KR100990978B1 - Ｆｄｍｌ 파장가변 레이저를 이용한 ｆｂｇ 센서 복조 시스템 - Google Patents

Ｆｄｍｌ 파장가변 레이저를 이용한 ｆｂｇ 센서 복조 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 FDML 파장가변 레이저를 이용한 FBG 센서 복조 시스템에 관한 것으로서, 광원부와 감지부 및 신호처리부를 포함하여 이루어지며, 상기 광원부는 링 형상의 공진기 내에 광 이득을 제공하는 증폭기와, 상기 증폭기의 좌우 양측에 각각 구비되어 레이저 광을 공진기 내에서 일방향으로만 전달시키는 아이솔레이터와, 상기 레이저 광의 일주시간을 지연시키는 소정 길이의 지연광섬유와, 상기 공진기 내의 레이저 광 파장을 주기적으로 스캔하여 레이저 광 파장을 가변시키는 가변필터와, 상기 증폭기가 작동됨에 따라 레이저 광의 투과 대 반사를 소정 비율로 연속 발진시키는 출력커플러와, 상기 공진기 내의 레이저 광 펄스를 단일 편광 상태로 발진시키는 편광조절기를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기와 같이 구성되고 작용하는 본 발명의 FDML 파장가변 레이저를 이용한 FBG 센서 복조 시스템은 수십 kHz 급 이상의 속도로 동작하는 FDML 파장가변 레이저를 광원으로 사용함으로써, 0.1msec(millisecond) 이하의 짧은 시간 간격으로 변화가 발생하는 유체의 변형률을 정밀하게 측정하여 고속으로 실시간 분석이 가능한 장점이 있다.
파장가변, 레이저, 광섬유, 브래그, 격자, 필터, 파장

Description

ＦＤＭＬ 파장가변 레이저를 이용한 ＦＢＧ 센서 복조 시스템{ＦＢＧ SENSOR INTERROGATION SYSTEM BASED ON A ＦＤＭＬ WAVELENGTH SWEPT LASER}
본 발명은 FBG 센서 복조 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 파장가변 레이저를 이용하여 온도 및 압력, 변형률과 같은 물리량의 절대값을 고속으로 실시간 모니터링할 수 있는 FBG 센서 복조 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 FBG(Fiber Bragg Grating;광섬유 브래그 격자) 센서는 표면에 특정한 형태의 패턴(격자)을 형성하는 광섬유 코어(core)에 자외선을 조사하여 일정 간격으로 굴절율 변화를 유도하는 것으로, 특정 파장(브래그 파장)의 광만을 선택적으로 반사하며, 격자 간격에 의해 반사되는 광의 파장이 변화되는 특성을 갖는다.
이러한 특성을 이용하여 외부 응력에 의해 격자 간격이 변화할 때 반사광의 파장변화를 관측하여 격자 간격의 변화, 즉 변형률을 측정할 수 있다. 또한, 전자기파의 영향을 받지 않고, 광섬유 재질이 실리카(SiO2) 계통이기 때문에 전기 절연체이며 크기가 작고 가벼워서 측정 대상 구조물의 기능에 영향을 주지 않고도 장착 및 삽입이 가능하고, 광섬유 자체로 광신호를 손실없이 먼 거리까지 전송할 수 있으므로 원격측정이 용이하다. 그리고, 많은 수의 격자 센서를 여러 장소에 장착하여 동시에 측정이 가능한 다중화(multiplexing)가 용이하다. 즉, 각 광섬유 격자는 서로 다른 반사 파장을 가지도록 설계하여 측정시 서로 파장이 겹쳐지지 않도록 하는 파장분할다중화(wavelength division multiplexing) 방식을 쉽게 적용할 수 있다. 이 방식을 적용하여 수 mm에서 수 십 km 떨어진 임의의 장소에 각 센서를 위치시킴으로써 준분포센서(quasi-distributed sensor)의 기능을 수행할 수 있다.
