리튬나이오베이트 광도파로 소자를 이용한 전압 센서

Abstract

리튬나이오베이트 광도파로 소자를 이용한 전압센서 시스템을 제작하여 그 성능을 측정하였다. 또한 광도파로 소자와 광섬유간의 광결합 특성을 실험적으로 알아보았다. Z-cut LiNbO$_3$ 기판을 base로 하여 차단형 변조기와 dummy 전극으로 이루어진 고전압 센서를 설계, 제작, 패키징하고 신호처리 회로를 만들어 고전압 원격 측정 시스템을 제작하였다. 제작된 센서는 1,400V$_{p-p}$ 이상의 고전압을 $\pm$2\%의 선형성 내에서 측정할 수 있다. 신호처리부는 시스템이 광 파워 변화에 무관하게 동작하도록 설계하였으며, 광의 편광변화에 영향을 받지 않도록 광원부를 제작하였다. 센서의 시간에 대한 안정성은 $\pm$2.5\% 이내로 측정되었다. X-cut LiNbO$_3$ 기판을 base로 하여 Mach-Zehnder 간섭계와 파묻힌 전극으로 이루어진 측정 범위가 변형 전압 센서를 설계, 제작하였다. 이 센서는 전극의 길이와 폭을 조절함에 따라 측정범위를 거의 선형적으로 변화시킬 수 있는 특징을 가진다. 제작된 센서는 3개의 센서 요소로 구성되어 있으며, 각 센서 요소는 수 V, 수십 V, 수백 V 대역의 전압 측정에 적합하도록 설계되었다. 그 결과 7mV$_{rms}$에서 400V$_{rms}$에 이i}４ⓟ 넓은 영역의 전압을 측정할 수 있는 센서를 제작할 수 있었다. 센서의 온도에 따른 안정성을 변조주파수의 고조파 측정이라는 방법을 사용하여 측정하였다. 그 결과 바이어스 위상은 10$^o$C$\sim$50$^o$C의 범위에서 2$^o$의 오차 내에서 안정하였고, 동작 전압은 1$^o$C의 온도 증가에 의해 약 0.1\%씩 감소하는 특성을 보였다. 광도파로 소자의 실용화에 가장 큰 걸림돌인 광섬유 결합에 대한 실험을 수행하여 관련된 여러 가지 know-how를 정리하였다. 1$\times$2 광분할기 구조의 자이로칩에 광섬유 결합을 하여 전체 삽입 손실 -7dB를 얻었다. 패키징의 온도에 따른 안정성을 테스트한 결과 optical epoxy의 특성이 안정성에 큰 영향을 미침을 알 수 있었다. 새로운 형태의 자이로스코프인 간섭계형 광섬유 레이저 자이로스코프를 집적광학 소자를 이용하여 신호처리 하였다. 신호처리 방식으로는 DC-drift 현상을 막기 위해 single side-band homodyne detection 방법을 적용하였다. 그 결과 0.3$^o$ 정도의 바이어스 drift를 얻들 수 있었다. 이는 회전 센서로 사용되기에는 큰 값이며, 그 원인은 광섬유 레이저의 발진 파장 변화와 간섭계의 경로 차이 때문이다. 이를 확인하기 위해 온ae동L} 따른 bias drift 측정, Scanning ring-resonator를 이용한 발진 주파수 monitoring, longitudinal mode beat frequency 측정 등의 실험을 수행하였다. 간섭계 경로 차이는 5$\mu m$이내로 억제할 수 있었으나, 이 간섭계를 회전센서로 사용하기 위해서는 발진파장을 안정시키는 것이 필요하다.