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작성자 키트 작성일2017-08-29 15:09 조회3,198회 댓글0건

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광파워측정기술(상) cfile22 ‘광파워를 측정한다’라고 하는 경우, 그 주요 대상이 되는 것은 레이저 광원과 LED 광원이다. 특히 레이저 다이오드 (반도체 레이저)는 정보화사회의 키 파트 중 하나라고도 할 수 있다. 우리 주변에서 많이 사용되고 있는 상품 중, CD/DVD/ MD/MO 등의 광디스크 혹은 광자기디스크를 이용하는 기기 는 반드시 레이저 다이오드를 내장하고 있다. 또 보급기를 맞 이하고 있는 FTTH(Fiber To The Home)와 같은 광통신망 에서는 광원으로서 레이저 다이오드나 통신용 LED를 대량으 로 사용하고 있다. 이러한 것들 외에도 레이저 포인터, 레이저 프린터, 바코드 스캐너 등 레이저 다이오드를 이용하는 기기는 우리 주위에 서 생각보다 많이 사용되고 있으며 작업할 때 접할 기회도 증 가하고 있다. 여기서는 광/광자기디스크와 광통신 분야에서 사용되는 레 이저 다이오드, LED의 광파워 측정을 중심으로 하여 광파워 측정에 대한 다양한 내용을 해설한다. ‘빛’은 전자파이다 간단히 말하자면‘빛’은 파장이 매우 짧은(주파수가 굉장 히 높은) 전자파이다. 좀 더 자세히 표현한다면 에너지가 파 나 미립자 방출로 전달되는 것을‘방사’라 부르지만 사람의 눈으로 검출할 수 있는 파장의 방사와 그에 가까운 파장의 방사를 합하여‘빛’이라 칭하고 있다. 그림 1에 전자파 구분의 일례를 나타낸다.

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1. 빛에는 자외선, 가시광선, 적외선이 있다 다른 용어를 사용하여 빛을 표현하면‘가시광선’(진공 속 의 파장이 380nm에서 780nm 정도까지)과 가시광선보다 파 장이 짧은‘자외선’, 가시광선보다 파장이 긴‘적외선’을 합 한 것을 말한다. 빛은 파장으로 표현하면 몇 자리까지 미치는 넓은 범위의 전자파이지만 통신이나 광디스크 등의 분야에서 이용하는 빛 은 주로 가시광선과 파장 1.7㎛ 정도까지의 근적외선(가시광선에 가까운 적외선)이다. 2. 빛은 파장으로 구별한다 빛을 표현하는 데에는 진공 속의 파장을 사용하는 것이 일 반적이다. 파장이 달라지면 빛이 전달되는 모습이나 빛이 물 질에 미치는 효과 등이 달라진다. 예를 들어 빛이 매질(진공이나 글라스와 같은 고체, 이산화 탄소 등의 기체, 물과 같은 액체 등)을 투과할 때, 어떤 특정한 파장의 빛이 감쇠되는 경우가 있다. 그 예로 그림 2에 물의 근적외 스펙트럼을 나타낸다.(2)

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세로축은 흡광도라 하여 빛을 흡수하는 정도를 나타내고 있으며 1,400nm 및 2,000nm 근처에서 극단적으로 빛이 흡수되는 것을 알 수 있다. 또 물질에 미치는 효과 면에서 자외선은 피부를 태우거나 피부암의 원인이 되는 한편 살균작용이 있으며, 적외선은 난 방이나 조리에 이용한다는 점에서도 파장에 의한 차이를 알 수 있다. 3. 빛은 입자이기도 하다 빛은 전자파인 동시에 포톤(photon)이라는 입자(양자)이 기도 한다. 극도로 미약한 빛의 파워를 측정하는 경우, ‘포톤 의 수를 센다’라고 하는 방법이 있으며 이것을 광자계수법 혹 은 포톤 카운팅 등이라 부른다. 파장을 이미 알고 있다면 포 톤의 수에서 파워를 계산할 수 있다. 4. 빛의 에너지는 파장에 반비례한다 포톤의 에너지 Ep [J]는 다음과 같은 식이 된다. cfile1 h:플랭크의 상수(6.626×10-34) [J/s] c:진공 속의 광속(2.998×108) [m/s] λ:빛의 파장 [m] c/λ는 주파수(진동수 ν)에 해당하므로 식 (1)은 다음과 같 이 재기록된다. cfile2 즉, 포톤의 에너지는 진동수에 비례(파장에 반비례)한다. 자외선영역의 포톤 1개 쪽이 적외선영역의 포톤 1개보다 훨 씬 큰 에너지를 갖게 된다. 이러한 파장에 의한 에너지의 차 이에 따라 물질에 부여되는 효과가 달라진다. 5. 다양한 파장 상의 정의 파장 상의 빛의 정의는 엄밀하지 않다. 대체적으로 좁은 의 미에서의 빛은 가시광선이고 넓은 의미에서의 빛은 약 1nm 에서 1mm까지 파장범위의 전자파이다. 또 빛을 구분하는‘자외선’, ‘가시광선’, ‘적외선’이라는 용어는 일반적으로 사용되지만 어디서 어디까지의 파장의 전 자파가 자외선이다 라고 하는 통일된 정의는 없는 것 같다. 정의가 필요할 경우, 다양한 단체나 규격이 개개의 상태에 맞 춰 정의하고 있다. 6. 빛의 성질인 3요소(공간, 시간, 파장)를 고려한다 먼저 우주공간에 떠있는 항성에서 방사되는 빛을 상정해 본다. 방사의 강도에 관해 대체적으로 보면 어느 방향에서나 한결같이, 항상 일정하게 빛을 방사하고 있어 공간과 시간에 의존하지 않는(어디서, 언제 측정해도 변함없는) 빛이 된다. 또 항성의 빛은 그림 3과 같이 어떤 온도의 흑체방사에서 근사할 수 있으며 연속적인 스펙트럼으로 된다.

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실제로는 항성 주위에 존재하는 가스 등의 물질이 특정한 파장의 빛을 흡 수해버리는 경우도 있다. 7. 빛의 측정에서는 오차가 발생하기 쉽다 다음에 레이저 포인터에서 방사되는 빛에 관하여 상정한다. 이 경우, 빛의 방사는 한 방향으로 한정되어 공간에 강하게 의 존하는(측정하는 장소에 따라 크게 변화하는) 빛이 된다. 또 레이저 포인터를 점멸시키면 시간적으로도 크게 변화하 는 빛이 된다. 스펙트럼에 관해서는 거의 레이저 고유의 파장 뿐이라고 할 수 있는 빛이다. 그림 4에 광통신에서 이용되는 레이저 다이오드의 스펙트럼의 일례를 나타낸다.

