photonics, v.17 no.4, 2006년, pp.366 - 370

초록
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본 논문에서는 마이크로 미러 진동판을 이용한 광마이크로폰을 제안하고 구현하였다. 이 미러 진동판은 실리콘 바(bar)에 의해 프레임에 연결되어 있어서 인가된 음압에 따라 전후로 움직이게 되어 있으며, 작고 간단한 구조의 광 헤드는 한 개의 다중모드 광섬유로 되어 있다. 본 논문에서는 광헤드와 진동판 사이의 거리를 변화시켜 가면서 응답특성을 측정하여 선형성과 민감도가 최대인 지점을 동작점으로 결정하였다. 그리고 음성신호의 주파수를 변화시켜 가면서 구현된 소자의 출력을 측정하였다. 측정된 광마이크로폰의 주파수 대역폭은 약 $\sim$2dB 출력 변화 이내에서 약 2 kHz였다.

Abstract ▼ AI-Helper

An optical microphone incorporating a reflective diaphragm and a fiber-optic head was demonstrated. The diaphragm was made of a micromirror membrane which is suspended by a silicon bar connected to a frame, allowing fer a displacement induced by acoustic waves. A compact, simple optical head was implemented by exploiting a single multimode fiber. For the assembled microphone, the static characteristics were investigated to find the operation point defined as the optimum distance between the head and the diaphragm, and a flat frequency response with a variation of $\sim$2dB for the range of up to 2 kHz was accomplished.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 MMF 광헤드와 마이크로 미러형 반사 진동판을 이용하여 광마이크로폰을 구현하고, 이 소자의 동작점과 주파수 응답 특성에 대하여 연구하였다.
이 때, IR 카메라를 통하여 측정된 빔 분포 특성은, W₀=24㎛ 이다. 이제 빔전파 방법을 통하여, 광섬유와 광헤드 간의 거리가 변할 때 결합 효율이 어떻게 변하는가 알아보자. 그림 3은 MMF 광헤드와 미러 사이의 관계 및 구조를 나타내고 있다.

가설 설정

제작된 광마이크로폰의 측정된 출력 응답 특성은 그림 7에 나타나 있다. 여기서 1 Pa의 음압이 인가되었을 때 광마이크로폰의 출력 전압이 1 V인 경우를 0 dB로 가정하였다. 그림 7에서 보듯이 출력의 변화의 크기가 약 2 dB의 범위 내에서 2 kHz까지 일정한 주파수 응답특성을 갖고 있으며, 이 대역을 넘어서서는 응답이 불규칙적임을 알 수 있다.

