[논문]전기광학효과를 이용한 전계 프로브 센서

경운환; 김건덕; 어윤성; 이상신

doi:10.3807/hkh.2009.20.2.071

전기광학효과를 이용한 전계 프로브 센서
Field Probe Sensor Based on the Electro-Optic Effect 원문보기

한국광학회지 = Korean journal of optics and photonics, v.20 no.2, 2009년, pp.71 - 75

경운환 (광운대학교 전자공학과) , 김건덕 (광운대학교 전자공학과) , 어윤성 (광운대학교 전자공학과) , 이상신 (광운대학교 전자공학과)

초록
AI-Helper

본 논문에서는 전기광학효과를 갖는 $LiNbO_3$ 및 GaAs 물질 기반의 전계 프로브 센서를 제안하고 구현하였다. 이 센서를 이용하여 RF 링 공진필터 소자로부터 방사되는 수평 및 수직방향 성분의 필드세기를 측정하였다. 구현된 $LiNbO_3$ 및 GaAs센서로부터 계산된 감도는 각각 $9.315{\mu}V/\sqrt{Hz}$와 $49.346{\mu}V/\sqrt{Hz}$였으며, 신호 대 잡음비는 ${\sim}50\;dB$와 ${\sim}40\;dB$였다. 그리고 각 센서의 주파수 응답특성은 ${\sim}1.2\;GHz$였다. 마지막으로 센서를 이용하여 테스트 회로의 근접 필드 분포를 측정하였으며, 이는 HFSS 시뮬레이션 결과와 잘 일치하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

A compact electric field probe sensor incorporating two different electro-optic materials of $LiNbO_3$ and GaAs was proposed and fabricated, and it was used to measure the strength of the horizontal and vertical fields generated by a microstrip ring-resonator filter. The sensitivities of the sensors in $LiNbO_3$ and GaAs were $9.315{\mu}V/\sqrt{Hz}$ and ${\sim}49.346{\mu}V/\sqrt{Hz}$ respectively, and their signal to noise ratios were approximately ${\sim}50\;dB$ and ${\sim}40\;dB$ respectively. And the operating frequency range was up to ${\sim}1.2\;GHz$. The electric field profile for the test circuit was scanned and found to be in good agreement with that obtained by using the HFSS simulation.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 논문에서는 전기광학효과를 이용한 필드 측정용 프로브 센서를 구현하였다. 구현된 프로브 센서를 이용하여 필터소자에서 발생하는 필드를 측정한 결과, 필터소자의 선로 사이의 필드분포를 효과적으로 측정할 수 있었으며, 이는 HFSS 시뮬레이션 결과와 잘 일치하였다.

가설 설정

[12] 소자의 크기는 60 × 50 mm2이고회로선로의 두께는 1 mm이다.

제안 방법

따라서 감도를 향상시키기 위해서는 광섬유 내에 정확한 편광유지가 필요하다.^[13] 마지막으로 그림 7(a)에서 알 수 있듯이 제작된 프로브 센서를 이용하여 필터 소자의 일부 영역의 전계분포를 화살표가 나타내는 방향을 따라 측정하였다. 소자 표면으로부터 약 3 μm 떨어진 높이에서 측정하였으며, 이 때 필터소자의 입력포트에 인가된 신호의 주파수와 파워는 각각 1 GHz와 20 dBm였다.
따라서 본 논문에서는 가격이 저렴하고, 물질가공이 용이한 전기광학효과 기반 LiNbO₃ 및 GaAs팁(tip)을 이용한 전계분포 측정용 프로브 센서를 구현하였다. 그리고 구현된 프로브 센서를 이용하여 마이크로스트립 링 공진 필터소자에서 발생하는 필드세기를 측정하였다.
둘째로 평행빔 렌즈가 집적된 광섬유 코어와 400 × 400 × 450 μm3 크기를 갖는 전기광학 물질과의 정렬을 위해 컴퓨터 제어 시스템을 이용하였다.
CdTe경우에는 내구성이 약해 물질가공 시 어려운점이 있다. 따라서 본 논문에서는 가격이 저렴하고, 물질가공이 용이한 전기광학효과 기반 LiNbO₃ 및 GaAs팁(tip)을 이용한 전계분포 측정용 프로브 센서를 구현하였다. 그리고 구현된 프로브 센서를 이용하여 마이크로스트립 링 공진 필터소자에서 발생하는 필드세기를 측정하였다.
본 실험에서는 1550 nm 파장대역(M-tech, 모델: MSLD-3) 의 광원을 광증폭기(Licomm com.)을 이용하여 32 mW의 광파워로 증폭시켰다. 이를 광파이버(단일모드 파이버)에 입사시켜 편광조절기를 통해 센서팁까지 0°의 선편광을 유지시켜주었다.
센서팁의 감도는 1 Hz당 측정 가능한 최소 전압으로 정의되며, 공진필터에서 발생되는 필드의 세기를 측정하여 얻어진다. 센싱 영역에서 특정 격자구조를 갖는 물질에 높은 전기광학효과를 갖도록 광진행경로에서 특정 빔의 편광방향을 유지함으로써 필드세기를 측정하였다. 측정된 LiNbO₃와 GaAs 프로브센서의 감도는 각각 9.
이를 광파이버(단일모드 파이버)에 입사시켜 편광조절기를 통해 센서팁까지 0°의 선편광을 유지시켜주었다. 여기서 광파이버 내에 유지되는 편광방향 및 필터 소자에서 발생되는 필드세기에 따라서 반사되는 편광의 변화는 편광합성기(General Photonics, 모델: PSY-101)를 통해 조사되었고, 그림 1(a)에서처럼 #위상분석기를 이용하여 분석되었다. 편광조절기와 필드분석시스템 사이의 전체 광손실은 약 10 dB였다.
이를 광파이버(단일모드 파이버)에 입사시켜 편광조절기를 통해 센서팁까지 0°의 선편광을 유지시켜주었다.