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이 2개의 예에서도 알 수 있듯이, 빛의 측정이란 공간, 시 간, 파장과 관계된 복합적인 양의 측정이다. 따라서 목적에 알 맞은 측정수단을 선택하지 않으면 큰 측정오차가 발생한다. 8. 물리적인 양과 심리물리량(감각적인 양)이 있다 빛에 관계된 측정을 크게 분류하면 물리적인 양으로 표현 하는 측정과, 인간의 눈의 감각과 관련된 심리적 물리량이라 불리는 것으로 표현하는 측정(일반적으로‘측광’이라 불리는 측정)으로 구별할 수 있다. (1) 물리적인 양:광파워 물리적인 양이라는 것은 전압이나 전류, 저항값과 같은 것 이며 인간의 감각과는 본질적으로 관계가 없다. 예를 들면 광디스크나 광통신용 레이저 다이오드에서 사용 되는 빛은 광 센서로 검출하기 때문에 인간의 감각 등과는 관 계없다(처음부터 인간의 눈에 보이지 않는 빛을 사용하는 경우 도 있다). 이러한 때는 물리적인 양으로 측정할 필요가 있다. 이 예에서 빛의 강도를 측정하는 데에는 빛의 방사 에너지, 즉 이 글의 주제인 광파워를 측정할 수 있는‘광파워 미터’를 사용한다. 이 경우의 단위는 W(와트) 혹은 dBm(디비엠)이다. (2) 심리물리량:예를 들면 조도 그러나 가시광선에 관계된 측정인 경우, 인간의 눈의 감각 과 밀접한 관계를 갖는 경우가 많아 측정결과를 인간의 감각 과 관련지을 필요가 생긴다. 구체적으로 인간의 눈의 감도는 그림 5와 같이 파장 의존성을 갖고 있다.(3)

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즉, ‘색’이라는 요소가 강하게 작용하므로 파장에 따라 측정한 물리량에 기준 값을 매긴다. 예를 들어 공장의 작업장소에 있는 조명이 적절한가의 여 부는 눈으로 감지하는 문제이기 때문에 감각을 가미한 심리 물리량으로 측정해야 한다. 이 예에서는 빛으로 조사된 면의 명도를 측정할 수 있는‘조도계’를 사용한다. 이 경우의 단위 는 lux(룩스)이다. 측광에는 이 밖에도 어느 면에서 어떤 특정방향으로 방출 되고 있는 빛의 강도를 나타내는‘휘도’가, 단위는 cd/m2(칸 델라/평방미터)로 많이 사용된다. 또 색채에 관한 측정은 독 립적으로‘측색’이라 부르고 있다. 빛을 전기신호로 변환하는 포토다이오드의 동작원리 1. 포토다이오드는 내부 광전효과로 광전변환한다 빛을 전기신호로 변환하는 것을 광전변환이라 한다. 광전 변환은 물리적인 현상이라는 관점에서 다음과 같이 분류할 수 있다. ① 외부 광전효과 ② 내부 광전효과 ③ 열전효과 ④ 초전효과 ⑤ 기타 여기서 대상으로 하고 있는 레이저 다이오드 등의 광파워 측정에서는, 검출소자로서 주로 포토다이오드를 사용한다. 이것은 내부 광전효과 중 광 기전력효과를 이용한 광센서이 다. 빛에서 에너지를 얻는 태양전지도 같은 효과를 이용하고 있다. 다음에 포토다이오드의 동작원리를 간단히 설명한다. 2. 포토다이오드는 n형 반도체와 p형 반도체로 되어 있다 포토다이오드를 구성하는 물질은 n형 반도체와 p형 반도 체이다. n형 반도체에는 반도체 속을 이동할 수 있는 전자가 포함되어 있다. 또 p형 반도체에는 마찬가지로 이동 가능한 홀이 포함되어 있다. 전자는 마이너스 전하를 가진 미립자이 고 홀은 플러스 전하를 가진 입자라 생각하기 바란다. 그림 6(a)를 보면 n형은 마이너스에, p형은 플러스에 대전하고 있는 것처럼 착각할 수 있지만 이러한 반도체는 전기적으로 중성인 상태이다.

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3. pn접합 부분에서는 전자와 홀이 결합되어 소멸한다 여기서 n형 반도체와 p형 반도체를 접합하고 pn접합을 가 진 반도체, 즉 다이오드로 해본다. 그렇게 하면 접합부분 근 처에서 마이너스와 플러스의 미립자가 서로 당겨져 결합된 다. 즉, n형 반도체 속의 전자는 p형 반도체 방향으로 이동하 고 p형 반도체 속의 홀은 n형 반도체 방향으로 이동, 서로 결 합되어 소멸돼버린다[그림 6(b)] 그러면 n형 반도체 속의 접합 부근에서는 전자가 없어지게 된다. 전자 그 자체는 전기적으로 마이너스이기 때문에 이 전 자가 없어진다는 것은 전기적으로는 플러스로 치우치게 된다 는 뜻이다. 한편, p형 반도체 속의 접합 부근에서는 홀이 없어지게 된 다. 홀 그 자체는 전기적으로 플러스이기 때문에 홀이 없어진 다는 것은 전기적으로는 마이너스로 치우치게 된다는 뜻이다. 4. pn접합 부분에 전계를 가진 공핍층이 생긴다 이상과 같이 접합부분 근처에서는 n형 반도체 측이 플러 스, p형 반도체 측이 마이너스로 대전한다. 이로써 n형에서 p 형으로 향하는 전계가 발생한다[그림 6(c)]. 이 전계의 방향은 n형 반도체의 전자가 p형 반도체 방향으 로 이동하는 것을 방해하는 방향이기 때문에 지금까지의 설 명에서 n형 반도체와 p형 반도체를 접합했을 때의 전자, 홀 이동을 방해한다. 즉, 어딘가에서 평형상태로 된다는 뜻이다. 그리고 n형 반도체와 p형 반도체와의 접합부분 근처에 생 기며 전자나 홀도 없는 영역…전계가 발생하고 있는 부분을, 특별히 공핍층이라 부른다. 5. 포톤이 전자-홀 쌍을 발생시키고 전류가 흐른다 여기서 이 상태의 다이오드에 그림 6(d)와 같이 빛을 조사 해 본다. 포톤의 에너지가 충분히 크다면 다이오드의 이쪽 저 쪽에 전자와 홀의 페어(전자-홀 쌍)가 발생한다. 공핍층으로 부터 먼 곳에서 발생한 전자나 홀은 공핍층에 이르기 전에 재 결합하여 원시로 복귀돼버린다. 그러나 공핍층과 그 근처에 서 전자-홀 쌍이 발생하면 공핍층 전계의 영향을 받아 전자는 n형 반도체 측으로 이동하고 홀은 p형 반도체 측으로 이동하 여 함께 축적된다. 여기서 다이오드를 외부로부터 단락시키면 다이오드 내부 에서는 p형 반도체 측에서 n형 반도체 측으로 전자의 흐름이 연속 발생하게 된다[그림 6(e)]. 전류는 홀이 흐르는 방향과 같아서 n형 반도체 측(캐소드)에서 p형 반도체 측(애노드)으 로 흐른다. 이것을 바깥쪽에서 보면 빛에 의해 다이오드에 역 전류가 발생한 것으로 된다. 포토 다이오드의 종류와 특성 1. 포토 다이오드의 조성으로 사용 가능한 파장이 거의 결정된다 앞에서 포톤의 에너지가 충분히 크면 다이오드 속에서 전 자-홀 쌍이 발생하고 결과적으로 전류가 흐른다고 설명했다. 보다 정확하게 말하면, 전자-홀 쌍이 발생하는 것은 포톤의 에너지가 반도체의 밴드갭 에너지보다 큰 경우이다. 전술한 바와 같이, 포톤의 에너지는 파장에서 결정된다. 또 밴드갭 에너지는 반도체의 조성(성분)으로 결정된다. 따라서 포토다이오드의 조성에 의존하여 검출 가능한 파장의 한계가 변한다. 또 광센서로서 부품으로 하려면 포토다이오드의 표면을 보 호하는 글라스나 수지가 필요하고 이러한 성분이나 표면처리 에 의해서도 감도가 변한다. 2. 수광감도에는 강한 파장 의존성이 있다 그림 7에 일반적으로 자주 사용되는 Si(실리콘), InGaAs(인듐-갈륨-비소), Ge(게르마늄) 포토다이오드의 파장 의존성 예를 나타낸다.

