Electrical engineering has been progressing at an unexpected rate. Especially, the increase of operating frequency is one of the most desirable and explicit trends. However, this frequency increase has driven many field-related high-frequency electric phenomena into real consideration. As an effort to overcome the limit of conventional test instruments in diagnosing the high-frequency phenomena, optical/optoelectronic techniques such as photoconductive (PC) sampling and electro-optic sampling using a short pulse laser introduced, have opened new era for the characterization of ultrahigh frequency electromagnetic phenomena in the time-domain. Especially, the PC sampling technique has become one of the most promising test methods for the time-domain electric phenomena characterization, due to the ultrawide measurement bandwidth extending to multi-hundreds gigahertz and the very high SNR in room temperature.
In this paper, I firstly applied the time-domain PC sampling technique to the measurement and mapping of picosecond near-field distribution and developed a novel photoconductive near-field (mapping) probe (PCNFP). To do that, I successfully developed an epitaxial lift-off technique originally and applied to the fabrication of the PCNFP to minimize the loading effect [invasiveness]. The resulting probe was 500 $\mu m$ x 420 $\mu m$ fabricated on 1-um-thick LT-GaAs epilayer. The adoption of optical fibers, for guiding laser pulses to the PC switch of the probe and for electrical connections to external apparatus, enabled the probe to be positioned freely with uniform sensitivity. The operation principle of the PCNFP was verified by means of the FDTD simulation: the probe detects the original shape of the incident electromagnetic field by the switching action of the generated carriers in the PC switch of the probe.
It is demonstrated in chapter II by means of measurement that the developed PCNFP detects the E-field component with the same direction as that of the PC switch of the probe, with less than 2 ps temporal resolution, less than 2 $\mu$V/(Hz)1/2 sensitivity, and negligible invasiveness.
As applications of the probe to the study of picosecond electric-pulse propagation phenomena, microstrip lines and their components fabricated on LT-GaAs substrate and PCBs are investigated in chapter III. Especially, three different experimental setups are implemented to measure the E-field distributions of arbitrary devices/circuits on different substrates.
In the measurement of the microstrip line fabricated on a PCB (FR4) substrate, it is shown that the PCNFP detects the original shape of the guided near E-field waveform. Also, pulse-coupling phenomena of the coupled microstrip line (MCLIN) on the PCB substrate are investigated for the first time by measuring the transverse E-field component distribution. Detailed E-field waveforms that vary in shape and direction at the crucial internal points of the MCLIN are presented in chapter III, showing the unknown propagation delays within the DUT and the transverse E-field direction changes over the feed lines and parallel-coupled region.
Chapter IV is dedicated to the investigation of picosecond electric-pulse propagation phenomena on CPW discontinuities such as open- and short-terminations and right-angle bend structures as well as coplanar transmission lines, by mapping the transient transverse near E-field distributions. The measurements show marvelous unknown transient electric-pulse propagation phenomena, which can never be given by the conventional external-port access test instruments.
최근의 전자공학의 빠른 발전과 더불어 수백 기가헤르츠급 초고속 소자들이 개발되고 있으며, 집적회로의 집적도는 날이 갈수록 증가하고 있는 실정이다. 이러한 초고속 고집적 회로의 개발은 기존에는 크게 고려되지 않은 많은 전자파 현상을 불러일으키고 있지만, 기존의 측정장치들은 측정주파수의 한계뿐만 아니라 초미세 회로내부에서 일어나는 그러한 현상의 직접적인 측정에는 한계를 가지고 있다.
이에 본 논문에서는 시간영역에서 그러한 초고속 전자파 관련 현상들을 회로내부에서 직접 측정할 수 있는 새로운 근접장 측정 프로브를 세계 최초로 개발에 성공하였다. 개발된 프로브의 동작은 광전도 표본 기술에 그 근간을 두고있는데, 이는 펨토초의 펄스폭을 갖는 레이저 빔을 피코초 이하의 반송자 수명을 갖는 광전도체 상에 만들어진 광전도 스위치로 입사하여 피코초 전기펄스를 생성&표본하는 기술로 본 연구에서는 Ti:Sapphire 펄스레이저와 MBE장비로 200도에서 성장된 갈륨비소 박막을 이용하였다.
