논문 2016-53-1-4
Ti:LiNbO
3Y-fed Balanced-Bridge 마하젠더 간섭 광변조기를 이용한 집적광학 전계센서에 관한 연구
( A Study on the Integrated-Optical Electric-Field Sensor utilizing Ti:LiNbO
3Y-fed Balanced-Bridge Mach-Zehnder
Interferometric Modulators )
정 홍 식* ( Hongsik Jungⓒ)
요 약
집적광학 Ti:LiNbO3 1×2 Y-fed Balanced-Bridge 마하젠더 간섭기(YBB-MZI) 구조에 다이폴 패치 아테나를 적용해서 1.3 ㎛ 파장대역에서 동작하는 전계센서를 구현하였다. BPM 전산모사를 통해서 소자 설계 및 동작성능을 검증하였고, 1.3 ㎛ 파장대 역에서 ∼16.6 V 스위칭전압과 이에 대응해서 소멸비는 ∼14.7 ㏈로 측정되었다. 10 ㎒, 50 ㎒ 각각의 주파수에서 감지 가능한 최소 전계는 1.12 V/m, 3.3 V/m로 측정 되었으며, 이에 대응되는 각 주파수에서 ∼22 ㏈, ∼18 ㏈의 다이나믹 범위가 측정되 었다. 제작된 센서는 0.29∼29.8 V/m 범위의 전계세기에 대해서 선형응답 특성을 나타내었다.
Abstract
We have demonstrated a Ti:LiNbO3 electro-optic electric-field sensors utilizing a 1×2 Y-fed balanced-bridge Mach-Zehnder interferometric (YBB-MZI) modulator which uses a 3-dB directional coupler at the output and dipole patch antenna. The operation and design were proved by the BPM simulation. A dc switching voltage of ∼16.6 V and an extinction ratio of ∼14.7 ㏈ are observed at a wavelength of 1.3 ㎛. For a 20 ㏈m rf power, the minimum detectable electric-fields are ∼1.12 V/m and ∼3.3 V/m corresponding to a dynamic range of about ∼22 ㏈ and ∼18 ㏈ at frequencies 10 ㎒ and 50 ㎒, respectively. The sensors exhibit almost linear response for the applied electric-field intensity from 0.29 V/m to 29.8 V/m.
Keywords: 전계센서, Y-fed Balanced-Bridge 마하젠더 간섭기, 전기광학효과, Ti:LiNbO3 채널 광도파로, 광집적소자 electric-field sensor, Y-fed Balanced-Bridge Mach-Zehnder interferometer(YBB-MZI), electrooptic effect, Ti:LiNbO3 channel optical waveguide, integrated-optic device
Received ; October 8, 2015 Revised ; December 28, 2015 Accepted ; December 29, 2015
*정회원, 홍익대학교 전자전기공학과
(Dept. of Electronic & Electrical Eng., Hongik University)
ⓒCorresponding Author(E-mail: [email protected])
Ⅰ. 서 론
정확한 전자파 감지와 측정은 오늘날과 같이 다양한 전자파들에 노출되어 있는 환경에서는 더욱더 중요해지 고 있다. 전자소자 기반의 기존 전계센서는 비교적 부
피가 큰 능동(active) 전자파 감지 프로브(probe) 때문 에 측정하고자하는 전계를 왜곡시키고, 정확한 측정을 어렵게 만든다. 고출력 마이크로파 펄스(EMP) 감지, 환 경 전자파 간섭분석, 전자파 적합성(EMC) 측정, RF 집 적회로 테스트, 신체에 미치는 전자파 영향 분석 등 전 자파 측정 센서와 관련해서 활용분야는 매우 가파르게 증가되는 추세이다. 앞서 언급된 이러한 문제들을 해결 하기 위해서 전기광학효과(electro-optic effect) 기반의 집적광학(integrated-optic) 전계센서들에 대해서 많은 연구가 진행되어져오고 있다. 집적광학 전계센서는 경
3
이용해서 전계센서들을 구현하려는 연구들이 이 분야에 서 큰 비중을 차지하여왔다.[1~2]
리튬나오베이트 기반 집적광학 전계센서 구현에 있 어서 핵심요소는 채널 광도파로(optical waveguide) 구 조와 평면 안테나 구조이며, 광도파로 구조로는 비대칭 마하젠더 간섭기(Mach-Zehnder interferometer)[3~5]와 1×2 방향성 결합기(directional coupler)[6~8] 구조들을 많 이 적용하고 있다. 전자의 마하젠더 간섭기 구조에서는 아래·위 채널 광도파로의 경로 차(path difference)를 조 절해서 π/2 위상차를 갖도록 설계할 경우 DC 바이어스 전압 없이 선형영역에서 동작시킬 수 있는 장점이 있으 나, 정확한 경로차를 구현하기 위해서는 까다로운 설계 와 세심한 제작공정이 요구된다. 한편 후자의 방향성 결합기는 대칭적인 구조와 더불어 2개 출력포트가 있기 때문에 3 dB 동작점이 자동으로 설정되는 장점이 있으 나, 소자의 전달특성함수(transfer characteristic function)가 매우 복잡하고, 전계감지가 소자의 결합길 이(coupling length)에 매우 의존적이어서 실용적이지 못한 측면이 있다.