제안 방법

먼저, 그림1과 같이 MNF가 진동막에 수직으로 정렬되고 마이크로 미러와 MMF가 동작할 수 있는 최적의 위치를 찾는다. 1550nm 대역의 다이오드 레이져를 광원으로 이용하였고 광전변환기를 통해 변조된 광신호를 전기적 신호로 변환하였다. 음압은 전기적 파형 재생기에 의해 스피커를 통하여 발생시켰다.
본 논문에서는 제안된 광마이크로폰에 대해 MMF 광헤드와 진동판 사이의 거리를 변화시켜 가면서 광결합 특성을 조사하여 선형성과 민감도가 최대인 지점을 동작점으로 결정하였다. 그리고 음성 신호 대역의 주파수를 변화시켜 가면서 광마이크로폰의 주파수 응답 특성을 조사하였다.
실험에서 미러 진동판과 광헤드는 모터로 정밀하게 조절되는 스테이지 위에 놓고 처음에는 최대의 빛이 돌아올 수 있도록 정렬하였다. 그리고, 광헤드와 진동판 사이에 선형성이 큰 동작점을 얻기 위해, 광헤드와 미러 사이의 거리를 변화시켜 가면서 진동판에서 MMF로 돌아오는 광의 양을 측정하였다.
그림 3. 동작점 해석을 위한 광마이크로폰 구조 분석.
또 광원으로는 다이오드 레이저를 사용하였으며, 광전 변환기로는 광검출기를 사용하였다. 마지막으로 광섬유를 이용하여 광원, 수신기, 그리고 광헤드를 연결하였다. 서큘레이터(circulator)를 통하여 광원으로부터 광헤드까지 연결하고 광헤드에서 광검출기까지 서로 신호가 섞이지 않도록 연결하여 구조를 단순화시켰다.
광마이크로폰에서 빛을 변조시키는 방법 중 세기 변조,^[4] 위상 변조,^[5,6] 편광 변조 등이 있는데 이 중에서 세기 변조를 이용하는 것이 간단성과 안정성면에서 가장 적합하다. 본 논문에서는 반사형 마이크로 미러 진동판과 다중모드 광섬유로 이루어진 광헤드(optical head)를 이용하여 구현하였다. 광마이크로폰의 진동판으로 쓰인 마이크로 미러는 실리콘 프레임에 얇은 바(bar)로 매달려 있어서, 외부에서 인가해 준 음압의 진행 방향에 따라 움직일 수 있도록 되어 있다.
그리고 하나의 다중모드 광섬유(MMF: multimode fiber)는 광원에서 나오는 빛을 진동판으로 보내고, 이것에 의해 반사되어 돌아오는 빛을 받는 작고 간단한 구조의 광헤드로서 사용된다. 본 논문에서는 제안된 광마이크로폰에 대해 MMF 광헤드와 진동판 사이의 거리를 변화시켜 가면서 광결합 특성을 조사하여 선형성과 민감도가 최대인 지점을 동작점으로 결정하였다. 그리고 음성 신호 대역의 주파수를 변화시켜 가면서 광마이크로폰의 주파수 응답 특성을 조사하였다.
마지막으로 광섬유를 이용하여 광원, 수신기, 그리고 광헤드를 연결하였다. 서큘레이터(circulator)를 통하여 광원으로부터 광헤드까지 연결하고 광헤드에서 광검출기까지 서로 신호가 섞이지 않도록 연결하여 구조를 단순화시켰다. 제안된 광마이크로폰의 동작원리는 아래와 같다.
또 BSE사의 상용화된 콘덴서 마이크로폰을 기준으로 사용하였다. 실험에서 미러 진동판과 광헤드는 모터로 정밀하게 조절되는 스테이지 위에 놓고 처음에는 최대의 빛이 돌아올 수 있도록 정렬하였다. 그리고, 광헤드와 진동판 사이에 선형성이 큰 동작점을 얻기 위해, 광헤드와 미러 사이의 거리를 변화시켜 가면서 진동판에서 MMF로 돌아오는 광의 양을 측정하였다.
동작점의 결과를 통하여 광헤드와 미러 진동판의 거리가 멀어질수록 MMF로 되돌아 오는 광파워가 점점 줄어드는 것을 알 수 있다. 이러한 결과들을 토대로, 최적의 선형성과 기울기를 갖는 지점을 동작점으로 정하고자 할때 약 60㎛에서 동작점을 결정하였다. 본 동작점 근처의 높은 선형성은 또한 소리를 왜곡없이 재생하는데 유리하다.

대상 데이터

음압은 전기적 파형 재생기에 의해 스피커를 통하여 발생시켰다. 또 BSE사의 상용화된 콘덴서 마이크로폰을 기준으로 사용하였다. 실험에서 미러 진동판과 광헤드는 모터로 정밀하게 조절되는 스테이지 위에 놓고 처음에는 최대의 빛이 돌아올 수 있도록 정렬하였다.
이 미러의 크기와 두께는 각각 800 × 800㎛²와 5㎛이며, 표면이 매우 평평하고, 800 ~ 1600 nm 광파장 대역에서 높은 반사특성을 갖는다. 또 광원으로는 다이오드 레이저를 사용하였으며, 광전 변환기로는 광검출기를 사용하였다. 마지막으로 광섬유를 이용하여 광원, 수신기, 그리고 광헤드를 연결하였다.

