실내 무선통신과 I/Q-간섭계를 이용한 주사형 현미경 연구를 통한 코히어런트 및 인코히어런트 광기술 연구
Study of Coherent and Incoherent Photonics Technologies : Indoor Optical Communications and Scanning Optical Microscope Using I/Q-Interferometer
- 주제(키워드) Heterodyne interferometer , Indoor optical wireless communication , Scanning optical microscope
- 발행기관 서강대학교 대학원
- 지도교수 조규만
- 발행년도 2009
- 학위수여년월 2009. 2
- 학위명 박사
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/sogang/000000044872
- 본문언어 한국어
초록/요약
본 논문은 두 부분으로 나뉘어져 있다. 첫 번째 부분에서는 인코히어런트 광기술에 관한 연구로서 가시광 무선통신에 관한 시뮬레이션을 통하여 주어진 실내 환경에서 최적으로 무선통신 네트워크를 구축하는 연구를 수행하였으며 두 번째 부분에서는 코히어런트 광기술의 대표적인 예로서 복합적인 표면분석이 가능한 I/Q-간섭계를 이용한 주사형 현미경에 관한 연구를 수행하였다. 실내 무선 광통신에 관한 연구에서는 상용화된 소프트웨어인 LightTools를 사용하여 실내에 균일하게 빛살 분포를 만들어 줌으로써 음영지역을 최소화 하는 옥내 무선광통신 송신기에 대한 시뮬레이션 연구를 실행하였다. 광섬유, 확산판(diffuser plate)과 반사경을 이용하여 2 m 높이에서 직경 3 m의 영역에 대해 균일하게 빛살 분포를 만들어 주는 송신기 시스템을 구성하였으며 직경이 5 cm인 광 수신기를 사용할 경우 약 10 dB 이상의 power margin을 확보할 수 있었다. 또한 실내 가시광 무선 광통신에 관한 연구에서는 LightTools를 이용하여 배경빛(background light)에 의한 간섭을 정량적으로 분석하는 연구를 수행하였으며 벽면으로부터의 반사에 의해 발생하는 경로차가 다른 신호들에 의한 ISI(inter-symbol interference)에 대한 정량적인 분석을 위해 다양한 반사채널들에 대한 impulse response를 구하는 방법에 대하여 연구 하였다. 이와 같이 LightTools를 이용하여 얻어진 impulse response가 이제까지 수치해석 계산을 통하여 얻어진 결과와 유사한 경향이 있음을 확인하였다. 이 방법을 이용할 경우 상용 프로그램에서 제공하는 다양한 광원에 대한 라이브러리와 실내 구성물에 대한 간단한 광학적 특성 설정을 통해 다양한 사용자 환경에 적합한 통신 환경을 구현할 수 있다는 장점을 갖는다. I/Q-간섭계를 이용한 스캐닝 현미경에 대한 연구에서는 자체 제작한 주파수가 안정화된 서로 수직으로 선형 편광된 두 개의 종모우드(longitudinal mode)를 갖는 He-Ne 레이저를 광원으로 사용하였고 탐사빛(probe beam)의 진폭과 위상을 동시에 측정할 수 있는 I/Q-간섭계를 이용하여 복합적으로 표면분석이 가능한 스캐닝 현미경을 구성하였다. 구성된 현미경은 sub-nm 정도의 깊이 분해능과 사용한 집광렌즈의 회절한계인 0.8um 정도의 공간분해능 을 가지며 표면으로부터 반사된 탐사빛의 위상과 진폭변화를 동시에 구분하여 mapping시킬 수 있기 때문에 표면의 복소수 반사율에 대한 이미지를 얻을 수 있었다. 균질한 재료와 비균질한 재료로 구성된 표면에 대한 표면 스캐닝 결과로부터 우리가 제작한 현미경의 표면의 복합적인 분석에 유용하게 적용될 수 있음을 알 수 있었다.