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세로축은 수광감도라 불리는 것으로, 입사 광파워와 포토다이오드의 출력전류와의 비율로 감도를 나타 내고 있다. 이 그림은 분광감도 특성이라 불린다. 그림 7의 예에서 Si 포토다이오드는 가시광선에서부터 파 장 1㎛까지의 광검출에 적합하고 InGaAs 포토다이오드와 Ge 포토다이오드는 Si 포토다이오드의 한계인 1㎛에서 1.7 ㎛까지의 적외선 검출에 적합하다는 것을 알 수 있다. 또한 그림 7에 나타난 것에 비해 감도 파장 대역을 확대한 포토다 이오드도 제조되고 있다. 3. 수광감도에는 온도 의존성이 있다 그림 8에 Si 포토다이오드에서의 예를 나타낸다.(11)

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전반적으로 500nm~850nm까지의 영역에서는 온도 의존성이 매 우 작으며 여기서 벗어난 파장역에서는 메이커나 품종에 의 해 차이가 발생하는 것 같다. 또 그림 9와 같이 InGaAs 포토다이오드는 온도가 내려가면 분광감도 특성상 피크가 단파장 측으로 엇갈리는 현상을 볼 수 있다.(10)

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이것은 단파장 측, 즉 청색 측으로 피크가 이동한다는 점에서‘블루 시프트’라고도 불린다. 이 원인은 포토다이오드의 밴드갭 에너지가 온도 의존성을 가진다는 점에 있으며 Ge 포토다이오드에서도 같은 현상이 발생한다. 따라서 수광감도가 급격히 변화하는 장파장 측에 서 사용하는 경우, 온도변화에 배려가 필요하다. 4. 직선성은 넓은 입력범위에 걸쳐 매우 우수하다 포토다이오드의 입사 광파워에 대한 출력전류 직선성의 한 예를 그림 10에 나타낸다. 직선성을 평가하려고 할 경우, 평가장치의 오차가 지배적일 정도이다.

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또 다이내믹 레인지도 매우 넓으며, 예를 들어 Si 포토다이 오드에서는 6자리에서 9자리라고도 한다. 하한과 상한까지 확인해 두면 그 사이의 직선성은 포토다이오드 이외의 전자 회로 등에서 좌우된다고 볼 수 있다. 5. 암전류가 검출의 하한을 결정한다 포토다이오드 직선성의 하한을 결정하는 것은 암전류라 불리는 잡음전류이다. 이것은 빛을 차단한 상태에서의 출력전 류를 의미한다. 암전류는 소자 면적 증가에 따라 커지고 온도상승에 의해 서도 증가한다. 때문에 특히 미약한 광파워를 안정적으로 측 정할 목적에서는 필요 최소한의 수광면적의 포토다이오드를 냉각하여 사용하는 방법이 채택된다. 또 광파워 미터로서는 암전류와 전자회로의 오프셋 전압을 정리하여 취소하는 기능을 가진 것도 있다. 그림 11에 암전류 온도 의존성의 예를 나타낸다.(10)

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조성 상으로 Si나 InGaAs는 암전류가 작고 Ge는 암전류 가 크다. 또 암전류의 온도 의존성은 GE〉Si〉InGaAs와 같 은 순서이며 InGaAs의 온도 의존성이 가장 작은 것 같다. 6. 바이어스 전압을 인가하면 포화 레벨이 상승한다 그림 10을 보면, 포토다이오드의 출력전류는 입사 광파워 가 큰 영역에서 포화되고 있다는 것을 알 수 있다. 이 포화현 상은 포토다이오드에 바이어스 전압을 인가할 경우 상당히 완화된다. 그 모습을 그림 12에 나타낸다.

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단, 바이어스 전압을 인가하면 전술한 암전류가 증가하므 로 고감도 광파워 측정을 목표로 할 때 장해가 되는 경우도 있다. 다이내믹 레인지가 넓은 광파워 미터를 구성하기 위해 약한 빛을 측정할 때는 바이어스 전압을 작게(혹은 차단)하고 강한 빛을 측정할 때에는 바이어스 전압을 크게 하는 방법도 있다. 또 포화에 관해서는 포토다이오드 상의 광 빔이 작은 쪽이 불리하다. 가급적 큰 면적에 넓게 조사하면 포화되기 어려워 지는 경우도 있다. 7. 포토다이오드의 접합용량이나 배선 등의 용량으로 응답속도가 좌우된다 광파워의 변동을 구하는 데에는 응답속도가 문제된다. 이 응답속도를 좌우하는 것은 포토다이오드 애노드-캐소드 사이 의 단자간 용량이다. 단자간 용량은 포토다이오드 그 자체의 접합용량과 배선, 패키지 등의 용량과의 합성으로 이루어진다. 접합용량은 수광면적에 비례하는 경향이 있다. 또 바이어 스 전압을 인가하면 접합용량은 작아진다. 그림 13에 그 예를 나타낸다.

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또한 PIN(P Intrinsic N) 포토다이오드라 불리는 소자는 단자간 용량이 작을 뿐만 아니라 비교적 큰 바이어스 전압을 인가해도 암전류가 작으므로 고감도, 고속응답이라는 장점을 갖고 있어 통신분야에서는 수신소자로 많이 사용된다. 다음달에는 광파워 측정을 위한 회로설계와 측정 포인트에 관하여 해설한다.

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광파워의 단위 1. 광파워의 단위는 W 혹은 dBm 빛의 분야에서는 고주파 분야와 마찬가지로 파워의 단위로 W 혹은 dBm을 사용한다. 또한 레이저 다이오드를 사용하는 주요분야에 있어서 광디스크 관계에서는 W를, 통신 분야에서 는 dBm을 사용하는 경우가 많은 것 같다. 2. 단위의 정의 W와 dBm에 관하여 정의를 확인해 둔다. ① 와트 [W] : 매초 1J(줄)의 일을 할 때의 작업률을 1와트 라 한다. ② 디비엠 [dBm] : “1mW”를 기준 파워로 한 비율을 나타 내며 다음과 같은 식에서 파워 P [dBm]를 계산한다. P=10×log10p 여기서, p : 파워 [mW] 즉, 10mW=10dBm, 0.1mW=-10dBm이 된다. 게인이나 로스는 그림 A와 같이 비율을 나타내는 dB을 사용한다.