FBG 센서 복조 시스템을 구현하는 방법으로 처음 제안된 것은 광섬유 격자 파장을 선폭이 넓은 광원(broadband source)과 파장가변필터(wavelength tunable filter)를 사용하여 측정하는 것이었다 [A.D.Kersey, T.A.Berkoff, and W.W.Morey, "Multiplexed fiber Bragg grating strain-sensor system with a fiber Fabry-Perot wavelength filter", Optics Letters, Vol.18, pp.1370-1372, 1993]. 이 방법으, 먼저, 인가전압을 변화시켜 파장가변필터의 파장을 광섬유 격자들의 파장 범위 이상으로 변화시킨다. 그리고, 인가전압과 파장가변필터의 파장은 특정 관계를 가지고 있음을 이용하여 광섬유 격자 반사신호의 피크(peak)가 나타나는 때의 구동전압을 측정함으로써 광섬유 격자들의 파장을 측정하였다.
다른 방법으로는 광원으로서 파장가변 레이저를 사용하였다 [S.H.Yun, D.J.Richardson, and B.Y.Kim, "Interrogation of fiber grating sensor arrays with a wavelength-swept fiber laser", Optis Letters, Vol.23, pp.843-845, 1998]. 이 방법은, 먼저, 파장가변필터를 사용하여 레이저의 파장을 광섬유 격자 들의 파장 범위 이상으로 시간에 따라 변화시키고, 시간과 레이저 파장은 특정 관계를 가지고 있음을 이용하여 광섬유 격자 반사신호의 피크가 나타나는 때의 시간을 측정하여 광섬유 격자들의 파장을 측정하였다.
상기와 같은 종래의 FBG 센서 복조 시스템은 LNG 선박과 같이 초저온 상태로 LNG(Liquefied Natural Gas;액화천연가스)를 저장하여 운반하는 경우에도 매우 중요하게 사용되는데, 상기 LNG를 저장하는 탱크는 작은 균열에도 폭발의 위험이 있기 때문에 유체 유동 압력 및 온도 분석을 정밀하게 측정하기 위한 고속의 실시간 분석이 매우 중요하다.
그러나, 상술한 첫번째 방법의 광수신부단 필터 형태의 FBG 센서 복조 시스템은 반사 신호의 피크가 낮고 선폭이 두꺼운 문제점이 있었다.
그리고, 유체의 변형률을 정밀하게 측정하기 위한 고속의 실시간 분석을 위해서는 10kHz 급 이상의 파장가변 속도가 필요하지만, 상술한 두번째 방법의 파장가변 레이저 형태의 FBG 센서 복조 시스템은 반사 신호의 피크가 높고 선폭이 좁은 장점이 있는 반면, 상기 파장가변 레이저의 최대가변 속도가 공진기 내의 일정한 광 이득(optical gain) 획득 반응 시간이 파장가변 시간의 증가를 따라가지 못하는 한계로 인해 수 kHz 이하의 속도에 머무를 수 밖에 없는 문제점이 있었다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위해서, 본 발명의 목적은 초저온 상태에서도 유체의 변형률을 정밀하게 측정하여 고속으로 실시간 분석이 가능할 수 있도록, 광원부의 공진기 내에 광의 일주시간과 파장가변 주기시간을 일치시켜 수십 kHz 급 이상의 속도로 동작하는 FBG 센서 복조 시스템을 제공하는 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해서, 본 발명의 FDML 파장가변 레이저를 이용한 FBG 센서 복조 시스템은 광신호를 방출하는 광원부와, 상기 광원부로부터 광신호를 수신하여 외부로부터 가해지는 물리적인 변화량에 따라 그 중심파장을 반사시키는 감지부와, 상기 감지부에서 반사된 광신호를 수신하여 데이터를 검출하고 영상화하는 신호처리부를 포함하여 이루어지며,