따라서 본 연구에서는 마하젠더 간섭기와 2×2 방향 성 결합기를 결합시킨 1×2 YBB-마하젠더 간섭기 (YBB-MZI: Y-fed Balanced Bridge Mach-Zehnder Interefrometer) 구조를 적용해서 전계센서를 구현하였
다.[9-11] 이 구조는 단순한 전달함수 특성과 더불어 개선
된 광 바이어스 특성을 나타내고 있다. 참고문헌[11]에서 는 segmented dipole-antenna 구조를 적용했지만 구조 적으로 존재하는 커패시턴스 성분들이 주파수 특성에 부정적으로 영향을 미치게 된다. 제 Ⅱ장에서는 YBB-MZI 동작원리와 관련된 이론 및 수식적 배경을 검토하였다. 제작에 적용된 YBB-MZI와 평면형 다이폴 안테나 구조와 제원을 검토하고, BPM-CAD를 이용해 서 전산모사 결과들을 분석하였다. Ⅲ장에서는 제작공 정, 전계측정 장치 구성과 더불어 제작된 YBB-MZI의 광학특성 측정결과를 제시하였으며, Ⅳ장에서는 측정된 전계의 스펙트럼, 센싱감도와 소자의 주파수특성을 검 토하였으며, V장에서 결론으로 마무리하였다.
그림 1. 1×2 Y-fed Balanced-Bridge 마하젠더 간섭기 (YBB-MZI) 구조의 개략도
Fig. 1. The schematic diagram of 1×2 Y-fed balanced bridge Mach-Zehnder inerferometer.
Ⅱ. YBB-MZI 동작원리 및 전산모사
1. YBB-MZI 동작원리
YBB-MZI는 기존의 마하젠더 간섭기 구조와 2×2 방 향성 결합기 구조를 그림 1과 같이 결합시킨 구조이며, 두 개의 출력단자를 갖는다.
그림 1의 YBB-MZI의 출력부분을 구성하고 있는 2×2 방향성 결합기의 동작원리는 결합길이 Lc, 결합계 수(coupling coefficient) κ, 그리고 광도파로의 파수 (wavenumber) β에 의해서 수식적으로 나타낼 수 있으 며, 광도파로에서 전송손실(propagation loss)을 무시할 경우 다음과 같이 전달 매트리스로 표현된다.[12]
∙
cos sincos
(1)
그림 1의 입력포트에서 입사된 단일모드 광파는 마하 젠더 간섭기의 3 dB 파워분리기에서 동일한 파워로 분 리되며, 아래와 같은 수식으로 표현된다.
(2)
여기서 θ는 입사광파가 갖는 초기 위상을 의미한다.
앞서 언급했듯이 다이폴패치 안테나와 연결된 전극은 마하젠더 간섭기의 아래·위 두 채널광도파로 중에서 위쪽 채널 광도파로에 배열되고, 안테나가 전계를 감지 할 경우 전기광학효과에 의해서 굴절률을 변화시키기 때문에 식 (2)의 동일한 위상을 갖고 입사된 광파는 간 섭기의 아래·위 채널을 지나는 동안 두 광파 간에는 위상차가 추가적으로 발생되며, 다음과 같이 정량적으 로 나타낼 수 있다.