대상 데이터

[9] 본 논문에서는 1550 nm 파장대역의 광원을 사용함과 동시에 높은 전기광학계수(γ13과 γ33)를 사용하기 위하여 (100)방향의 LiNbO3를 사용하였다.
경계 면에서 정확한 편광방향이 보상되지 않으면, 프로브 센서로써 감도특성이 떨어지는 원인이 된다. 따라서 본 논문에서는 빔의 편광방향이 잘 유지되도록 평행빔 렌즈를 사용하였다. 그림 2(b)와 같이 광파이버 코어 앞에 평행빔 렌즈를 집적하여, 안정된 반사편광을 얻을 수 있도록 하였다.

성능/효과

5 pm/V이다. 결과적으로 (100)GaAs를 이용하여 센서를 구현하면 수직방향의 필드세기를 측정 가능하다. 자세한 프로브 센서의 동작원리가 그림 1(b)에 나타나 있다.
본 논문에서는 전기광학효과를 이용한 필드 측정용 프로브 센서를 구현하였다. 구현된 프로브 센서를 이용하여 필터소자에서 발생하는 필드를 측정한 결과, 필터소자의 선로 사이의 필드분포를 효과적으로 측정할 수 있었으며, 이는 HFSS 시뮬레이션 결과와 잘 일치하였다. 즉, 회로기판에서 발생하는 근접필드 분포를 제작된 필드 프로브 센서를 통하여 국부적으로 예측할 수 있었다.
따라서 물질의 결정구조에 관계없이 센서팁으로 사용이 가능하고, 전기광학계수는 모든 방향에 대해 동일한 γ41 = 1.5 pm/V이다.
평행빔 렌즈를 집적하여 경계 면에서 반사되는 광 파워의 안정도를 파워미터를 통해 확인한 결과는 그림 2(c)와 같다. 즉 50분 동안 반사된 광파워를 관찰한 결과 약 0.2 dB의 광 안정도를 얻었으며, 이로써 반사된 빔의 편광 역시 잘 유지되었다. 둘째로 평행빔 렌즈가 집적된 광섬유 코어와 400 × 400 × 450 μm³ 크기를 갖는 전기광학 물질과의 정렬을 위해 컴퓨터 제어 시스템을 이용하였다.
및 GaAs가 집적된 프로브 센서를 이용하여 필터소자로부터 측정된 센서의 응답특성은 그림 6과 같다. 즉, 제작된 두 프로브 센서의 응답특성은 ~1.2 GHz임을 확인하였다. 역시 LiNbO₃팁이 같은 실험조건에서 GaAs 팁보다 신호 대 잡음 비가 ~10 dB우수하였으며, 이는 전기광학계수의 차이와 필드 방향차이에 기인한다.
측정된 LiNbO3와 GaAs 프로브센서의 감도는 각각 9.315 μV/#와 49.346μV/# 였으며, 신호 대 잡음 비는 각각 ~50 dB와 ~40 dB 였다.
필터소자의 위치에 따른 상대적인 필드세기 분포에 대한 이론적 계산 및 측정 결과가 그림 7(b)에 나타나 있다. 특히, 필드세기가 강한 선로 사이의 필드분포를 효과적으로 측정할 수 있었으며, 이론 및 실험결과가 적절히 일치함을 확인하였다.
편광조절기와 필드분석시스템 사이의 전체 광손실은 약 10 dB였다. 편광조절기에서 약 2 dB, 서큘레이터에서 약 2.6 dB와 프로브센서부분에서 약 5.4 dB로 실질적으로 광검출기에 나타나는 평균전류는 약 60 mA였다. 필터소자에서 발생하는 필드의 세기를 측정하여 얻은 센서의 전달특성은 그림 5에 나타나있다.