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빛이 연속적으로 방사되지 않고 펄스상으로 방사되는 경우, 평 균화하여 와트로 나타내도 무의미해질 수 있으므로 1펄스의 에 너지를 J(줄)로 나타낸다. 1초 당 에너지가 1J일 때 1W로 된다. 3. 로스나 게인을 다룰 경우 dBm이 계산하기 쉽다 그림 B에 예를 나타낸다.

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광섬유에 들어간 파워가 3dBm이고 받는 측의 파워가 1dBm일 때 광섬유의 손실(로스)은 그림 B(a)와 같이 2dB로 구한다. 또 파워 -30dBm의 빛을 게인이 40dB의 광섬유 램프에 입력했을 때의 출력 파워는 그림 B(b) 에서 +10dBm으로 구한다. 즉, 대수표현으로 해두면 간단한 가감산으로 게인이나 로스 등을 구할 수 있다. 단, 게인이나 로스는 단순한 비율로 되므로 dBm이 아니라 dB(데시벨)로 나타낸다는 점에 주의하기 바란 다. 이밖에 대수표현하는 이유로는, ① 광파워는 정밀성이 필요 없거나 정밀하게 표현할 수 없음 ② 광파워의 범위(다이내믹 레인지)가 넓으므로 대수표현이 적합함 등이 있을 것이다. 또한 dB의 d(데시)는 M(메가)나 μ(마이크로)와 같이 SI 접 두어로 불리고 있으므로 dB의 B(벨)는 SI에 속하지 않지만 SI 와 병용되는 단위로 위치가 부여되고 있다. 대문자/소문자는 틀리지 않도록 주의한다. 4. 자주 사용한다면 파워에 있어서 dB의 사용 방법을 기억해둔다 기억해 두면 편리한 환산을 표 A에 정리했다.

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예를 들어 다음과 같이 사용할 수 있다. ① 1dB, 2dB, 3dB, 10dB의 비율을 기억하여 암산 +5dB=3dB+2dB ⇒ 2배×1.6배=약 3.2배 -7dB=-3dB-3dB-1dB ⇒ 0.5×0.5×0.8 =약 0.2배 ② dB의 값을 20배 하면 %(단, ±2dB 정도까지의 범위 에서) 단, 전압이나 전류에서의 dB는, 20×log10(기준값에 대한 비율) 로 계산하기 때문에 표 A는 적용할 수 없다.
광파워측정기술(하) cfile29 지난달에 이어 광 파워의 측정에 관하여 해설한다. 광 파워 를 정확히 측정하기 위해서는 센서로 이루어진 포토다이오드 의 선정과 회로설계가 중요하다. 광 파워 측정회로와 설계 포인트 1. 측정파장에 알맞은 포토다이오드를 선택한다 먼저, 사용할 포토다이오드를 선택하도록 한다. 측정할 빛 의 파장이 결정되어 있다면 Si가 InGaAs인가 Ge인가는 대략 결정된다. 어떤 종류라도 측정할 수 있는 파장이라면 Si를 사용하는 것이 일반적이다. 코스트 퍼포먼스는 최고이며 크기나 패키 지 등의 종류도 풍부하다. InGaAs와 Ge는 감도 파장범위가 겹쳐있지만 암전류, 수 광 사이즈, 입수 용이성, 가격 등을 검토하여 선택한다. Ge의 포토다이오드는 일본에서 아직 제조되고 있지 않으므로 구하 기 어려울지도 모른다. InGaAs의 암전류는 Ge보다 훨씬 작기 때문에 수광 사이 즈가 Ø5mm를 초과할만한 것은 거의 발견할 수 없다. Ge는 이것보다 큰 사이즈가 있는 것 같다. 2. 사용 목적에 알맞은 패키지 형상을 선택한다 포토다이오드의 칩 그 자체부터 메탈 캔 타입, 기판 실장 용, 렌즈 장착 등 용도에 따라 다양한 형상이 상품화되고 있 다. 포토다이오드를 몇 개 집적한 에어리어 센서라 불리는 것 도 있다. 사진 1에 그 일부를 소개한다.

 

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또 대부분의 메이커에서는 특수한 형상의 포토다이오드 제 작에도 대응하고 있다. 카탈로그에 게재되어 있지 않은 것도 있을 것이다. 표준 제품으로 사양을 충족시키지 못하는 경우에는 예를 들 어 소량일지라도 메이커에 상담해 볼 가치가 있다. 3. 전류전압 변환회로에서 광 센서의 출력전류를 전압신호로 변환한다 입사광 파워에 대한 포토다이오드의 출력은 전류신호에서 전류-전압(I-V) 변환회로를 이용하여 전압신호로 변환하는 것이 일반적이다. 측정하는 광 파워의 범위가 1자리에서 2자리 정도의 범위 라면(예를 들어 0.1mW에서 1mW 혹은 10mW까지) 레인지 전환 없이 충분할 것이다. 보다 넓은 범위를 측정할 경우에는 귀환저항을 전환한 쪽이 정밀하게 측정할 수 있다. 그림 1(a)는 +5V 단전원의 회로구성이다.

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포토다이오드의 수광전류 IPD는 다이오드에 있어서 역전류로 된다. OP 앰 프에 대한 요구사항으로는, ① OP 앰프의 바이어스 전류가 수광전류보다 훨씬 작을 것 ② 최대 수광 파워 시의 수광전류를 출력할 수 있을 것 을 들 수 있다. 또 0V 근처는 OP 앰프의 포화전압으로 제한되기 때문에 제로에 근접할 때까지 가급적 정확하게 출력하고 싶을 때에 는 이른바 레일 투 레일 OP 앰프를 사용한다. 더욱 엄밀하게 제로를 추구한다면 그림 1(b)와 같이 2전원으로 하는 쪽이 좋을 것이다. 2전원인 경우, 포토다이오드의 방향을 반대로 하면 부(-) 극성의 출력이 얻어진다. 또 그림 1(b)와 같이 애노드에 마이너스 전원을 접속하면 포토다이오드에 바이어스 전압을 인가할 수 있다. 지난달에 설명한 바와 같이 바이어스 전압을 인가하면, ① 포화 레벨이 상승하여 직선성이 개선된다 ② 단자간 용량이 감소되어 응답성이 개선된다 라는 이점이 있지만, ③ 암전류가 증가한다 라는 결점이 발생한다. 4. I-V 변환회로는 발진하기 쉬우므로 보상 콘덴서를 넣는다 포토다이오드의 수광전류를 OP 앰프에 의한 I-V 변환회로 에서 전압신호로 변환하는 경우, 포토다이오드의 단자간 용 량에 따라 발진현상을 일으키기 쉬우므로 그림 1의 Cf와 같이 귀환저항과 병렬로 보상용 콘덴서를 접속한다. 포토다이오드의 단자간 용량은 수광면적이 커질수록 증가 한다. 예를 들어 10mm×10mm의 Si 포토다이오드에서 0.01㎌ 이상이 된다. 또 포토다이오드와 I-V 변환회로가 떨어져 있어 실드선 등 으로 접속하는 경우에도 배선용량에 따라 발진할 가능성이 있기 때문에 마찬가지로 대책이 필요하다. Cf 크기의 기준은 포토다이오드의 단자간 용량과 배선용량 및 OP 앰프 입력용량의 총합을 Cin으로 하면, Cf > Cin 이다. 고속의 응답성이 필요 없다면 약간 큰 용량으로 해두 면 될 것이다. 사용온도조건이나 분산까지 포함하여 반드시 실제 회로에 서 확인하기 바란다. 5. 대수변환 IC를 이용하는 방법도 있다 고정밀도 측정이 요구되지 않을 경우, dBm 단위의 광 파 워를 표시함으로써 한정되고 그림 2와 같이 대수변환 IC를 사용하는 방법도 있다.