성능/효과

음압이 마이크로 미러 진동판 뒤쪽에서부터 인가되었을 때 마이크로 미러 진동판이 전후 방향으로 움직이게 된다. 광헤드쪽으로 입사되는 빛의 양은, 미러 진동판이 음압에 의해 움직임에 따라, 빛이 광헤드로 돌아오는 거리가 바뀌게되므로, 광 파워의 크기가 변하게 되고 결론적으로, 마이크로폰의 출력은 변조된 빛의 진폭에 비례하게 되어 입력한 음압의 세기가 커질수록 출력이 커지게 된다. 입력된 신호를 충실히 재생하기 위해서 광마이크로폰은 높은 선형성과 함께 효율적으로 외부에서 인가한 음압이 광신호로서 변조될 수 있어야 한다.
이것은 실제로 측정했을 때 틀어진 각보다 큰 이론 값인데, MMF의 NA(numerical apeature)를 고려하지 않고 코어 안으로 들어온 빛이 모두 진행하였다고 가정해서 차이가 생긴 것으로 사료된다. 동작점의 결과를 통하여 광헤드와 미러 진동판의 거리가 멀어질수록 MMF로 되돌아 오는 광파워가 점점 줄어드는 것을 알 수 있다. 이러한 결과들을 토대로, 최적의 선형성과 기울기를 갖는 지점을 동작점으로 정하고자 할때 약 60㎛에서 동작점을 결정하였다.
그림 6(a)와 6(b)는 기준 마이크로폰과 광마이크로폰에 1 kHz 주파수의 음압을 인가해 주었을 때 얻어진 출력 신호를 오실로스코프로 측정한 결과를 나타낸다. 이 결과로부터 제안된 마이크로폰로폰은 기준 마이크로폰과 거의 동일한 출력 특성을 보여줌을 알 수 있다. 광마이크로폰의 출력 신호의 위와 아래 피크 부분에서 약간 클리핑(clipping) 되는 부분이 나타나는데, 이것은 외부에서 걸어준 음압의 크기가 커서 미러 진동판의 움직임이 포화되었기 때문이다.

참고문헌 (8)

N. Bilaniuk, 'Optical microphone transduction techniques,' Applied Acoustics, vol. 50, no. 1, pp. 35-63, 1997

상세보기
Y. Kahana, A. Paritsky, A. Kots, and S. Mican, 'Recent advances in optical microphone technology,' Inter-Noise 2003, Jeju, Korea, Aug. 2003
Microphone Engineering Handbook, Focal, Oxford, U.K., 1994
K. Nakamura, S. Toda, and M. Yamanouchi, 'A twodimensional optical fibre microphone array with matrixstyle data readout,' Meas. Sci. Technol., vol. 12, pp. 859-864, 2001

상세보기
H. Sagberg, A. Sudbo, O. Solgaard, K. Anne, H. Bakke, and I. Johansen, 'Optical microphone based on a modulated diffractive lens,' IEEE Photon. Technol. Lett., vol. 15, no. 10, pp. 1431-1433, 2004
N. Furstenau, H. Horack, and W. Schmidt, 'Extrinsic Fabry-Perot interferometer fiber-optic microphone,' IEEE Trans. Instrumentation and Measurement, vol. 47, no. 1, pp. 138-142, 1998

상세보기
I. Cho, K. Yun, H. Lee, J. Yoon, and E. Yoon, 'A low-voltage three-axis electromagnetically actuated micromirror with bulk silicon mirror plates and torsion bars,' IEEE Int'l Conf. on MEMS 2002, Las Vegas, USA, Jan. 2002
B. E. A. Saleh and M.C. Teich, Fundamentals of Photonics. New York: Wiley, 1991, pp. 80-107

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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