more목차
I. 서론 = 1
II. 광학식 검출 방식 = 5
2.1 직접 검출 방식 = 6
2.2 코히어런트 검출 방식 = 14
III.직접 검출 방식을 이용하는 실내 무선 광 통신 = 21
3.1 서론 = 21
3.2 실내 무선 광통신 시스템의 채널 구성 = 25
3.2.1 LOS 채널을 이용한 실내 무선 광통신 시스템 = 28
3.2.2 확산 채널을 이용한 실내 무선 광통신 시스템 = 31
3.3.3 다점 확산 채널을 이용한 다중입력 다중출력 실내 무선 광통신 시스템 = 36
3.3 실내 무선 광통신 솔신기 설계 = 37
3.3.1 실내 무선 광통신 송신기에 대한 전산 모사 = 41
3.3.2 조명용 실내 가시광 광통신에 대한 반사 특성 전산 모사 = 50
3.4 결론 = 60
IV. 코히어런트 검출 방식을 이용하는 스캐닝 I/Q 헤테로다인 간섭계 현미경 = 62
4.1 서론 = 62
4.2 레이저의 주파수 안정화 방법 = 63
4.2.1 He-Ne 레이저 = 64
4.2.2 레이저 매질의 비균질 넓어지기 특성 = 65
4.2.3 He-Ne 레이저 발진 특성을 이용한 안정화 방법 = 68
4.3 두 빛살 간섭계 = 73
4.3.1 I/Q 복조화 방식 = 76
4.3.2 I/Q 복조화법을 이용한 헤테로다인 간섭계 = 78
4.3.3 스캐닝 I/Q 헤테로다인 간섭계 현미경 = 85
4.3.4 스캐닝 I/Q 헤테로다인 간섭계 현미경의 검지율 측정 = 92
4.3.5 스캐닝 I/Q 헤테로다인 간섭계 현미경을 이용한 단일 매질의 시료 측정 = 95
4.3.6 스캐닝 I/Q 헤테로다인 간섭계 현미경을 이용한 이종 매질의 시료 측정 = 100
4.4 결론 = 104
V. 종합적 고찰 = 105
참고문헌 = 108
표 및 그림차례
[표 3.1] 무선 통신 기술 비교 = 22
[표 3.2] 광통신용 수신기의 sensitivity와 검출기의 크기 = 29
[표 3.3] Laser safety classification for a point-source emitter = 30
[표 3.4] 전산 모사에 이용된 LED 제원 = 52
[표 4.1] Plan Achromat 대물렌즈의 N.A.에 따른 분해능 변화 (λ=632.nm) = 86
[그림 2.1] 이진코드와 ASK 코드 변조 형태 비교 = 6
[그림 2.2] 신호와 다양한 잡음원 = 9
[그림 2.3] 광학적 코히어런트 검출 방식 = 14
[그림 2.4](a)헤테로다인 검출 방식에 의해 발생된 광전류, (b) 호토다인 검출 방식에 의해 발생된 광전류 = 17
[그림 3.1] UWB에 대한 정의 및 무선 통신 기술 주파수 비교 = 23
[그림 3.2] 무선 광통신 시스템의 기본 구성 = 27
[그림 3.3] 확산 채널을 이용한 실내 무선 광통신 시스템 = 32
[그림 3.4] Khoo 등이 제안한 확산 채널을 이용한 실내 무선 통신 시스템 = 32
[그림 3.5] Lambertian radiation pattern = 34
[그림 3.6] 18˚ FOV를 갖는 각분할 다중 광검출기 = 35
[그림 3.7] Jikova 등이 제안한 실내 무선 광통신 시스템 = 36
[그림 3.8] Lambertian 광원의 다양한 구성 = 40
[그림 3.9] 곡률 면과 원기둥면을 조합하여 만든 송신기 = 41
[그림 3.10] 십자형 송수신기의 광원 및 광학계 배열 = 41
[그림 3.11] 광섬유에서 방출되는 빛에 대한 전산 모사 = 45
[그림 3.12] 반사 투과형 확산모델에 대한 전산 모사 = 45
[그림 3.13] 다수의 광원으로 구성된 반사형 확산 모델에 대한 전산 모사 = 46
[그림 3.15] 다수의 확산 광원을 이용한 타원 반사경 모델에 대한 전산 모사 = 47
[그림 3.16] 다수의 포물선 반사 모델을 사용한 무선 광통신 하양 링크 시스템에 대한 전산 모사 = 48