상기 광원부는 링 형상의 공진기 내에 광 이득을 제공하는 증폭기와, 상기 증폭기의 좌우 양측에 각각 구비되어 레이저 광을 공진기 내에서 일방향으로만 전달시키는 아이솔레이터와, 상기 레이저 광의 일주시간을 지연시키는 소정 길이의 지연광섬유와, 상기 공진기 내의 레이저 광 파장을 주기적으로 스캔하여 레이저 광 파장을 가변시키는 가변필터와, 상기 증폭기가 작동됨에 따라 레이저 광의 투과 대 반사를 소정 비율로 연속 발진시키는 출력커플러와, 상기 공진기 내의 레이저 광 펄스를 단일 편광 상태로 발진시키는 편광조절기를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 광원부의 증폭기는 반도체 광증폭기인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 광원부의 증폭기는 어븀첨가 광섬유 증폭기인 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해서, 본 발명의 FDML 파장가변 레이저를 이용한 FBG 센서 복조 시스템은 광신호를 방출하는 광원부와, 상기 광원부로부터 광신호를 수신하여 외부로부터 가해지는 물리적인 변화량에 따라 그 중심파장을 반사시키는 감지부와, 상기 감지부에서 반사된 광신호를 수신하여 데이터를 검출하고 영상화하는 신호처리부를 포함하여 이루어지며,
양쪽 끝단에 미러가 형성된 선 형상의 공진기 내에 레이저 광 이득을 제공하는 증폭기와, 상기 레이저 광의 일주시간을 지연시키는 소정 길이의 지연광섬유와, 상기 공진기 내의 레이저 광 파장을 주기적으로 스캔하여 레이저 광 파장을 가변시키는 가변필터와, 상기 증폭기가 작동됨에 따라 레이저 광의 투과 대 반사를 소정 비율로 연속 발진시키는 출력커플러와, 상기 공진기 내의 레이저 광 펄스를 단일 편광 상태로 발진시키는 편광조절기를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 광원부의 증폭기는 반도체 광증폭기인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 광원부의 증폭기는 어븀첨가 광섬유 증폭기인 것을 특징으로 한다.
상기와 같이 구성되고 작용하는 본 발명의 FDML 파장가변 레이저를 이용한 FBG 센서 복조 시스템은, 광원부의 공진기 상에 소정 길이의 지연광섬유를 설치하여 광의 일주시간과 파장가변 주기시간을 일치시켜 수십 kHz 급 이상의 파장가변 속도로 동작하는 FDML 파장가변 레이저를 광원으로 사용함으로써, 빠르게 변하는 유체의 변형률을 정밀하게 측정하여 고속으로 실시간 분석이 가능한 장점이 있다.
이하 첨부된 도면을 참조로 하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 대해 보다 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 바람직한 실시 예에 대한 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다.
이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
또한, 하기 설명에서 구체적인 회로의 구성소자 등과 같은 특정 사항들 없이도, 본 발명이 실시될 수 있음은 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명하다 할 것이다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 FDML 파장가변 레이저를 이용한 FBG 센서 복조 시스템을 도시하는 개념도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 FDML 파장가변 레이저를 이용한 FBG 센서 복조 시스템은 광신호를 방출하는 광원부(20)와, 상기 광원부(20)로부터 광신호를 수신하여 외부로부터 가해지는 물리적인 변화량에 따라 그 중심파장을 반사시키는 감지부(40)와, 상기 감지부(40)에서 반사된 광신호를 수신하여 데이터를 검출하고 영상 화하는 신호처리부(60)를 포함하여 이루어진다.
상기 광원부(20)는 FDML(Fourier Domain Mode Locking) 파장가변 레이저로 구성되는 것이 바람직하며, 도 2를 참조하여 더욱 상세히 설명하도록 한다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 FDML 파장가변 레이저를 제공하는 광원부를 도시하는 개념도이다.
<제1실시예>
도 2의 (a)는 본 발명의 실시 예에 따른 FDML 파장가변 레이저를 제공하는 광원부를 도시하는 개념도로써, 상기 광원부를 이루는 소자들이 링 형상의 공진기 상에 형성된다.
