Optical voltage sensing systems employing $LiNbO_3$ integrated-optical waveguide devices are realized in two different schemes, the details of which are as follows.
First, an integrated-optical high-voltage sensor made of cutoff modulators and dummy electrodes on a Z-cut $LiNbO_3$ substrate is fabricated and packaged. It measures voltages more than $500V_{rms}$ without any electrical dc bias and capacitive voltage dividers. A signal processing circuit is designed to make the sensor output immune to an optical source power change or a polarization fading. The measured linear response and drift of the sensor are within ±2% and ±2.5% error, respectively.
Second, a voltage sensor with variable sensing ranges is realized, which consists of a Mach-Zehnder interferometric waveguide with an array of buried electrodes on a X-cut $LiNbO_3$. The buried electrodes are fabricated by wet etching of proton-exchanged $LiNbO_3$. In this sensor, the order of the sensing-range may be controlled by simply changing the electrode gap and length. The sensing range is extended by integrating a number of electrodes that give different sensing ranges on the same substrate. The fabricated sensor has three different electrodes, which give half-wave voltages of 8.16V, 78.4V, and 684V, respectively. It covers the sensing range from $7mV_{rms}$ to $400V_{rms}$. The bias stability and half-wave voltage variation due to temperature change are measured by the harmonic component measurement method. The bias phase remains stable to a total variation of 2° over 10~50℃ and the half-wave voltage decreases about 0.1% per 1℃ temperature increment.
In realizing these integrated-optic sensor in connection with an optical fiber system the fiber pigtailing to a waveguide device is an important technology. The poalrization-maintaining fiber is pigtailed to an integated-optic sensor using the silicon V-groove and optical epoxy. This technique is also applied to fiber-to-$LiNbo_3$ gyro chip pigtailing. For the purpose, the gyro chip that consists of phase modulator on a Y-branch waveguide has been fabricated. Its fiber-to-fiber insertion loss is -7dB. and it varies within -1dB over 25~85℃.
In appendix, a demodulation scheme for a new interferometric fiber laser rotation sensor using the fabricated Y-branch phase modulator is presented. The single-sideband homodyne detection method is adopted to measure the rotation-induced optical phase change. The flip-chip fiber coupling technique using silicon platform is used to reduce the path-length difference of the interferometer within 5μm. The measured scale factor, bias drift, and random walk noise of the gyro are 0.13sec, 0.3°, and 13deg/hr/√Hz, respectively.
리튬나이오베이트 광도파로 소자를 이용한 두가지 형태의 전압센서 시스템을 제작하여 그 성능을 측정하였다.
먼저, 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 ±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 ±2% 이내로 측정되었다.
다음으로, X-cut $LiNbO_3$ 기판을 base로 하여 Mach-Zehnder 간섭계와 파묻힌 전극으로 이루어진 측정 범위 가변형 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 이르는 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℃~50℃의 범위에서 2°의 오차 내에서 안정하였고, 동작 전압은 1℃의 온도 증가에 의해 약 0.1%씩 감소하는 특성을 보였다.
이와 같은 집적광학 센서를 광섬유 시스템에 적용하기 위해서는 광섬유 결합 기술이 중요하게 요구된다. 편광유지 광섬유와 자외선 경화 에폭시를 사용하여 집적광학 센서에 광섬유를 결합하였다. 1×2 광분할기 구조의 자이로칩을 제작하고 광섬유 결합을 하여 전체 삽입 손실 -7dB를 얻었다. 패키징의 온도에 따른 안정성을 테스트한 결과 25℃~85℃의 온도 변화에 대해 삽입손실 변화는 -1dB 이내로 안정하였다.
