Developments of Low Frequency Electric Field Sensor using $Ti:LiMbO_3$ Optical Modulator

$Ti:LiMbO_3$ 광변조기를 이용한 저주파 전계센서의 개발

The use of an asymmetric Mach-Zehnder interferometric amplitude modulator to measure a relatively low frequency electric field strength is described. The sensitivity of an electric field sensor using a $Ti:LiMbO_3$ optical modulator is strongly affected by the shape of a electrode(probe antenna). To measure the low frequency electric field, a probe antenna of wide effective area is more useful than the usual dipole antenna. As a proof of this, the optical modulator was fabricated with a plate-type probe antenna and the usefulness of this antenna tested for measuring low frequency electric field strength. Measurements were performed in the range 0.1 V/cm to 60 V/cm at 60Hz through 100 kHz. Using a probe antenna of $10\;mm{\times}10\;mm$, the output voltage of $10^{-2}\;mV$ was measured with respect to the electric field strength of 0.1 V/cm at 60 Hz. By increasing the effective area of the probe antenna, better sensitivity is obtainable over the measured range.

비대칭 도파로 마흐젠더(Mach-Zehnder)형 $Ti:LiMbO_3$ 광변조기를 이용하여 아주 낮은 저주파대(ELF:Extremely Low Frequency)의 전계계측을 위한 센서개발을 시도하였다. $Ti:LiMbO_3$ 광변조기를 이용하는 전계센서의 감도는 광변조기의 전극구조에 따라 크게 달라지는 것을 알 수 있었다. 이의 확인을 위한 실험적 연구로서 플레이트(plate)형 프로브안테나를 부착한 광변조기를 제작하여 저주파 전계강도를 측정하였다. 전계강도의 측정은 주파수범위 60 Hz 에서 100 kHz 까지, 전계강도 0.1 V/cm 에서 60 V/cm 까지의 범위를 측정하였다. $10\;mm{\times}10\;mm$ 프로브안테나의 경우, 60 Hz, 0.1 V/cm의 피측정전계에서 $10^{-2}\;mV$의 감도를 얻을 수 있었다. 저주파 전계강도를 측정하기 위해서는 넓은 유효면적을 갖는 플레이트형 프로브안테나가 일반적인 다이폴 안테나보다 유용하다는 것을 확인하였다. 피측정 전자계의 주파수 범위에 따라 안테나의 유효면적을 적당히 조절한다면 더 좋은 센서의 감도를 얻을 수도 있다.