도 2의 (a)를 참조하면, 상기 광원부(20)는 링 형상의 공진기 내에 광 이득을 제공하는 증폭기(22)와, 상기 증폭기(22)의 좌우 양측에 구비되어 레이저 광을 공진기 내에서 일방향으로만 전달시키는 아이솔레이터(23)와, 상기 레이저 광의 일주시간을 지연시키는 소정 길이의 지연광섬유(24)와, 상기 공진기 내의 레이저 광 파장을 주기적으로 스캔하여 레이저 광 파장을 가변시키는 가변필터(26)와, 상기 증폭기(22)가 작동됨에 따라 레이저 광의 투과 대 반사를 소정 비율로 연속 발진시키는 출력커플러(27)와, 상기 공진기 내의 레이저 광 펄스를 단일 편광 상태로 발진시키는 편광조절기(28)를 포함하여 구성된다.
상기 증폭기(22)는 반도체 광증폭기 또는 어븀첨가 광섬유 증폭기가 사용되는 것이 바람직한데, 상기 반도체 광증폭기 및 어븀첨가 광섬유 증폭기는 이미 공지된 사항이므로 상세한 설명은 생략하도록 하며, 당업자에 의해 적절히 선택되어 사용될 수 있을 것이다.
상기 증폭기(22)에는 전원공급기(도시하지 않음)에 의해 소정의 전원이 인가되는데, 이때 상기 증폭기(22)에 공급되는 전원은 공진기의 내부 손실율에 상응하여 결정된다. 즉, 상기 공진기에 구비되는 각종 소자로 인해 발생되는 내부 손실량을 보상해주기 위해서는 상기 전원공급기의 공급전원으로 작동되는 증폭기(22)가 이득체 역할을 하므로 출력커플러(27)에서 충분한 광세기가 관측되도록 상기 전원공급기를 조절해주는 것이 바람직하다.
그런데, 상기 증폭기(22)의 레이저 광 세기를 결정하는 것이 상기 전원공급기의 공급전원레벨이므로 항상 상기 전원공급기의 전력을 적절히 결정하여 일정 이득을 갖게 해야 한다. 즉, 상기 증폭기(22)의 이득율을 공진기의 내부 손실율보다 높게 해주어야만 유효한 레이저 광 펄스열을 얻을 수 있다.
상기 증폭기(22)에 소정의 전압이 인가되면 상기 전원공급기로부터 제공받은 전기에너지를 빛에너지로 변환시켜 레이저 광을 발생시키게 된다.
이와 같이 상기 증폭기(22)가 작동되면 극히 짧은 시간 내에 출력커플러(27)에서 연속 발진이 일어나게 되는데, 이때 상기 출력커플러(27)는 레이저 반사경의 역할을 하게 되며, 소정의 비율로 투과 대 반사시켜 레이저 광을 발진시키게 된다. 이 경우, 상기 증폭기(22)의 좌우 양측에 각각 설치되는 아이솔레이터(23)에 의해 레이저 광이 역방향으로 궤환되지 않고 한쪽 방향으로만 발진하게 된다.
또한, 상기 출력커플러(27)의 좌측에 위치한 가변필터(26)에 의해 레이저 광 중심파장이 원하는 영역에서 발진할 수 있게 해 줌으로써 레이저 광 파장을 안정화 시킨다.
상기 가변필터(26)는 FFP-TF(Fiber Fabry Perot Tunable Filter; 광섬유 패브리 패롯 가변필터)인 것이 바람직하며, 입사되어 들어온 레이저 광의 파장 성분들 가운데 FFP-TF의 공진파장과 일치하는 파장성분은 Cavity를 빠져나가고 공진 파장이 아닌 파장 성분은 반사되어 나간다.
이러한 원리로 특정 파장의 광을 필터링 할 수 있고 거울 위치의 이동을 통해 공진 파장을 바꿈으로써 파장을 선택적으로 필터링을 하여 원하는 파장만 선택할 수 있게 된다. 이와 같은 FFP-TF의 투과특성은 매우 날카로운 Lorentzian 모양을 가지며, 이러한 날카로운 투과특성은 입력 광신호의 파장을 식별하기에 매우 적합한 특징이 된다.
