KR20240017284A - Balanced Photo Detector Implemented with fiber??optic interferometer and Distributed Acoustic Sensor System Using the same - Google Patents

Balanced Photo Detector Implemented with fiber??optic interferometer and Distributed Acoustic Sensor System Using the same Download PDF

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KR20240017284A
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Abstract

2X2 광 커플러, 상기 광 커플러의 제1 출력 단자에 각각 연결되어 있는 제1 편광 빔 스플리터, 상기 광 커플러의 제2 출력 단자에 각각 연결되어 있는 제2 편광 빔 스플리터, 상기 제1 편광 빔 스플리터의 제1 출력 단자에 연결되어 있는 제1 포토다이오드, 상기 제1 편광 빔 스플리터의 제2 출력 단자에 연결되어 있는 제2 포토다이오드, 상기 제2 편광 빔 스플리터의 제1 출력 단자에 연결되어 있는 제3 포토다이오드, 상기 제2 편광 빔 스플리터의 제2 출력 단자에 연결되어 있는 제4 포토다이오드, 상기 제1 포토 다이오드와 상기 제3 포토 다이오드에 두 입력 단자가 연결되어 있는 제1 트랜스 임피던스 증폭기, 상기 제2 포토 다이오드와 상기 제4 포토 다이오드에 두 입력 단자가 연결되어 있는 제2 트랜스 임피던스 증폭기를 포함하는 광섬유 간섭계 기반의 균형 광 검출기.2X2 optical coupler, a first polarizing beam splitter each connected to the first output terminal of the optical coupler, a second polarizing beam splitter each connected to a second output terminal of the optical coupler, 1 A first photodiode connected to an output terminal, a second photodiode connected to a second output terminal of the first polarizing beam splitter, and a third photodiode connected to the first output terminal of the second polarizing beam splitter. a diode, a fourth photodiode connected to a second output terminal of the second polarizing beam splitter, a first transimpedance amplifier having two input terminals connected to the first photodiode and the third photodiode, and the second A balanced photodetector based on an optical fiber interferometer including a photodiode and a second transimpedance amplifier having two input terminals connected to the fourth photodiode.

Description

광섬유 간섭계 기반의 균형 광 검출기 및 이를 사용한 분포형 음향 측정 센서 시스템 {Balanced Photo Detector Implemented with fiber??optic interferometer and Distributed Acoustic Sensor System Using the same}Balanced photo detector based on fiber optic interferometer and distributed acoustic measurement sensor system using the same {Balanced Photo Detector Implemented with fiber??optic interferometer and Distributed Acoustic Sensor System Using the same}

본 발명은 입력되는 두 광신호를 비교하여 그 차이를 모니터링할 수 있는 균형 광 검출기 및 이를 사용하여 구현한 분포형 음향 측정 센서 시스템에 관한 것이다. The present invention relates to a balanced optical detector capable of comparing two input optical signals and monitoring the difference between them, and a distributed acoustic measurement sensor system implemented using the same.

균형 광 검출기는 노이즈(noise)를 제거하고 신호만 추출하여 증폭함으로써 두 개의 입력 광신호 사이의 작은 차이를 감지하기 위한 장치이다. 균형 광 검출기는 분포형 음향 측정 시스템과 같이 긴 거리에 걸쳐 분포되어 있는 구조물의 상태 변화를 실시간으로 감시하기 위한 장치 등에 주요 소자로 사용되는 광 신호차 감지 장치이다. A balanced optical detector is a device for detecting small differences between two input optical signals by removing noise and extracting and amplifying only the signal. A balanced optical detector is an optical signal difference detection device used as a main element in devices to monitor changes in the state of structures distributed over a long distance in real time, such as a distributed acoustic measurement system.

일반적인 균형 광 검출기는 평판형 PLC(Planar Lightwave Circuit) 기반의 도파형 기능 소자 또는 렌즈 블록을 사용하여 제작되는데, 그 가격이 고가여서 이를 채용한 시스템 전체의 단가에 큰 영향을 미친다.A typical balanced light detector is manufactured using a waveguide function element or lens block based on a planar lightwave circuit (PLC), but its price is high, which greatly affects the unit cost of the entire system using it.

본 발명은 이러한 종래 기술의 문제점을 해소하고 제작 비용이 저렴한 균형 광 검출기를 제공하기 위한 것이다.The present invention is intended to solve the problems of the prior art and provide a balanced light detector that is inexpensive to manufacture.