[그림 3.17] 실내 무선 광통신 하향 링크 시스템의 실제 제작 모델 = 49
[그림 3.18] 하향 광통신 모듈의 빛살 형태 = 49
[그림 3.19] LWW5G-HX에 대한 Far-Field Intensity분포 전산 모사 결과 = 53
[그림 3.20] 전산 모사를 통한 LWW5SG-HX에 대한 CIE 색좌표 및 색온도 결과 = 53
[그림 3.21] LXHL-PW01에 대한 Far-Field Intensity분포 전산 모사 결과 = 54
[그림 3.22] 전산 모사를 통한 LXHL-PW01에 대한 CIE 색좌표 및 색온도 결과 = 54
[그림 3.23] 벽면 분할을 통한 간접적 impulse response 계산 = 55
[그림 3.24] 1200 ㎜×1200 ㎜×2100 ㎜ 실내에서 광검출기의 위치 = 57
[그림 3.25] (300,300)에 위치한 광검출기에 impulse response 결과 = 57
[그림 3.26] (300,-300)에 위치한 광검출기에 impulse response 결과 = 58
[그림 3.27] (-300,300)에 위치한 광검출기에 impulse response 결과 = 58
[그림 3.26] (-300,-300)에 위치한 광검출기에 impulse response 결과 = 59
[그림 4.1] 일반적인 He-Ne laser의 구조 = 65
[그림 4.2] 비균질하게 넓어지는 원자들의 평균 lineshape 함수 = 66
[그림 4.3] He-Ne 레이저의 이득곡선 = 67
[그림 4.4] 주파수가 안정된 두 모드 He-Ne laser 구성 = 68
[그림 4.5] 자체 제작한 주파수가 안정된 두 모드 He-Ne 레이저 = 71
[그림 4.6] mode 1과 mode 2에 대한 맥놀이 주파수 변화 = 72
[그림 4.7] mode 1과 상용 레이저에 대한 맥놀이 주파수 변화 = 72
[그림 4.8] 빛살 가르개를 이용한 코히어런트 검출 방법 = 73
[그림 4.9] 주파수가 안정된 두 모드로 발진하는 He-Ne 레이저를 사용한 헤테로다인 간섭계 = 78
[그림 4.10] λ/4위상지연판)와 λ/2위상지연판의 동작원리 = 79
[그림 4.11] 선형 편광기의 원리 = 82
[그림 4.12] I/Q 복조화기 = 83
[그림 4.13] 스캐닝 I/Q 헤테로다인 간섭계 현미경에 대한 실험 구성도 = 85
[그림 4.14] 얇은 렌즈를 통과하는 Gaussian 빛살 = 87
[그림 4.15] PZT stage를 이용해 측정된 위상에 대한 FFT결과 = 93
[그림 4.16] 무늬가 있는 Au 시료에 대한 단면도 = 97
[그림 4.17] 무늬가 있는 Au 시료의 광학 현미경 이미지 = 97
[그림 4.18] 스캐닝 I/Q 헤테로다인 간섭계 현미경을 이용하여 측정된 Au 시료의 3 차원 표면 구조 = 98
[그림 4.19] 스캐닝 I/Q 헤테로다인 간섭계 현미경을 이용하여 측정된 표면 구조에 따른 반사율 변화 = 98
[그림 4.20] 스캐닝 I/Q 헤테로다인 간섭계 현미경을 이용하여 측정된 1 개의 스캐닝 라인에 대한 높이와 반사율 변화 결과 = 98
[그림 4.21] AFM을 이용하여 측정된 Au 시료의 표면 구조 결과 = 99
[그림 4.22] 초점위치 변화에 의한 위상측정과 반사율 측정 차이점 = 100
[그림 4.23] 서로 다른 매질로 구성된 시료 = 102
[그림 4.24] 서로 다른 매질로 구성된 시료에 대한 상용 광학 현미경 이미지 = 102
[그림 4.25] 이종 매질 시료의 제작 공정 = 102
[그림 4.26] SiO_(n) 내부에 위한 Al 전극에 대한 위상 측정 결과 = 103
[그림 4.27] SiO_(n) 내부에 위한 Al 전극에 대한 진폭 측정 결과 = 103