상기 지연광섬유(24)는 레이저 광의 일주시간을 지연시키는 역할을 하는데, 상기 지연광섬유(24)를 공진기 상에 소정 길이로 설치하여 광의 일주시간과 파장가변 주기시간을 일치시켜 FDML 파장가변 레이저가 수십 kHz 급 이상의 파장가변 속도로 동작할 수 있도록 한다.
그리고, 상기와 같이 고리형태의 반도체 광섬유 레이저의 편광 불안정성을 억제하기 위하여 공진기를 이루는 광섬유는 테이블에 테이프로 고정시켜서 진동에 의한 편광 불안정성을 최소화하는 것이 바람직하다.
본 발명에 적용된 FDML 파장가변 레이저는 미국 광학 학회(Optical Society of America)의 논문인 OPTICS EXPRESS의 Fourier Domain Mode Locking (FDML): A new laser operating regime and applications for optical coherence tomography, Vol.14, No.8, pp.3225-3237 부분에 공지되어 있으며, 상세한 사항을 참고할 수 있을 것이다.
<제2실시예>
도 2의 (b)는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 FDML 파장가변 레이저를 제공하는 광원부를 도시하는 개념도로써, 상기 광원부를 이루는 소자들이 선 형상의 공진기 상에 형성된다.
도 2의 (b)를 참조하면, 상기 광원부(20)는 양쪽 끝단에 미러(21)가 형성된 선 형상의 공진기 내에 광 이득을 제공하는 증폭기(22)와, 상기 레이저 광의 일주시간을 지연시키는 소정 길이의 지연광섬유(24)와, 상기 공진기 내의 레이저 광 파장을 주기적으로 스캔하여 레이저 광 파장을 가변시키는 가변필터(26)와, 상기 증폭기(22)가 작동됨에 따라 레이저 광의 투과 대 반사를 소정 비율로 연속 발진시키는 출력커플러(27)와, 상기 공진기 내의 레이저 광 펄스를 단일 편광 상태로 발진시키는 편광조절기(28)를 포함하여 구성된다.
도 2의 (b)에 도시된 광원부는 양쪽 끝단에 광을 반사시키는 미러(21)가 형성된 선 형상의 공진기만 차이가 있을 뿐, 나머지 구성요소는 도 2의 (a)에 도시된 광원부의 구성요소와 동일하고, 당해 기술분야에 통상의 지식을 가진 자라면 자세한 설명 없이도 충분한 이해가 가능하므로 상세한 설명은 생략하도록 한다.
이하, 본 발명의 전체적인 구성에 대해 설명하도록 한다.
본 발명의 FDML 파장가변 레이저를 이용한 FBG 센서 복조 시스템은 광신호를 방출하는 광원부(20)와, 상기 광원부(20)로부터 광신호를 수신하여 외부로부터 가 해지는 물리적인 변화량에 따라 그 중심파장을 반사시키는 감지부(40)와, 상기 감지부(40)에서 반사된 광신호를 수신하여 데이터를 검출하고 영상화하는 신호처리부(60)를 포함하여 이루어진다.
상기 광원부(20)에서 파장에 따라 광도가 일정한 기울기로 변화하는 광신호를 소정 시간 주기로 연속적으로 방출되면 각각의 FBG센서들은 좁은 스펙트럼 선폭의 광을 각각 반사시키는데, 상기 각각의 FBG센서들은 서로 다른 중심파장을 가지므로 상기 FBG센서에서 반사된 광신호들은 그 중심파장이 서로 다르게 된다. 또한, 각각의 FBG센서에서 반사되는 광신호의 중심파장 및 광도는 외부에서 가해진 물리량에 따라 달라지게 된다.
상기 감지부(40)는 다수개의 FBG센서로 구성되며, 각각의 FBG센서가 소정의 간격을 두고 형성된다. 그리고, 상기 FBG센서의 상세한 설명은 상기 배경기술에서 기술하였으므로 더이상의 상세한 설명은 생략하도록 한다.