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이 회로의 직선성은 -50~0dBm 정도까지의 5자리에 걸쳐 ±5% 이내였다. OP 앰프에 의한 I-V 변환회로와 비교하면 부품의 코스트는 올라가지만 레인지 전환이 필요 없어져 부품 수가 감소된다. 6. 분광감도 특성을 보정한다 광 파워 미터의 교정에는 출사 광 파워가 안정적인 레이저 광원과 교정 데이터 장착의 표준으로 볼 수 있는 광 파워 미 터를 준비하고, 이것을 사용하여 비교 교정하는 방법이 간단 하다. 이 경우, 교정에 사용한 레이저 광원의 파장과 다른 측정파 장에서는 포토다이오드의 분광감도 특성에 따라 감도가 변화 되기 때문에 올바른 측정값이 얻어지지 않는다. 이 문제를 해결하기 위해서는 교정파장의 수광감도를 기준 으로 한 각 파장의 수광감도 비율을 계산하고 그 역수를 광 파워 미터의 출력에 승산해야 한다. 여기에는 CPU를 탑재하 여 소프트웨어로 처리하는 것이 일반적이지만 측정파장마다 증폭기의 게인을 전환하는 아날로그적인 방법도 있다. 포토 다이오드의 평균적인 분광감도 특성 데이터는 메이커에서 얻 을 수 있다. 보다 정확하게 보정하고 싶은 경우에는 포토다이오드를 구 입할 때 추가요금을 지불하고 분광감도의 실제 측정 데이터 를 첨부해 받아 이것을 기준으로 계산한다. 7. 측정 대상 빛의 빔 지름에 대해 광 센서의 수광 사이즈를 충분히 크게 한다 측정할 빛이 평행광선이라면 판단하기 쉽겠지만 다발 혹은 발산하는 빛의 파워를 측정하는 경우에는 광 센서를 설치하 는 위치에 따라 빔의 사이즈가 달라진다. 파워를 측정하는 데 에는 광원에서 출사된 모든 빛을 수광할 수 있도록 배려해야 한다. 빛의 강도분포는, 예를 들어 가우스 분포와 같이 하단부가 확산된 것으로 되기 때문에 넉넉한 여유의 크기가 필요하다. 단, 수광 사이즈가 커지면, ① 부품 코스트가 상승한다 ② 암전류가 증가하여 고감도화가 어려워진다 ③ 단자간 용량이 증가하여 응답성이 희생된다 등과 같이 좋은 점이 없다. 경우에 따라서는 레인지 등을 사용하여 의도적으로 빔을 집광, 작은 면적으로 수광하는 방 법도 효과적이다. 8. 광 파워가 크면 수광전류도 크다 예를 들어 InGaAs 포토다이오드 1.55㎛에서의 수광감도 는 1A/W를 초과하는 경우가 있기 때문에 10mW의 광 파워 가 10mA 이상의 전류로 변환된다. I-V 변환회로가 이만큼의 전류를 흘리지 않으면 전압출력이 포화돼버린다. OP 앰프 단 체에서 공급할 수 없는 전류라면 트랜지스터 등을 전류 버퍼로 부가해야 한다. 또 측정범위를 확대하기 위해 귀환저항을 전환하는 경우에 는 수광전류가 아날로그 스위치나 멀티플렉서의 허용전류를 넘지 않도록 해야 한다. 구체적으로는 몇 개의 스위치를 병렬 로 접속, 허용전류를 충족시키는 방법이 있다. 이러한 경우의 회로 예를 그림 3에 나타낸다.

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트랜지스터를 추가하면 I-V 변환회로는 더욱 쉽게 발진될 수 있다. Cf 선 택 시에는 귀환회로의 안정성을 평가하는 측정기(주파수 특 성 분석기)나 회로 시뮬레이션을 이용하는 것이 안전하다. 또 한 입사하는 광 파워 그 자체를 감소시켜 회로의 전류를 증가 시키는 방식으로, 수광소자 전면에 광학적 감쇠기를 설치하 여 광 파워를 감쇠시키는 방법이 있다. 9. 아날로그 스위치나 멀티플렉서의 ON 저항이 영향을 주지 않도록 회로를 구성한다 특히 I-V 변환회로의 전원전압을 낮게 설정했을 경우, 어 느 정도 큰 수광전류를 취급하는 데에는 귀환저항의 저항값 이 상당히 낮아진다. 이렇게 되면 측정 레인지 전환용 아날로그 스위치 등의 ON 저항이 측정 정밀도에 영향을 미치게 된다. 아날로그 스위치의 구성을 그림 3과 같이 하면 부품은 증 가하지만 ON 저항의 영향을 무시할 수 있다. 그림 3의 접속 은 1a, 2a로 나타난 아날로그 스위치의 ON 저항이 부귀환을 걸기 전의 OP 앰프와 트랜지스터 전류 버퍼 증폭기 출력저항 의 일부라고 볼 수 있다. 10. 미소한 파워 측정에서는 귀환저항이 고저항으로 된다 측정할 빛의 파워가 nW 레벨이라도 된다면 포토다이오드 에서의 출력전류도 nA 레벨이므로 I-V 변환회로의 귀환저항 으로서 수십㏁의 값이 필요하게 된다. 저가의 저항기를 사용 하면 저항값의 온도 의존성이나 장기 안정성이 문제된다. 누 설전류를 억제하기 위해 기판 설계나 저항기 취급에도 주의 가 필요하다. OP 앰프는 바이어스 전류가 적은 것을 사용하 도록 한다. 또한 그림 4와 같이, T형 귀환회로(T네트워크 혹은 저항 멀티플라이어라고도 한다)를 사용하여 저항값을 낮게 하는 방법도 있다.