후속연구

[1] 이러한 필드의 영향을 효과적으로 분석하기 위해서는 전계 센서가 필요하며, 이러한 센서는 안테나 근접장 패턴 분포 조사 등에도 응용될 수 있다.^[2] 또한 이를 활용하여 고전압, 고전력 환경 하의 장비로부터 지속적으로 방출되는 필드 분포와 초소형 소자의 근접필드를 측정할 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	각종 전자기기에서 발생하는 필드는 어떤 역할을 하는가?	각종 전자기기에서 발생하는 필드는 전자회로의 특성을 왜곡시키고, 무선통신 및 인체에 영향을 끼치는 것으로 알려져 있다.[1] 이러한 필드의 영향을 효과적으로 분석하기 위해서는 전계 센서가 필요하며, 이러한 센서는 안테나 근접장 패턴 분포 조사 등에도 응용될 수 있다.
	센서 내부에 집적된 안테나에 의해 송수신된 신호의 특성을 통하여 필드를 감지할 경우 어떤 문제점이 있는가?	[3-5] 기존에는 센서 내부에 집적된 안테나에 의해 송수신된 신호의 특성을 통하여 필드가 감지된다. 이 경우에 안테나의 금속 성분 등이 필드 자체의 분포를 왜곡시키는 문제점이 있다.[6] 이러한 문제점을 극복하기 위해서 금속이 아닌 전기광학효과를 갖는 물질을 이용하여 필드감지 센서가 구현되었다.
	필드의 영향을 효과적으로 분석하기 위해서는 무엇이 필요한가?	각종 전자기기에서 발생하는 필드는 전자회로의 특성을 왜곡시키고, 무선통신 및 인체에 영향을 끼치는 것으로 알려져 있다.[1] 이러한 필드의 영향을 효과적으로 분석하기 위해서는 전계 센서가 필요하며, 이러한 센서는 안테나 근접장 패턴 분포 조사 등에도 응용될 수 있다.[2] 또한 이를 활용하여 고전압, 고전력 환경 하의 장비로부터 지속적으로 방출되는 필드 분포와 초소형 소자의 근접필드를 측정할 수 있다.

참고문헌 (13)

P. Bernardi, M. Cavagnaro, S. Pisa, and E. Piuzzi, 'Specific absorption rate and temperature increases in the head of a cellular-phone user,' IEEE Trans. Microwave Theory Tech., vol. 34, no. 7, pp. 1118-1126, 2000

상세보기
E. Bonek, D. Hornbachner, E. Riedl-Bratengeyer, W. Hardrian, and R. Jobst, 'Electro-optic ELF field sensor,' Electron. Lett., vol. 28, no. 21, pp. 1994-1995, 1992

상세보기
K. Yang, L. P. B. Katehi, and J. F. Whitaker, 'Electro-optic field mapping system utilizing external gallium arsenide probes,' Appl. Phys. Lett., vol. 77, no. 4, pp. 486-488, 2000

상세보기
M. Shinagawa and T. Nagatsuma, 'Electro-optic sampling using an external GaAs probe tip,' Electron. Lett., vol. 26, no. 17, pp. 1341-1343, 1990

상세보기
B. Kolner and D. Bloom, 'Electrooptic sampling in GaAs integrated circuits,' IEEE J. Quantum Electron., vol. 22, no. 1, pp. 79-93, 1986

상세보기
S. H. Zainud-Deen, M. E. S. Badr, E. El-Deen, K. H. Awadalla, and H. A. Sharshar, 'Microstrip antenna with defected ground plane structure as a sensor for landmines detection,' Progress in Electromagnetics Research B, vol. 4, pp. 27-39, 2008

상세보기
S. Wakana, T. Ohara, M. Abe, E. Yamazaki, M. Kishi, and M. Tsuchiya, 'Fiber-edge electrooptic/magnetooptic probe for spectral-domain analysis of electromagnetic field,' IEEE Trans. Microwave Theory Tech., vol. 48, no. 12, pp. 2611-2616, 2000

상세보기
H. Togo, N. Shimizu, and T. Nagatsuma, 'Tip-on-fiber electro-optic probe for near-field measurement,' NTT Tech. Rev., vol. 4, no. 1, pp. 12-20, 2006
W. K. Kuo, W. H. Chen, Y. T. Huang, and S. L. Huang, 'Two-dimensional electric-field vector measurement by a $LiTaO_3$ electro-optic probe tip,' Appl. Opt., vol. 39, no. 27, pp. 4985-4993, 2000

상세보기
K. Yang, G. David, S. Robertson, J. F. Whitaker, and L. P. B. Katehi, 'High-resolution electro-optic mapping of near-field distributions in integrated microwave circuits,' IEEE MTT-S Digest, vol. 2, no. 2, pp. 949-952, 1998
M. Iwanami, S. Hoshino, M. Kishi, and M. Tsuchiya, 'Wideband magneto-optic probe with 10 μm-class spatial resolution,' Jpn. J. Appl. Phys., vol. 43, no. 4B, pp. 2288-2292, 2004

상세보기
U. H. Kyoung, G. D. Kim, S. S. Lee, and Y. S. Eo, 'Microstrip ring resonator filter enabling enhanced sideband suppression,' Microwave Opt. Technol. Lett., vol. 50, no. 11, pp. 2866-2869, 2008

상세보기
S. Wakana, E. Yamazaki, S. Mitani, H. Park, M. Iwanami, S. Hoshino, M. Kishi, and M. Tsuchiya, 'Performance evaluation of fiber-edge magnetooptic probe,' IEEE J. Lightwave Technol., vol. 21, no. 12, pp. 3292-3299, 2003

상세보기

저자의 다른 논문 :

LOADING...

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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증