상기 감지부(40)는 광원부(20)에서 방출된 광신호를 서큘레이터(30)를 통해 수신하여 외부에서 가해지는 온도나 스트레인(strain) 등의 물리적 변화량에 따라 그 중심파장을 변화시켜서 반사시키는 것으로, 중심파장이 다른 다수개의 FBG센서들이 적당한 시간 딜레이를 위해 단일 광섬유 내에 소정의 거리를 두고 직렬로 배열된다.
본 발명의 실시예들에 있어서, 감지부(40)는 서큘레이터(30)에 의하여 링 또는 선 형상의 공진기 형태인 광원부(20)와 분리되도록 복수개가 설치된다. 즉, 감지부(40)는 광원부(20)의 공진기의 외부에 설치되고, 나아가 감지부(40)는 광원부(20)와 멀리 떨어진 원격지에 설치될 수 있다.
또한, 감지부(40)는 가변필터(26)가 스캔하는 한 주기 동안에 광원부(20)에서 발진되는 다수개의 중심파장들을 갖는 레이저 광에 대하여 감지부(40)들 각각이 상기 중심파장들을 실시간으로 반사시킨다. 즉, 감지부(40)는 특정 중심파장을 반사시키도록 설정되며, 이에 감지부(40)는 광원부(20)에서 발진되는 다수개의 중심파장을 갖는 레이저 광에 대해서 상기 다수개의 중심파장을 상기 광원부(20)의 가변필터(26)가 스캔하는 한 주기 동안에 실시간으로 반사시킬 수 있다.
이에 감지부(40)는 광원부(20)에서 발진되는 레이저 광에 대해서 다수개의 고유 반사 파장들을 매 주기마다 동시에 측정할 수 있다.
상기 신호처리부(60)는 상기 감지부(40)에서 반사된 광신호를 서큘레이터(30)를 통해 수신하여 전기적인 신호로 변환하는 포토디텍터(62)와, 상기 포토디텍터(62)에 의해 변환된 신호를 검출하는 검출기(64)와, 상기 검출기(64)에 의해 검출된 데이터를 연산하여 영상화하는 컴퓨터(66)를 포함하여 구성된다.
상기 포토디텍터(62)는 각각의 FBG센서들에게서 반사된 광신호를 수신하여 전기적인 신호로 변환하고, 상기 컴퓨터(66)는 상기 검출기(64)에 의해 검출된 광신호의 광도를 저장함과 더불어 이전에 입력된 광도와 비교하여 그 차이값을 바탕으로 파장의 변화량을 구하고, 이 변화량을 바탕으로 상기 각각의 FBG센서에 가해진 물리적 변화량을 산출한다.
이때, 첫번째 광신호와 두번째 광신호의 광도가 동일하다면, 첫번째 광신호를 바탕으로 검출되어 저장된 광도와, 두번째 광신호를 바탕으로 현재 검출되는 광도의 차이값을 바탕으로 파장 변화량을 구할 수 있는 것이다.
또한, 상기 각각의 FBG센서에서 반사된 광신호가 외부에서 가해진 물리적 변화량에 따라 변화할 수 있는 파장의 변화량은 이미 한정되어 있으므로, 상기 컴퓨터(66)는 검출기(64)에서 검출된 광도가 어떤 FBG센서에서 반사된 광신호에 해당하는 값인지를 확인할 수 있고, 이와같이 특정 FBG센서로부터 반사된 광신호의 얻어진 값들을 이전 값과 비교하여 파장의 변화량을 구하는 것이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 FDML 파장가변 레이저의 파장가변 속도에 따른 출력 스펙트럼을 도시하는 그래프이다.
도 3의 (a)는 광원부(20)에 지연광섬유(22)가 제외된 경우인 기존 방식의 파장가변 속도에 따른 출력 스펙트럼을 도시하는 그래프이며, 0.1kHz와 1kHz 및 10kHz의 파장가변 속도로 동작시켰을 때 얻어지는 출력 스펙트럼을 나타낸다.
따라서, 상기 도 3의 (a)에 도시된 그래프를 참조하면 출력 스펙트럼의 왜곡 이 심한 것을 알 수 있다.