±
(3)
그림 2. y=0.2, 0.5, 1, and 1.3을 파라미터로 P01 광 출력 세기에 대한 전산모사 결과
Fig. 2. Simulation result for the light output intensity, P01
versus driving voltage with y=0.2, 0.5, 1, and 1.3.
여기서 le는 다이폴안테나와 연결되어 간섭기 광도파로 에 배열된 전극의 길이이며, Ee는 감지된 전계의 세기 이며, r33, ne는 리튬나오베이트의 전기광학계수와 이방 성(extraordinary) 유효굴절률을 의미한다. 한편 식 (3) 에서 Γ는 광도파로를 지나는 광파와 전극에 의해서 형 성된 전계와 상호 결합되는 정도를 나타내는 숫자이며, 보통 0 < Γ < 1 범위의 값을 갖는다. 따라서 입사광 파는 간섭기를 지나오는 동안 두 입사광파간에 식 (3) 과 같은 위상차를 갖게 되어 식 (2)는 다음과 같이 수 정된다.
(4-1)
(4-2)
궁극적으로 식 (1)과 (3)을 결합할 경우 최종적으로 그 림 1에 나타난 두 출력포트에서 출력되는 광 파워는 아래와 같은 두 수식으로 유도될 수 있다.
sin sin
sin sin (5-1)
sin sin
sin sin (5-2)
여기서 , 는 정규화(normalized) 된 위상차와 결합길이로 정의되며, Lc는 제작된 방향성 결합기에서의 결합작용(coupling interaction)이 일어나 는 길이이다. 한편 lc는 방향성결합기의 최소 결합변환
(a)
(b)
그림 3. BPM-CAD를 이용해서 설계한 (a) YBB-MZI 광 도파로구조 및 제원, (b) 마하젠더 간섭기에 배 열시킨 push-pull 전극구조
Fig. 3. (a) The structure and dimension of YBB-MZI based on the BPM-CAD and (b) push-pull electrode structure arranged along the interferometer.
(coupling conversion) 길이를 의미한다. 출력 광세기 Po1은 정규화된 y를 파라미터로 해서 정규화된 위상차 x에 따라 그림 2와 같이 그려졌으며, 앞서 예상한데로 y=1(즉 Po1=Po2=1/2)을 제외하고는 모든 y에 대해서 sinusoidal 전달 곡선을 보여주고 있으며, 가장 선형영 역에서 자동적으로 동작점이 설정되는 것을 알 수 있 다. 따라서 최고의 센싱감도를 보장하기 위해서는 결합 길이가 sin 이 되도록 다음과 같은 조건을 만족해야 된다.
∙∙∙ (6)
2. YBB-MZI 설계와 전산모사
Optiwave 회사의 BPM-CAD를 이용해서 YBB-MZI 를 설계하였다.[13] 1.3 ㎛ 파장의 광파에 대해서 단일모 드 광도파로 특성을 보장하기 위해서 광도파로의 폭 을 7.5 ㎛로 설계하였으며, 마하젠더 간섭기의 두 채널 광도파로에 진행하는 광파들이 서로 간섭하 지 않도록 하기 위해서 50 ㎛ 정도의 충분한 간 격을 유지하였으며, 산란손실 등을 최소화하기 입·출력 포트의 분기 각도를 1.2o 로 그림 3(a)와 같 이 설계하였다.
(a)
(b)
(c)
그림 4. BPM-CAD를 이용한 3차원 전산모사 결과: (a) 0V (b) 5V (c) 10V
Fig. 4. (a) 3-dimensional BPM-CAD simulation results:
(a) 0V (b) 5V and (c) 10V.
그림 3(a)와 같이 설계된 YBB-MZI 구조에 대해서 광파의 전파특성을 검증하기 위해서 BPM-CAD를 이 용해서 3차원 전산모사 실험을 수행하였다. 마하젠더 간섭기에 전압을 인가시켜서 소자의 동작성능을 검증 하기 위해서 그림 3(b)와 같이 가상적인 push-pull 전 극구조를 간섭기의 두 채널 광도파로에 배열시켰다. 전 극에 0, 5, 10V 전압을 프로그램 상으로 각각 인가시켜 서 그림 4와 같은 결과를 얻었다. 예상한데로 전압을 인가하지 않았을 경우에는 그림 4(a)와 같이 입사된 광 파워가 거의 균등하게 두 출력포트로 분배되며, 따라서
그림 5. 집중전극이 부착된 다이폴 패치 안테나 구조 Fig. 5. Dipole patch antenna with lumped electrode
structure.