또한 최소의 부하효과를 갖는 프로브의 개발을 위해 박막분리 및 이식기술을 자체 개발하였으며, 이 기술과 더불어 광섬유결합기술을 적용하여 1 미크론의 두께를 갖는 초소형 프로브를 성공적으로 개발하였다. 이 프로브는 펄스레이저 빔을 프로브상의 광전도 스위치로 입사시켜 여기된 반송자들이 측정위치에서의 전장성분에 의해 움직이는 원리로 동작한다. 이때 측정된 신호의 크기와 극성은 프로브의 스위치 방향과 같은 방향의 전장성분의 크기에 의해 결정되므로, 측정 위치에 존재하는 전장의 크기와 방향을 알 수 있다. 또한, 프로브상의 광전도 스위치를 구동하기 위해 전반사의 원리를 이용할 수 있도록 45도 경사를 갖게 한쪽 끝면을 깎은 광섬유를 결합하였는데, 이는 측정 소자나 회로내부의 여러 측정위치에서 동일한 측정감도를 보장하는 장점이 있다. 그러므로, 개발된 본 프로브는 동일한 감도를 갖고 단순히 프로브의 방향만 바꿈으로써 독립직교된 전장성분들 분리/측정할 수 있으며, 이를 컴퓨터 제어된 천이단과 결합하여 2차원 및 3차원 방향성 근접장 지도제작이 가능하다. 그리고, 본 프로브의 공간분해능은 레이저 펄스에 의해 반송자가 생성되는 프로브상의 광전도 스위치의 폭에 의해 결정되는데, 개발된 프로브는 3미크론의 스위치 폭을 갖고 있다.
본 프로브의 동작원리는 먼저 유한차분시영역 시뮬레이션을 이용하여 검증하였으며, 미크론스트립선 및 동일면 전송선들에서 전파되는 피코초 전기펄스의 근접장 성분을 측정하여 그 성능을 점검하였다. 이러한 전송 구조들에서 제작된 프로브가 전파하고 있는 피코초 전기펄스의 크기와 방향을 제대로 측정하며 시간에 따라 변하는 근접장들의 지도 제작이 가능함을 보였다. 그리고, 동일면 전송선상에서 2.7 피코초의 펄스폭을 갖는 펄스 신호가 측정되었는데, 이는 본 프로브에 의해 측정된 펄스의 폭이 측정하는 신호의 펄스폭과 광전도 스위치의 표본함수에 의해 상관관계에 의해 결정됨을 고려하면, 본 프로브가 2 피코초 이하의 시간분해능을 가짐을 알 수 있다.
제작된 프로브의 실제 연구에의 적용으로, 동일면 도파로의 개방 및 단락 구조 및 미크론스트립선 및 동일면 도파로의 90도로 휜 구조선 등의 불연속 구조체들에서의 전기적 신호 전파특성을 피코초 전기펄스의 접선전장성분들의 지도를 제작하여 측정/연구하였으며, PCB 상에 제작된 미크론스트립 결합선에서의 신호(펄스) 결합현상을 소자 내부 여러 곳의 횡단전장성분을 측정/연구하였다. 동일면 도파로 불연속 구조체들 측정에서는 시간에 따라 변하는 피코초 펄스의 전파 및 반사 특성, 90도로 휜 구조선들에서는 국부적인 새로운 신호방사현상, 그리고 미크론스트립 결합선에서는 전파모드와 관련된 결합현상 등 기존에 알려지지 않은 많은 전기과도현상들을 세계최초로 측정 및 분석하였다.
