초록 ▼

연구개요
모드잠금 레이저의 광 펄스와 마이크로파 신호 사이의 위상차를 검출하는 샤냑루프 기반의 고분해능 위상검출기를 광 펄스 비행시간(Time-of-flight) 센서로 활용한다.
광 펄스와 이를 이용하여 추출한 광전류 펄스 사이의 초저 타이밍 잡음을 바탕으로 아토초 분해능 및 넓은 동적 영역의 거리 측정 기술로 구현할 수 있고, 모드잠금 레이저의 넓은 스펙트럼을 분할하면 이러한 성능의 다지점, 다채널 비행시간 센서를 효율적으로 구동할 수 있다.

연구 목표대비 연구결과
1. 광대역, 저잡음, 고안정 모드

연구개요
모드잠금 레이저의 광 펄스와 마이크로파 신호 사이의 위상차를 검출하는 샤냑루프 기반의 고분해능 위상검출기를 광 펄스 비행시간(Time-of-flight) 센서로 활용한다.
광 펄스와 이를 이용하여 추출한 광전류 펄스 사이의 초저 타이밍 잡음을 바탕으로 아토초 분해능 및 넓은 동적 영역의 거리 측정 기술로 구현할 수 있고, 모드잠금 레이저의 넓은 스펙트럼을 분할하면 이러한 성능의 다지점, 다채널 비행시간 센서를 효율적으로 구동할 수 있다.

연구 목표대비 연구결과
1. 광대역, 저잡음, 고안정 모드잠금 광원 개발: TOF 센서에 적합한 광대역, 저잡음, 고안정 모드잠금 광원들을 개발하였다. 기계적 안정성이 뛰어나 실험실 밖 응용에서 활용 가능하고, 타이밍 및 주파수 안정도를 10^-15 수준으로 유지할 수 있는 전편광유지 광섬유(PM-fiber) 기반 모드잠금 레이저들을 개발하였고, 칩-스케일의 마이크로공진기를 이용하여 고반복률 저-지터 펄스열을 생성할 수 있음을 보였다.
2. 아토초(10^-18초) 분해능의 병렬형 타이밍 검출기 개발: 단일 채널 및 다중 채널 아토초 분해능의 병렬형 타이밍 검출기를 개발하였다. 3x3 커플러를 이용하여 자성광학소자 없이도 아토초 분해능과 안정도로 동작하는 타이밍 검출기를 개발하였고, 이를 확장하여 WDM을 이용하여 다수의 채널을 병렬형으로 타이밍 검출하고 동기화하는 시스템을 개발하였다.
3. 다지점(multi-point), 다채널(multi-channel) 다기능성(multi-functional) TOF 기반 센싱 및 이미징 시스템 개발: 펨토초 레이저와 주파수 잠금된 광전류 펄스 신호를 이용한 TOF 센서를 개발하였다. 최고 180 pm 수준의 매우 우수한 분해능과 140 dB 이상의 동적 영역을 가지는 초고속 TOF 센서를 구현하였다. 또한, WDM을 이용하여 다지점, 다채널에서 동작 가능함을 보였으며, 변형률 센서, 단차 측정, 고속 동적 변위 측정, 3차원 표면형상 이미징 등의 다기능성을 선보였음.
4. 실시간 모니터링 및 계산 시스템 개발: 타이밍 검출기에서의 측정 전압을 정확한 TOF 정보로 실시간 보정하기 위한 입력 광 파워별 look-up table 기반의 보정 알고리즘을 구현하여, TOF 정보 및 물리량을 실시간으로 고속 측정하고 계산할 수 있게 구축하였다.

연구발성과의 활용 계획 및 기대효과 (연구개발결과의 중요성)
개발된 TOF 센서는 고성능, 다기능성, 다지점 동시측정을 모드잠금 레이저 한 대와 타이밍 검출기 한 대로 구현할 수 있어 스마트팩토리나 IoT, 반도체 공정의 검수 등 차세대 센서 시스템에 효과적으로 활용될 수 있다. 또한, 고속의 복잡한 물리량을 실시간으로 측정할 수 있다는 점은 다양한 마이크로 공진기의 선형 및 비선형 움직임을 관찰하고 분석하는 데에 용이하여 고속 물리 현상 탐구를 위한 장치로 활용될 수 있으며, 이를 활용한 초소형 센서 시스템의 개발 및 평가에도 활용할 수 있다. 연구과정 중에 발견한 광전류 펄스 상승 엣지가 초저 잔류 타이밍 잡음을 갖는다는 점은 마이크로파 신호원 생성 과정의 잡음 성능이 결정되는 메커니즘을 이해하는 데에 중요한 역할을 하였고, 개발한 타이밍 검출기를 이용하면 전기 신호의 특정 지점에서의 타이밍 성능만을 분석할 수 있다는 독보적인 장점의 새로운 활용성을 제시했다.

(출처 : 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 연구결과 요약문 ... 2
• 목차 ... 3
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 4
• 2. 연구개발과제의 수행 과정 및 수행 내용 ... 5
• 3. 연구개발과제의 수행 결과 및 목표 달성 수준 ... 11
• 1) 정성적 연구개발성과(연구개발결과) ... 11
• 2) 세부 정량적 연구개발성과 ... 11
• 3) 목표 달성 수준 ... 11
• 4. 연구개발성과의 관련 분야에 대한 기여 정도(연구개발결과의 중요성) ... 12
• 5. 연구개발성과의 관리 및 활용 계획 ... 13
• 6. 참고문헌 ... 15
• [붙임1] 세부 정량적 연구개발성과 ... 17
• [붙임2] 연구책임자 대표적 연구실적 및 증빙(요약문 및 사본) ... 21
• 끝페이지 ... 37