도 3의 (b)는 광원부(20)에 지연광섬유(22)가 포함된 경우인 본 발명의 파장가변 속도에 따른 출력 스펙트럼을 도시하는 그래프이며, 공진기 내에 포함된 지연광섬유의 길이를 각각 6.7km와 11.5km로 하였을 때 가능한 31.3kHz와 18kHz의 파장가변 속도로 동작시켰을 때 얻어지는 출력 스펙트럼을 나타낸다.
따라서, 상기 도 3의 (b)에 도시된 그래프를 참조하면 출력 스펙트럼의 왜곡이 거의 없는 것을 알 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 FDML 파장가변 레이저에 인가한 파형에 따른 출력 파워값을 시간의 변화에 따라 도시하는 그래프이다.
도시된 그래프는 31.3kHz로 가변필터를 동작시켰을 때 인가한 파형에 따른 출력 파워값을 시간에 따라 도시하였으며, 파장가변 속도를 증가시켰음에도 전방(forward)과 후방(backward) 스캐닝(scanning) 모두에서 동일한 파워레벨과 응답특성을 나타내는 것을 알 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 FBG 센서의 중심파장 피크(peak)의 위치를 시간영역과 파장영역에서 각각 도시하는 그래프이다.
도시된 그래프는 시간영역과 파장영역에서 측정한 FBG센서의 피크 위치를 도시한 것으로서, 도 5의 (a)는 본 발명에서 구현한 FDML 파장가변 레이저를 이용한 FBG 센서 복조 시스템의 측정신호를 시간영역에서 나타낸 것이며, 도 5의 (b)와 같이 파장영역에서 OSA(Optical Spectrum Analyzer)를 이용하여 측정한 값과 동일하게 센싱이 가능한 것을 나타낸다.
전술한 내용은 후술할 발명의 특허청구범위를 더욱 잘 이해할 수 있도록 본 발명의 특징과 기술적 장점을 다소 폭넓게 상술하였다. 상술한 본 발명의 개념과 특정 실시 예는 본 발명과 유사 목적을 수행하기 위한 다른 구조의 설계나 수정의 기본으로서 즉시 사용될 수 있음이 당해 기술분야의 숙련된 사람들에 의해 인식되어야 한다.
또한, 상기에서 기술된 실시 예는 본 발명에 따른 하나의 실시 예일 뿐이며, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술적 사상의 범위에서 다양한 수정 및 변경이 가능할 것이다. 이러한 다양한 수정 및 변경 또한 본 발명의 기술적 사상의 범위 내라면 하기에서 기술되는 본 발명의 청구범위에 속한다 할 것이다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 FDML 파장가변 레이저를 이용한 FBG 센서 복조 시스템을 도시하는 개념도.
도 2는 본 발명의 각 실시 예에 따른 FDML 파장가변 레이저를 제공하는 광원부를 도시하는 개념도.