본 발명의 일 실시예에 따른 균형 광 검출기는 2X2 광 커플러, 상기 광 커플러의 제1 출력 단자에 각각 연결되어 있는 제1 편광 빔 스플리터, 상기 광 커플러의 제2 출력 단자에 각각 연결되어 있는 제2 편광 빔 스플리터, 상기 제1 편광 빔 스플리터의 제1 출력 단자에 연결되어 있는 제1 포토다이오드, 상기 제1 편광 빔 스플리터의 제2 출력 단자에 연결되어 있는 제2 포토다이오드, 상기 제2 편광 빔 스플리터의 제1 출력 단자에 연결되어 있는 제3 포토다이오드, 상기 제2 편광 빔 스플리터의 제2 출력 단자에 연결되어 있는 제4 포토다이오드, 상기 제1 포토 다이오드와 상기 제3 포토 다이오드에 두 입력 단자가 연결되어 있는 제1 트랜스 임피던스 증폭기, 상기 제2 포토 다이오드와 상기 제4 포토 다이오드에 두 입력 단자가 연결되어 있는 제2 트랜스 임피던스 증폭기를 포함한다.A balanced optical detector according to an embodiment of the present invention includes a 2 A polarizing beam splitter, a first photodiode connected to a first output terminal of the first polarizing beam splitter, a second photodiode connected to a second output terminal of the first polarizing beam splitter, the second polarizing beam splitter a third photodiode connected to the first output terminal of the second polarizing beam splitter, a fourth photodiode connected to the second output terminal of the second polarizing beam splitter, and two input terminals connected to the first photodiode and the third photodiode. It includes a first transimpedance amplifier connected to the second transimpedance amplifier, and a second transimpedance amplifier having two input terminals connected to the second photodiode and the fourth photodiode.

상기 광 커플러는 상기 제1 출력 단자로 출력하는 광 신호와 상기 제2 출력 단자로 출력하는 광 신호의 위상을 반전하여 출력할 수 있고, 상기 제1 및 제2 편광 빔 스플리터는 상기 제1 출력 단자를 통해 광신호의 P파 성분을 출력하고, 상기 제2 출력 단자를 통해 광신호의 S파 성분을 출력할 수 있다.The optical coupler may invert the phase of the optical signal output to the first output terminal and the optical signal output to the second output terminal and output the optical signal, and the first and second polarizing beam splitters may output the optical signal output to the first output terminal. The P-wave component of the optical signal can be output through and the S-wave component of the optical signal can be output through the second output terminal.

상기 광 커플러는 단일 모드 광섬유로 이루어질 수 있고, 상기 제1 및 제2 편광 빔 스플리터는 단일 모드 광섬유로 이루어진 입력 단자와 편광 유지 모드 광섬유로 이루어진 출력 단자를 가질 수 있으며, 상기 제1 내지 제4 포토다이오드는 편광 유지 모드 광섬유 또는 단일 모드 광섬유로 이루어진 입력 단자를 가지는 피그테일드 포토다이오드일 수 있다.The optical coupler may be made of a single-mode optical fiber, and the first and second polarizing beam splitters may have an input terminal made of a single-mode optical fiber and an output terminal made of a polarization maintaining mode optical fiber, and the first to fourth photos The diode may be a pigtailed photodiode having an input terminal made of a polarization maintaining mode optical fiber or a single mode optical fiber.

상기 광 커플러는 편광 유지 모드 광섬유로 이루어질 수 있고, 상기 제1 및 제2 편광 빔 스플리터는 편광 유지 모드 광섬유로 이루어진 입력 단자와 편광 유지 모드 광섬유로 이루어진 출력 단자를 가질 수 있으며, 상기 제1 내지 제4 포토다이오드는 단일 모드 광섬유 또는 편광 유지 모드 광섬유로 이루어진 입력 단자를 가지는 피그테일드 포토다이오드인 수 있다.The optical coupler may be made of a polarization maintaining mode optical fiber, and the first and second polarizing beam splitters may have an input terminal made of a polarization maintaining mode optical fiber and an output terminal made of a polarization maintaining mode optical fiber, and the first to second polarizing beam splitters may have an input terminal made of a polarization maintaining mode optical fiber. 4 The photodiode may be a pigtailed photodiode having an input terminal made of a single mode optical fiber or a polarization maintaining mode optical fiber.

상기 광 커플러의 두 입력 단자에 연결되어 있는 제1 커넥터와 제2 커넥터를 더 포함할 수 있고, 상기 제1 커넥터는 45도 회전된 상태로 상기 광 커플러의 입력 단자에 연결될 수 있다. It may further include a first connector and a second connector connected to two input terminals of the optical coupler, and the first connector may be rotated by 45 degrees and connected to the input terminal of the optical coupler.