자동적으로 3 dB 동작점이 설정되는 것을 확인할 수 있었다. 한편 전압이 인가될 경우 그림 4(b)(c)와 같이 광 파워가 더 이상 균등하게 분배되지 않으며, 10V 전 압을 인가할 경우에는 모든 입사 광 파워가 위쪽 출력 포트로 나오는 것을 확인할 수 있었다.
Ⅲ. 제작공정 및 전계 측정장치
1. 제작공정
50 ㎜×15 ㎜ 크기의 x-cut LiNbO3 시편 위에 e-beam 증착기를 이용하여 1050 Å 두께의 Ti을 사진식각 공정 (photolithography)과 습식 식각공정으로 7.5, 6.5 ㎛ 폭의 Ti 채널 패턴을 형성한 다음, 1050 ℃ 온도에서 8 시간 동 안 확산하여 1.3 ㎛ 파장 대역에서 동작하는 단일모드 Mach-Zehnder 간섭기의 채널 광도파로를 제작하였다.
고온 확산 과정에서 Li 원소의 외부확산(out-diffusion) 현상 때문에 나타나는 평면형 기생(parasite) 광도파로를 억제하기 위해서 습식 산소(wet-O2) 분위기에서 확산을 수행하였으며, 광도파로에 광파를 효율적으로 입・출력 시키기 위해서 입사 단면을 optical-grade 수준으로 연마 하였다. 제작된 광도파로 시편위에 알루미늄(Al) 전극을 배열할 경우 광파의 도파 조건에 부정적으로 영향을 미 치게 된다. 특히 TM 편광모드는 전극에 흡수되어 매우 큰 손실이 일어나게 된다. 이러한 이유로 도파로 위에 SiO2 박막 층을 형성하게 되는데, 본 실험에서는 SiO2 박 막 층을 e-Beam 증착 장비를 이용하여 3000 Å두께로 증착하였다. 마지막으로 SiO 박막층 위에 다이폴 패치 안테나와 전극을 형성하기 위해 알루미늄을 3500 Å증착 한 뒤 그림 5와 같은 안테나 패턴을 형성하였다.
입·출력포트에 광섬유로 pig-tailing 공정 전에 제작된 소자의 삽입손실, DC 전압인가에 따른 광세기 변환특성 을 먼저 측정, 검토하였다. 이어서 입·출력포트 각각에
그림 6. 광섬유를 부착시켜서 완성된 소자의 포토그래프 Fig. 6. Photograph of the fabricated device with pig-
tailed optical fibers.
FC/PC 커넥터가 부착된 편광유지 광섬유와 멀티모드 광 섬유를 pig-tailing 하여 최종적으로 그림 6과 같은 YBB-MZI 전계센서 모듈을 제작하였다.
2. 측정장치
1×2 YBB-MZI 광변조기의 DC 동작성능과 감지가 가능한 최소 전계의 크기와 주파수 범위 그리고 동작범 위 등을 측정하기 위해서 그림 7(a)와 같은 프로브접촉 측정장치와 TEM 셀 (TescomTC- 5010A)을 이용한 그 림 7(b)와 같은 측정 장치를 구성하였다. 1.3 ㎛ 파장의
∼14 mW 파워를 공급하는 가변파장 레이저다이오드의 광원을 편광모드 분리기를 통과시켜서 TE 편광모드를 MZ 간섭기에 입사시켰으며, 출력된 광원은 광 파워미 터 또는 광검파기를 거쳐서 스펙트럼 분석기에 연결해 서 전계센서에 의해서 감지된 스펙트럼을 측정하였다.
한편 파형 발생기를 통해서-20∼+20 dBm (이에 대응 되는 전압: 2.238 V∼0.02 V) 파워를 갖는 전계를 TEM 셀에 인가시켜서 실질적으로 셀 내부에 29.84 V/m ∼ 0.298 V/m 균일한 전계를 가변적으로 형성할 수 있었 다. 셀 안에 형성된 전계는 광섬유와 센서로 진행하는 광파와 같은 방향으로 진행된다.