도 3은 본 발명의 각 실시 예에 따른 FDML 파장가변 레이저의 파장가변 속도에 따른 출력 스펙트럼을 도시하는 그래프.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 FDML 파장가변 레이저에 인가한 파형에 따른 출력 파워값을 시간의 변화에 따라 도시하는 그래프.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 FBG 센서의 중심파장 피크(peak)의 위치를 시간영역과 파장영역에서 각각 도시하는 그래프.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
20: 광원부 21: 미러
22: 증폭기 23: 아이솔레이터
24: 지연광섬유 26: 가변필터
27: 출력커플러 28: 편광조절기
30: 서큘레이터 40: 감지부
60: 신호처리부 62: 포토디텍터
64: 검출기 66: 컴퓨터

Claims (6)

  1. 광신호를 방출하는 광원부(20)와, 상기 광원부(20)로부터 광신호를 서큘레이터(30)를 통하여 수신하여 외부로부터 가해지는 물리적인 변화량에 따라 그 중심파장을 반사시키는 감지부(40)와, 상기 감지부(40)에서 반사된 광신호를 수신하여 데이터를 검출하고 영상화하는 신호처리부(60)를 포함하여 이루어지는 FBG 센서 복조 시스템에 있어서,
    상기 광원부(20)는
    링 형상의 공진기 내에 광 이득을 제공하는 증폭기(22)와,
    상기 증폭기(22)의 좌우 양측에 각각 구비되어 레이저 광을 공진기 내에서 일방향으로만 전달시키는 아이솔레이터(23)와,
    상기 레이저 광의 일주시간을 지연시키는 소정 길이의 지연광섬유(24)와,
    상기 공진기 내의 레이저 광 파장을 주기적으로 스캔하여 레이저 광 파장을 가변시키는 가변필터(26)와,
    상기 증폭기(22)가 작동됨에 따라 레이저 광의 투과 대 반사를 소정 비율로 연속 발진시키는 출력커플러(27)와,
    상기 공진기 내의 레이저 광 펄스를 단일 편광 상태로 발진시키는 편광조절기(28)를 포함하고,
    상기 감지부(40)는 상기 서큘레이터(30)에 의하여 상기 링 형상의 공진기와 분리되도록 복수개가 설치되며, 상기 가변필터(26)가 스캔하는 한 주기 동안에 상기 광원부(20)에서 발진되는 다수개의 중심파장들을 갖는 레이저 광에 대하여 상기 감지부(40)들 각각이 상기 중심파장들을 실시간으로 반사시키는 것을 특징으로 하는 FDML 파장가변 레이저를 이용한 FBG 센서 복조 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 광원부(20)의 증폭기(22)는 반도체 광증폭기인 것을 특징으로 하는 FDML 파장가변 레이저를 이용한 FBG 센서 복조 시스템.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 광원부(20)의 증폭기(22)는 어븀첨가 광섬유 증폭기인 것을 특징으로 하는 FDML 파장가변 레이저를 이용한 FBG 센서 복조 시스템.
  4. 광신호를 방출하는 광원부(20)와, 상기 광원부(20)로부터 광신호를 서큘레이터(30)를 통하여 수신하여 외부로부터 가해지는 물리적인 변화량에 따라 그 중심파장을 반사시키는 감지부(40)와, 상기 감지부(40)에서 반사된 광신호를 수신하여 데이터를 검출하고 영상화하는 신호처리부(60)를 포함하여 이루어지는 FBG 센서 복조 시스템에 있어서,
    상기 광원부(20)는
    양쪽 끝단에 미러(21)가 형성된 선 형상의 공진기 내에 레이저 광 이득을 제공하는 증폭기(22)와,
    상기 레이저 광의 일주시간을 지연시키는 소정 길이의 지연광섬유(24)와,
    상기 공진기 내의 레이저 광 파장을 주기적으로 스캔하여 레이저 광 파장을 가변시키는 가변필터(26)와,
    상기 증폭기(22)가 작동됨에 따라 레이저 광의 투과 대 반사를 소정 비율로 연속 발진시키는 출력커플러(27)와,
    상기 공진기 내의 레이저 광 펄스를 단일 편광 상태로 발진시키는 편광조절기(28)를 포함하고,
    상기 감지부(40)는 상기 서큘레이터(30)에 의하여 상기 선 형상의 공진기와 분리되도록 복수개가 설치되며, 상기 가변필터(26)가 스캔하는 한 주기 동안에 상기 광원부(20)에서 발진되는 다수개의 중심파장들을 갖는 레이저 광에 대하여 상기 감지부(40)들 각각이 상기 중심파장들을 실시간으로 반사시키는 것을 특징으로 하는 FDML 파장가변 레이저를 이용한 FBG 센서 복조 시스템.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 광원부(20)의 증폭기(22)는 반도체 광증폭기인 것을 특징으로 하는 FDML 파장가변 레이저를 이용한 FBG 센서 복조 시스템.
  6. 제 4항에 있어서,
    상기 광원부(20)의 증폭기(22)는 어븀첨가 광섬유 증폭기인 것을 특징으로 하는 FDML 파장가변 레이저를 이용한 FBG 센서 복조 시스템.
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