본 발명의 일 실시예에 따른 분포형 음향 측정 센서 시스템은 분포형 음향 센서용 광원, 상기 분포형 음향 센서용 광원이 출력한 광을 신호 출력광과 기준광으로 분기하는 제1 커플러, 상기 기준광을 수신하는 광섬유 간섭계 기반의 균형 광 검출기, 상기 신호 출력광을 증폭하고 광펄스로 변환하는 반도체 광증폭기, 상기 광펄스로 변환된 신호 출력광의 주파수를 변조하여 음향 센서용 광펄스를 생성하는 음향 광학 변조기, 상기 음향 센서용 광펄스를 소정의 세기로 증폭하는 전광 증폭기, 상기 음향 센서용 파장의 광펄스만을 반사하고 나머지 파장의 광신호는 흡수 또는 통과시키는 FBG 필터, 상기 전광 증폭기로부터 입력되는 상기 음향 센서용 광펄스를 상기 FBG 필터로 출력하고, 상기 FBG 필터로부터 반사되어 돌아오는 상기 음향 센서용 광펄스를 제3 단자로 출력하는 제1 써큘레이터, 상기 제1 서큘레이터의 상기 제3 단자를 통해 출력되는 상기 음향 센서용 광펄스를 센싱 대상 광섬유로 출력하고, 상기 센싱 대상 광섬유로부터 반송되는 반송 광신호를 상기 광섬유 간섭계 기반의 균형 광 검출기로 전달하는 제2 써큘레이터를 포함한다. 상기 광섬유 간섭계 기반의 균형 광 검출기는 앞서 기재한 바와 같은 구성을 가질 수 있다.A distributed acoustic measurement sensor system according to an embodiment of the present invention includes a light source for a distributed acoustic sensor, a first coupler for splitting the light output from the light source for the distributed acoustic sensor into signal output light and reference light, and receiving the reference light. A balanced optical detector based on an optical fiber interferometer, a semiconductor optical amplifier that amplifies the signal output light and converts it into an optical pulse, an acousto-optic modulator that generates an optical pulse for an acoustic sensor by modulating the frequency of the signal output light converted into an optical pulse, An electro-optical amplifier that amplifies the optical pulse for the acoustic sensor to a predetermined intensity, an FBG filter that reflects only the optical pulse of the wavelength for the acoustic sensor and absorbs or passes optical signals of the remaining wavelengths, and an FBG filter for the acoustic sensor input from the electro-optical amplifier A first circulator that outputs an optical pulse to the FBG filter and outputs the optical pulse for the acoustic sensor reflected from the FBG filter to a third terminal, and output through the third terminal of the first circulator It includes a second circulator that outputs the optical pulse for the acoustic sensor to the sensing target optical fiber and transmits the returned optical signal returned from the sensing target optical fiber to the optical fiber interferometer-based balanced optical detector. The optical fiber interferometer-based balanced optical detector may have the configuration as described above.

본 발명의 실시예에 따르면, 균형 광 검출기를 저가에 구현할 수 있고, 이를 통해 분포형 음향 측정 센서 시스템의 제작 비용을 절감할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, a balanced optical detector can be implemented at low cost, and thereby the manufacturing cost of a distributed acoustic measurement sensor system can be reduced.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광섬유 간섭계 기반의 균형 광 검출기의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 광섬유 간섭계 기반의 균형 광 검출기의 구성도이다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광섬유 간섭계 기반의 균형 광 검출기의 구성도이다.
도 4는 본 발명의 실시예들에 따른 광섬유 간섭계 기반의 균형 광 검출기를 사용하여 구성된 분포형 음향 측정 센서 시스템의 예시이다.
도 5는 광섬유 간섭계 기반의 균형 광 검출기를 사용하여 구성된 도 4의 분포형 음향 측정 센서 시스템을 통해 측정한 간섭무늬 신호 파형도의 예시이다.1 is a configuration diagram of a balanced optical detector based on an optical fiber interferometer according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 is a configuration diagram of a balanced optical detector based on an optical fiber interferometer according to another embodiment of the present invention.
Figure 3 is a configuration diagram of a balanced optical detector based on an optical fiber interferometer according to another embodiment of the present invention.
Figure 4 is an example of a distributed acoustic measurement sensor system constructed using a balanced optical detector based on a fiber interferometer according to embodiments of the present invention.
FIG. 5 is an example of an interference pattern signal waveform measured through the distributed acoustic measurement sensor system of FIG. 4 configured using a balanced optical detector based on an optical fiber interferometer.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 여러 실시예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예들에 한정되지 않는다.Hereinafter, with reference to the attached drawings, various embodiments of the present invention will be described in detail so that those skilled in the art can easily implement the present invention. The invention may be implemented in many different forms and is not limited to the embodiments described herein.

본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.In order to clearly explain the present invention, parts that are not relevant to the description are omitted, and identical or similar components are given the same reference numerals throughout the specification.