Ⅳ. 측정결과 및 성능평가
그림 7(a) 측정시스템을 이용해서 DC 전압을 변화시 키면서 출력포트의 광 파워를 파워미터로 측정해서 그림 8과 같은 결과를 얻었다. 예상한데로 0V를 인가했을 경 우 두 출력포트에서 광 파워는 거의 비슷했으며, ± ∼8.3 V를 인가할 경우 입사된 광 파워가 한쪽 출력포트로 스 위칭 되어 광 파워가 출력되는 것을 확인할 수 있었으며, 이 경우에 스위칭 전압은 ∼16.6 V, 소멸비 (extinction ratio)는 ∼14.7 ㏈로 측정되었다.
(a)
(b)
그림 7. (a) probe 접촉을 이용한 DC 성능 측정장치 (b) TEM 셀을 이용한 전계측정 장치
Fig. 7. (a) DC performance measurement system utilizing probe contact (b) electric-field measurement system utilizing TEM cell.
그림 8. DC 전압에 따른 출력 광 파워 특성곡선 Fig. 8. Output optical power characteristic curve versus
applied DC voltage.
그림 7(b)와 같이 구성된 전계측정 시스템을 이용해서 제작된 전계센서의 성능 테스트를 수행하였다. 함수 발 생기로부터 10, 50, 70 and 100 MHz 주파수에서 20 dBm 파워를 갖는 전기신호를 TEM 셀에 인가해서 셀 내부에 29.84 V/m의 전계가 형성되도록 하였다. 그림 9는 감지 된 스펙트럼들 중에서 50 MHz 주파수에서 감지된 스펙 트럼을 보여주고 있다. 신호의 세기는 –110.9 dBm, 잡음 세기는 –130.0 dBm로 측정되었으며, 이 측정값들로부터 추출된 신호 대 잡음비 (SNR)는 19.1 ㏈로 계산되었다.
Emin=29.84(V/m)×10(-SNR/20) 관계식으로부터 측정 가능한 최소 전계의 크기는 ∼3.3 V/m 로 계산되었다. 10, 70 MHz 주파수에서 측정 가능한 최소 전계세기는 ∼1.12,
그림 9. 측정된 50 ㎒ 전계의 스펙트럼
Fig. 9. Measured spectrum of 50 ㎒ electric-field.
그림 10. 주파수를 파라미터로 해서 전계세기 변화에 따 른 측정된 전계 스펙트럼 파워
Fig. 10. Photo-detected signal power versus electric-field strength into the TEM cell at different frequencies.
∼12.13 V/m로 측정되었다.
제작된 YBB-MZI 전계센서의 감도(sensitivity)를 측 정하기 위해서 10, 50, 100 MHz 각 주파수에서 0.298 V/m ∼ 29.84 V/m 범위의 전계의 세기를 변화시키면서 스펙트럼 분석기에 감지된 전계신호의 세기를 측정해서 그림 10과 같은 그래프를 얻었다. 주어진 전계세기 범위 내에서는 일부 측정치만 선형영역에서 약간 벗어나는 현 상 외에는 매우 선형적인 특성을 나타내었으며, 측정된 신호 세기로부터 다이내믹 범위(dynamic range)는 10, 50, 100㎒ 각각에 대해서 ∼22, ∼18, ∼12 dB 로 계산되 었다. 한편 그림 11은 TEM 셀에 인가된 전계의 세기를 파라미터로 설정하고, 전계의 주파수를 가변시키면서 측 정된 스펙트럼의 파워를 그래프로 나타낸 것이다. 어느 정도 예상된 측정결과이지만 전계의 주파수가 증가함에 따라 센서에서 감지되는 스펙트럼 파워가 작아짐을 확인 할 수 있었다.
YBB-MZI와 다이폴패치 안테나를 이용한 전계센서 는 대칭/비대칭 마하젠더 간섭기를 이용한 전계센서와 비교해서 우수한 정현파 전달 특성곡선을 이론적 고찰 과 더불어 실험적 결과들을 통해서 확인할 수 있었으
그림 11. 전계세기를 파라미터로 주파수에 따른 측정된 전계 스펙트럼의 세기
Fig. 11. Photodetected signal power versus frequency at different electric-field strength in the TEM cell.