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그림 4의 예에서는 10㏁의 저항을 100Ω, 10㏀, 99㏀ 3개 의 저항으로 치환할 수 있었다. 단, 부품 수와 노이즈가 증가 된다는 결점도 있다. 보다 상세한 내용은 참고문헌(15)를 살 펴보기 바란다. 11. 초점, 자외선, 정전기를 주의하고 파괴되지 않도록 한다 다발의 빔을 측정하는 경우, 단위면적 당 에너지가 너무 커 져 수광소자가 열화되거나 파괴될 수 있다. 빛의 파장이나 파 워에 따라서도 다르지만 부주의로 빔의 초점위치에 수광소자 를 놓지 않도록 한다. 또 자외선의 조사는 수광소자의 열화를 초래하기 쉬우므로 주의가 필요하다. 정전기에 대해 포토다이오드는 그다지 약한 소자는 아니지 만 사양이나 설명서에 게재되어 있는 취급 주의사항에 따라 주기 바란다. 또 포토다이오드와 I-V 변환회로를 분리할 수 있는 장치에 서 OP 앰프의 입력단자에 정전기가 직접적으로 가해질 가능 성이 있을 경우, 그림 3과 같이 OP 앰프 반전 입력단자에(귀 환 루프 속에) 저항을 접속해두면 안심할 수 있다. 12. 오염이나 흠집으로부터 광 센서를 보호하여 성능을 유지한다 포토다이오드에는 글라스나 수지의 창을 통해 빛이 입사된 다. 성능을 유지하기 위해서는 이 창재(窓材)라 불리는 부분 이 손상되거나 오염되지 않도록 해야 한다. 글라스의 표면에 는 AR 코팅(반사방지막)되어 있는 경우가 있으므로 유기용 제는 지정된 것만 사용하기 바란다. 또 부주의로 강한 빛에 노출되는 일이 없도록 한다. 센서의 구조로는, ① 수광면에 오염이나 흠집이 잘 발생하지 않을 것 ② 사용하지 않을 때는 보호 캡을 사용할 수 있을 것 ③ 오염되었을 경우에도 쉽게 깨끗하게 할 수 있을 것 을 실현하도록 한다. 13. 엄격한 교정에는 표준 광 파워 미터, 안정화 광원, 가변광 감쇠기가 필요 포토다이오드의 수광감도에는 파장 의존성이 있기 때문에 측정 가능한 모든 파장에서 교정(캘리브레이션)하는 것이 이 상적이다. 그러나 이상을 실현하는 데에는 엄청난 비용과 시 간이 필요하다. 따라서 실제로 측정할 특정 파장 근처만으로 교정을 실행 하는 것이 일반적이다. 상위기관과 정합이 잡힌 교정을 실행하려면 적어도 광 파 워의 표준이 되는 서모파일(thermopile)식 광 파워미터와 교 정파장에서 충분한 파워 및 안정성을 가진 레이저 광원, LED 광원, 그리고 광 파워의 조정을 실행하기 위한 가변 광 감쇠기 등이 필요하다. 이러한 설비를 구입, 유지, 관리하기 위해서는 많은 비용과 다양한 노하우가 필요하기 때문에 메이커 외에서 정식 교정 을 실행한다는 것은 상당히 어렵다고 생각된다. 14. 서모파일식 파워 미터는 파장 의존성은 없지만 온도에 민감 서모파일식 파워 미터는 광전변환 중 열전효과를 이용한 것이다. 분광감도 특성이 넓은 범위에서 평탄하다는 큰 특징 이 있어 광 파워의 표준기로서도 사용되고 있다. 열전효과란 열전쌍으로 대표되는 것으로, 주로 온도를 검 출하는 데 이용된다. 광 센서로서는 방사 에너지를 거의 모두 흡수할 수 있는 물 질(흑체)에 빛을 조사하여 빛의 에너지를 열로 변환하고 거기 서 발생한 온도상승을 열전효과가 있는 소자로 검출하여 전 압으로 변환한다. 서모파일식 광 파워 미터는 온도검출 감도를 올리기 위해 열전쌍을 다수 직렬 접속한 구조로 되어 있다(파일 ; pile은 ‘적층’이라는 의미). 또한 표준기로서의 서모파일에는 진동충격에 약하고 환경 온도의 영향을 받기 쉽다는 약점이 있어 취급하기 까다롭다. 공간광 파워 측정에서의 주의점 1. 광 파워 미터에는 공간광용과 광 섬유용이 있다 광 파워 미터를 크게 분류하면 공간에 방사되고 있는 빛의 파워를 측정하는 것과 광 섬유를 접속하여 그 광 파워를 측정 하는 것이 있다. 이 절에서는 공간광용 광 섬유 미터의 취급방법 등에 관하 여 설명한다. 또 여기서 예로 드는 것은 레이저 가공기와 같은 하이 파워 의 것이 아니라 광 디스크나 레이저 프린터 등에서 사용되는 광 파워가 고작 100mW 정도까지인 레이저 다이오드에서의 방사광을 대상으로 한다. 2. 측정하는 빛의 파장, 파워, 빔의 확산을 확인한다 지금 대상으로 한 상품분야에서 사용하고 있는 레이저는 대략 표 1과 같다.

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이것은 모두 Si 포토다이오드를 사용한 광센서로 측정할 수 있다. 단, 405nm(청자색)의 레이저광을 계속 조사하면 일반적 인 광 센서는 열화를 일으키고 감도가 저하돼버리는 경우가 있다. 405nm의 레이저광 측정에는 405nm에서의 성능을 규 정한 광 센서를 사용하는 편이 무난하다. 다음에는 어느 정도의 광 파워를 측정할 것인가, 수광면적 이 어느 정도 필요한가에 따라 광 파워 미터나 광 센서의 선 택이 달라진다. 다음에 실제 레이저광 측정 시의 주의점을 살 펴본다. 3. 배경광을 없앤다 배경광이란 측정 대상광 이외의 외부환경에서 흘러드는 빛 이며 다음과 같은 것이 있다. 이들은 모두 노이즈로 되어 측 정의 불확실성을 높인다. ① 실내조명으로부터의 빛 ② 실외로부터의 자연광 ③ 장치의 표시기류로부터의 빛 ④ 열원으로부터의 빛(적외선) 측정대상의 빛이 없는 상태에서 광 파워를 측정하면 배경 광이 어느 정도 있는지 알 수 있다. 그 크기가 측정대상의 빛 보다 충분히 작다면 문제없다. 배경광을 무시할 수 없는 경우에는 암막에 의한 차광 등의 대책이 필요하다. 어느 정도 배경광이 작고 일정하다면 광 파워 미터의 오프 셋 캔슬 기능, 상대 측정기능을 사용하거나 측정대상의 광 파 워 측정값에서 배경광의 광 파워의 측정값을 빼기만 해도 될 것이다. 4. 광원과 광 센서의 거리, 각도를 바꿔 측정값의 변화를 체크한다 광 센서의 위치나 빛을 조사하는 각도를 바꾸면 측정값의 변화를 알 수 있다. 측정값이 변화하는 원인에는 다음과 같은 것이 있다. ① 포토다이오드의 포화 ② 반사의 영향 ③ 다중반사의 영향 포토다이오드의 포화는 빛을 렌즈로 좁히는 경우 등에 의 해 에너지 밀도가 너무 올라갔을 때 발생한다. 그림 5와 같이 모듈로서의 레이저 다이오드에는 출사광의 일부를 검출하는 모니터용 포토다이오드가 내장되어 있다.