며, 선형성, 다이내믹범위 그리고 주파수 특성과 관련된 실험결과들 또한 비교적 우수한 성능을 나타내고 있음 을 확인할 수 있었다. 특히 YBB-MZI 구조는 광도파로 의 굴절률에 관계없이 출력포트에서 두 광도파로가 정 확하게 대칭일 경우 3㏈ 광 바이어스를 얻을 수 있는 반면에 비대칭 MZI 구조에서는 간섭기를 구성하고 있 는 평행한 두 광도파로의 경로차를 조절해서 π/2의 위 상차를 유지해야 된다. 그러나 이렇게 구현되는 광 바 이어스는 광도파로의 굴절률 그리고 광도파로 제작공정 파라미터에 매우 민감하게 영향을 받기 때문에 정확한 π/2의 위상차를 확보하는 것은 매우 어렵다.
Ⅴ. 결 론
정현파 전달함수 특성과 3 ㏈ 광 바이어스 특성을 나 타내는 1×2 YBB 마하젠더 간섭기 구조에 다이폴 패치 안테나를 적용해서 집적광학 Ti:LiNbO3 전계센서를 설 계 및 제작과 더불어 성능시험을 수행하였다. 소자설계 와 포토마스크 제작에 BPM 전산모사 프로그램을 활용 하였으며, 제작된 소자의 입·출력 포트 각각에 FC/PC 커넥터가 부착된 편광유지 광섬유와 멀티모드 광섬유를 pig-tailing해서 동작 성능을 검증하였다.
DC 0V를 인가했을 경우 두 출력포트에서의 광 파워 는 거의 비슷했으며, ± ∼8.3V를 인가할 경우 입사된 광 파워가 한쪽 출력포트로만 출력되는 것을 확인할 수 있 었으며, 이 경우에 스위칭 전압은 ∼16.6V, 소멸비는 ∼ 14.7㏈로 측정되었다. 10, 50, 70 MHz 주파수와 TEM 셀 의 29.84 V/m 전계에 대해서 –101.5, -110.9, -122.2 dBm 스펙트럼 파워가 측정되었고, -130 dBm 잡음에 대 해서 신호 대 잡음비 (SNR)와 측정 가능한 최소전계는 28.5, 19.1, 7.8 ㏈와 ∼1.12, ∼3.3, ∼12.13 V/m 각각 측
정되었다. 10, 50, 100 ㎒ 각 주파수에서 측정된 스펙트 럼 파워로부터 다이나믹 범위(dynamic range)는 ∼22,
∼18, ∼12 ㏈로 계산되었다.
본 연구에서 제작된 집적광학 전계센서는 1×2 YBB-MZI 구조에 집중형 전극구조에 연결된 다이폴 안테나 (그림 5 참조)를 적용하였기 때문에 수 100 MHz 이상의 전계 신호를 감지하기에는 취약한 구조를 갖고 있다. 따라서 고주파 주파수를 갖는 전계 신호를 감지하기 위해서 감지된 전계의 신호와 광파 간에 속 도정합 (velocity matching)이 가능한 진행파형 전극구 조와 고주파 전계를 감지할 수 있는 다이폴 안테나 구 조를 고안하는 것이 필요다. 한편 다이폴안테나 제원은 전계 주파수가 증가함에 따라 작아지기 때문에 측정하 려는 전계 주파수 범위를 감안해서 ∼수 백 ㎒ 주파수 간격별로 다이폴안테나를 설계해서, 다이폴안테나 다수 를 배열할 경우 넓은 주파수 범위를 갖는 전계를 균일 하게 감지할 수 있으리라 사료된다.[14]
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저 자 소 개 정 홍 식(정회원)
1982년 서강대학교 전자공학과, 학사
1984년 서강대학교 전자공학과, 석사
1988년 Texas A&M University, 미국, Ph. D.
1989년∼1990년 일본, 신기술사업단 연구원 1990년∼현재 홍익대학교, 전자전기공학과, 교수 1998년 9월∼1999년 8월 Texas A&M Univ.,
CEMDAS, 연구교수
<주 관심분야 : LiNbO3 집적광학소자 및 광센서, 광통신시스템 및 소자, 반도체재료 및 부품>