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광 센서에서 반사된 빛(복귀광)은 레이저 광원의 모니터용 포토다이오드에 대한 노이즈가 된다. 즉, 복귀광의 분량만큼 출 사 파워가 증가된 것과 같은 상태로 되며 오토 파워 제어회로 가 레이저 광원의 출사 파워를 저하시키는 현상이 일어난다. 이것이 반사의 영향이다. 또 다중반사란, 광원에서 출사된 빛이 광 센서와 광원의 구 성물(글라스, 수지, 금속 등)과의 사이에서 몇 번이나 반사를 반복하는 현상이며 측정값에 영향을 미친다. 광 센서는 그 위치나 경사를 바꿔도 측정값이 별로 변하지 않는 상태로 설치하는 것이 바람직하다. 5. 빛의 입사각을 너무 크게 하면 측정오차가 발생할 수 있다 반사나 다중반사의 영향을 피하기 위해 광 센서를 기울인다 고 설명했지만 극단적으로 기울이면 다른 문제가 발생한다. 그림 6은 어떤 광 센서에 입사하는 빛의 각도를 바꾸었을 때의 감도변화(입사각 의존성)를 나타낸다.

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이것은 굴절률이 다른 경계면에서의 빛의 반사 성질에 유 래하는 것이다. 6. 편광상태에서 글라스의 반사율이 변한다 전자파로서의 빛에는‘편광’이라는 요소가 있다. 이것은 파 의 진동 방향을 나타낸 것으로, 그림 7과 같이 p편광면과 s편광면이 있다.

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그림 8은 공기 속에서 글라스에 빛을 조사했을 때의 반사 율을 나타낸 것으로, 편광면이 다르면 입사각에 대한 반사의 모습이 달라진다는 것을 알 수 있다.

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s편광면은 입사각이 커짐에 따라 반사율이 증가하는 데 대 해, p편광면은 어떤 각도까지는 반사율이 감소되고 그 후 증 가로 전환된다. 반사율이 증가된다는 것은 글라스를 투과하는 빛이 감소된 다는 것을 의미하고, 반대로 반사율이 감소된다는 것은 글라 스를 투과하는 빛이 증가한다는 것을 의미한다. 7. 입사각 의존성은 편광과 반대의 성질에서 설명할 수 있다 이상의 설명을 토대로 그림 6의 입사각 의존성과 그림 8의 반사율을 살펴보면 정성적(定性的)인 동작을 이해할 수 있을 것이다. 실제 광 센서에서 글라스를 투과한 빛은 다시 수지나 공기 의 층을 통과한 다음 포토다이오드에 도달하므로 그 사이에 광학적 동작이 모두 합성된 결과가 표현된다. 또한 원편광은 p편광성분과 s편광성분의 위상이 90°엇갈 린 것이다. p편광과 s편광의 2가지 성분이 혼합되어 있으므로 입사각 의존성도 양자의 평균적인 특성이 된다. 8. 입사각 의존성은 확산판을 사용하면 개선할 수 있지만 분광감도도 크게 변한다 편광상태에 의해 반사율이 크게 달라지는 것은 글라스의 표면이 경면과 같이 매끄러운 경우이다. 표면을 그라운드 글 라스와 같이 처리하여 광택이 없는 상태로 하거나 글라스 자 체를 확산판(글라스 속에 고체분자를 확산시켜 제작하는 유 백색의 오펄 확산판이라는 것이 있다)으로 하면 입사각 의존 성은 개선된다. 또 확산판을 사용함으로써 전술한 포토다이오드의 포화, 반사의 영향, 다중반사의 영향에 관해서도 개선할 수 있다. 단, 확산판을 추가하면 수광감도가 저하되고 분광감도 특 성의 형태가 원래의 포토다이오드와 상당히 달라진다는 문제 가 발생한다. 즉, 측정하는 파장에 있어서 재 교정이 필요하 게 된다. 9. 포토다이오드 수광면 내의 감도는 균일하지 않다 면적이 넓은 포토다이오드에서 빔 사이즈가 작은 측정광을 수광하면 빛을 조사하는 위치에 따라 측정값이 변화되는 경 우가 있다. 수광면의 위치에 의존하는 감도의 균일성은 유니포미티 (uniformity)라고도 한다. Si 포토다이오드 그 자체는 균일한 특성을 실현할 수 있지 만 글라스나 수지의 창재(窓材)의 불균일성이나 흠집 등의 가 능성까지 생각하면 광 센서 제조상, 아무래도 감도의 분산이 나오게된다. 이것을 피하려면 가급적 광 센서의 중앙에서 빔도 확산시 켜 측정하도록 한다. 빔 사이즈가 확산되지 않을 때는 광 센 서에 조사하는 위치를 움직여 측정값의 변화를 확인해 두는 것도 필요하다. 전술한 확산판을 사용함으로써 개선할 수 있지만 수광감도 의 변화가 매우 까다롭기 때문에 목적이 유니포미티의 개선 뿐이라면 특별히 확산판을 사용할 필요는 없을 것이다. 10. 사양에서 확인할 수 없는 특성은 실제 제품에서 확인한다 지금까지 설명한 내용 중에서 포토다이오드의 포화, 반사 의 영향, 다중반사의 영향, 입사각 의존성 등에 관해서는 광 파워 미터의 사양서에 잘 기재되지 않는 특성이다. 그것은 개 개의 분산을 파악하여 수치화하는 데에 있어서 기술적으로나 경제적으로 어렵거나 광원과의 겸합에서 일반화되지 않는 등 의 사정에 의해서일 것이다. 그러나 참고자료로 메이커에서 다루게 할 수 있는 경우도 있고, 광 파워미터의 샘플기를 빌릴 수도 있으므로 신경이 쓰 이는 특성에 관해서는 미리 확인해 둘 것을 권장한다. 광 파워의 파워/손실측정 시 주의점 1. 손실이 있으면 정보가 전달되지 않는다 광통신의 정보는「‘1’이나‘0’」을 광 파워가「강하거나 약 하게」전송한다. 통신회선에 발생한 손실에 의해 광 파워가 너무 약해지면 수신 측에서는「‘1’이나‘0’」의 신호가 구별되지 않아 정보를 받아드릴 수 없게 된다. 또 빛으로 영상신호 등을 전송하는 경우에도 손실에 따라 신호의 감쇠가 너무 커질 경우 영상품질이 악화된다. 2. 손실은 광섬유 자체와 접속부분에서 발생한다 실제로 부설된 광섬유의 통신회선에서는 광섬유 그 자체의 손실뿐만 아니라 광섬유의 접속부분인 커넥터나 융착 등에 기인한 손실이 발생한다. 또 광섬유에 가해진 구부러짐, 인 장, 비틀림 등에 기인한 손실도 발생한다. 표 2에 그 한 예를 나타낸다.

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3. 기준이 되는 레이저광의 파워가 어느 정도 감쇠되는지 광 파워 미터로 측정한다 손실측정의 원리를 그림 9에 나타낸다.

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순서는 다음과 같다. ① 2m 정도 길이의 광섬유 코드(레퍼런스 케이블) 양단에 레이저 광원과 광 파워 미터를 접속한다. ② 레이저 광원의 광 파워를 측정하고 dBm 단위로 기록한다. ③ 피측정 광섬유 양단에 전술한 레이저 광원과 광 파워 미 터를 접속한다. ④ 레이저 광원의 광 파워를 측정하고 dBm 단위로 기록 한다. ⑤ ②의 측정값과 ④의 측정값의 차이를 구하여 손실로서 dB로 나타낸다. 이상과 같이 손실측정에 필요한 툴은 레이저 광원, 레퍼런 스 케이블, 광섬유 미터이다. 툴의 구체적인 사양은 그 광섬 유 선로에 연결되는 기기의 환경, 어느 정도의 정확성이 필요 하다는 이용자의 요구 및 부설업자로부터의 요구사항에 따라 결정한다. 4. 광섬유의 통신회선에는 다양한 종류가 있다 정보통신 용도로 사용되는 광섬유를 표 3에 나타낸다.

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이밖에도 용도에 따라 다양한 광섬유가 있다. 손실측정을 실행하는 데에는 각각의 광 회선에 적응된 측정툴을 선택해야 한다. 툴 선택에 있어서 주목해야 할 주요 포인 트는 다음과 같다. ① 광섬유의 종류(표 3 참조). ② 사용파장 ③ 전송되는 광 파워 ④ 광 커넥터의 형상 5. 광섬유용 커넥터에는 다양한 종류가 있다 석영계 광섬유에서 사용되는 광 커넥터의 한 예를 사진 2에 나타낸다.

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다양한 광 커넥터에 적합하려면 손실측정 툴의 커넥터 어 댑터를 세트로 준비해야 한다. 그러나 커넥터 어댑터는 고가 의 부품이므로 툴 측 커넥터는 1종류만으로 하고, 다른 1단에 종류가 다른 광 커넥터를 어셈블리한 레퍼런스 케이블 몇 개 를 구비하는 쪽이 값을 낮출 수 있을 것이다(레퍼런스 케이블 은 어느 쪽이든 필요). 6. 광 커넥터의 페룰 단면 마무리에도 다양한 종류가 있다 페룰(ferrule)은 광 커넥터에서 점프해 나오고 있는 부분의 명칭이며 그 단면의 마무리에는 표 4와 같은 종류가 있다.

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이 단면에서 광섬유끼리 접촉되어 신호를 전달하기 때문에 종류 가 다른 페룰을 접속해버리면 손실이 커져 페룰 단면에 손상 을 주기도 한다. 손실측정용 툴의 레이저 광원과 레퍼런스 케이블은 통상 PC(Physical Contact) 연마되고 있어 물리적으로 접촉된다. 툴 메이커 외에서 레퍼런스 케이블을 별도로 구입하는 경우 에는 단면의 마무리에 관해서도 주의하기 바란다. 핸드헬드 타입의 광 파워 미터인 경우에는 통상 포토다이 오드와 페룰 선단이 접촉되지 않도록 설계되어 있으므로 문 제는 발생하지 않는다. 7. 광원의 파장과 광 파워 미터의 측정파장을 반드시 일치시킨다 포토다이오드의 수광감도는 파장에 의존하기 때문에 광 파 워 미터에서는 파장에 따른 감도보정을 실행하여 측정값을 표시하고 있다. 따라서 사용하는 과원의 파장을 확인하고 이 파장과 광 파 워 미터의 측정파장을 미리 일치시켜두지 않으면 매우 큰 측 정오차가 발생하게 된다. 8. 정확하게 측정하기 위해서는 반사의 영향도 간과할 수 없다 손실측정에 사용하는 레이저 광원은 레퍼런스 케이블을 접 속하여 측정하는 시점에서 피측정 광섬유를 접속하여 측정하 는 시점까지 출사 광 파워가 일정해야 한다. 앞에서도 설명한 바와 같이, 레이저 광원은 커넥터 접속부 분 등에서의 반사광의 영향을 받아 출사 광섬유가 변동하는 경우도 있다. 그림 10은 3종류의 레이저 광원에서 반사의 영향을 비교한 결과이다.

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가로축의 반사감쇠량은 광원에서 출사된 광 파워가 광원으로 복귀하는 비율을 나타내고 있으며 부(-)의 수치 가 클수록 복귀광이 적은 상태로 된다. 세로축은 반사감쇠량 이 -14dB에서 레이저 광원의 출사 파워를 기준으로 한 편차 를 나타낸다. 그림 10을 보면 벤치 타입의 광원(반사광이 레이저로 복귀 되지 않는 대책이 철저하다)은 반사의 영향을 거의 받지 않지 만 반사의 영향을 저감하는 대책이 시행되고 있지 않은 핸드 헬드 타입의 광원은 반사의 크기에 따라 출사 파워가 크게 변 하는 현상이 나오고 있다. 이러한 특성은 상품사양에 나타나 지 않는 경우가 많으므로 걱정되는 경우에는 메이커에 확인 하기 바란다. 9. 멀티모드 파이버 측정에는 모드 스크램블러를 사용한다 멀티모드 파이버 광 케이블을 사용했을 경우, 케이블의 비 틀림이나 구부러짐에 의해 광 파워가 크게 변동하여 정확하 게 측정할 수 없는 경우가 있다. 이 때, 레퍼런스 케이블 중간 에 모드 스크램블러를 넣으면 해결되는 경우가 있다. 간단하게는 사진 3과 같이 지름 18~22mm 정도의 환봉(mandrel)에 케이블을 5회 감아 모드 스크램블러 대신 사용할 수 있다.

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10. 광 커넥터의 취급에는 세심한 주의가 필요하다 통신용 석영계의 광섬유는 빛이 전송되는 부분(코어)의 지 름이 불과 수㎛에서 수십㎛ 정도이다. 이 부분에 오염이나 먼 지, 흠집이 있으면 광 신호는 크게 감쇠돼버린다. 또 그 커넥 터의 접속점인 통신장치의 커넥터에도 손상을 주게 된다. 광 커넥터의 취급에 있어서 다음과 같은 점에 주의하기 바란다. ① 페룰 단면에 접촉시키지 않고, 입으로 바람을 세게 불지 않는다 ② 사용하지 않을 때에는 방진 캡을 덮어둔다 ③ 접속 전에는 클리닝한다 ④ 가능하다면 클리닝 상태를 체크한다 편리하고 안전한 클리닝 툴이나 단면 관찰 툴이 시판되고 있으므로 이것을 활용하도록 한다. 사진 4는 광 커넥터용 클리너의 한 예이다.

cfile6

11. 광 커넥터의 단면을 들여다보지 않을 것! 클리닝한 광 커넥터의 단면을 육안으로 확인하고 싶겠지만 그 커넥터가 접속되어 있는 케이블의 다른 1단이 하이파워의 레이저 신호원에 접속되어 있을 가능성이 있다. 직시하면 망 막이 손상지도 모른다. 단면의 오염이나 흠집을 확인하려면 액정 디스플레이에 확 대화상을 표시하는 전용 관찰 툴이 안전하다. 직접 들여다봐 도 절대

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