또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다. 도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 그리고 도면에서, 설명의 편의를 위해, 일부 층 및 영역의 두께를 과장되게 나타내었다.In addition, the size and thickness of each component shown in the drawings are arbitrarily shown for convenience of explanation, so the present invention is not necessarily limited to what is shown. In the drawing, the thickness is enlarged to clearly express various layers and regions. And in the drawings, for convenience of explanation, the thicknesses of some layers and regions are exaggerated.

또한, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 또는 "상에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다. 또한, 기준이 되는 부분 "위에" 또는 "상에" 있다고 하는 것은 기준이 되는 부분의 위 또는 아래에 위치하는 것이고, 반드시 중력 반대 방향 쪽으로 "위에" 또는 "상에" 위치하는 것을 의미하는 것은 아니다.Additionally, when a part of a layer, membrane, region, plate, etc. is said to be “on” or “on” another part, this includes not only cases where it is “directly above” another part, but also cases where there is another part in between. . Conversely, when a part is said to be “right on top” of another part, it means that there is no other part in between. In addition, being “on” or “on” a reference part means being located above or below the reference part, and does not necessarily mean being located “above” or “on” the direction opposite to gravity. .

또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.In addition, throughout the specification, when a part is said to "include" a certain component, this means that it may further include other components rather than excluding other components, unless specifically stated to the contrary.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광섬유 간섭계 기반의 균형 광 검출기의 구성도이다.1 is a configuration diagram of a balanced optical detector based on an optical fiber interferometer according to an embodiment of the present invention.

본 발명의 일 실시예에 따른 광섬유 간섭계 기반의 균형 광 검출기는 하나의 광 커플러(411), 두 개의 편광 빔 스플리터(PBS: Polarization Beam Splitter, 412, 413), 네 개의 포토다이오드(414, 415, 416, 417), 두 개의 트랜스 임피던스 증폭기(TIA: Trans Impedance Amplifier, 418, 419)를 포함하고, 두 개의 입력 단자 커넥터(311, 921)이 광 커플러(411)의 두 입력 단자에 각각 연결되어 있을 수 있다.A balanced optical detector based on an optical fiber interferometer according to an embodiment of the present invention includes one optical coupler 411, two polarization beam splitters (PBS: 412, 413), and four photodiodes 414, 415, 416, 417), two trans impedance amplifiers (TIA: Trans Impedance Amplifiers, 418, 419), and two input terminal connectors (311, 921) are respectively connected to the two input terminals of the optical coupler (411). You can.

광 커플러(411)는 두 개의 입력 단자와 두 개의 출력 단자를 가지는 2X2 광 커플러이고, 50:50의 분기비를 가지며, 단일 모드 광섬유(SMF: single??mode fiber)로 구성되어 있다. 광 커플러(411)는 두 개의 입력 단자를 통해 들어오는 광을 혼합하여 간섭 무늬를 포함하는 광 신호를 생성하고 이를 두 개의 출력 단자를 통해 출력하는데, 두 출력 단자를 통해 출력되는 광 신호는 위상이 서로 180도 반전되어 있다.The optical coupler 411 is a 2X2 optical coupler with two input terminals and two output terminals, has a branching ratio of 50:50, and is composed of a single mode optical fiber (SMF). The optical coupler 411 mixes the light coming through two input terminals to generate an optical signal including an interference pattern and outputs it through two output terminals. The optical signals output through the two output terminals are out of phase with each other. It is reversed 180 degrees.

두 개의 편광 빔 스플리터(412, 413)는 광 커플러(411)의 두 출력 단자에 각각 연결되어 있고, 입력되는 광을 P파와 S파로 분할하여 출력하며, 단일 모드 광섬유로 이루어진 입력 단자와 편광 유지 모드(PMF: polarization??maintaining fiber) 광섬유로 이루어진 출력 단자를 가진다.The two polarizing beam splitters (412, 413) are respectively connected to the two output terminals of the optical coupler (411), split the input light into P-wave and S-wave, and output the input terminal consisting of a single-mode optical fiber and a polarization-maintaining mode. (PMF: polarization??maintaining fiber) It has an output terminal made of optical fiber.

네 개의 포토다이오드(414, 415, 416, 417)는 두 개의 편광 빔 스플리터(412, 413)의 네 개의 출력 단자에 각각 연결되어 있고, 두 개의 편광 빔 스플리터(412, 413)의 출력 단자와 연결하기 위해 입력 단자 광섬유가 돼지 꼬리처럼 나와 있는 피그테일드 포토다이오드(Pigtailed PD)를 사용한다. 여기서 네 개의 포토다이오드(414, 415, 416, 417)의 입력 단자는 편광 유지 모드(PMF: polarization??maintaining fiber) 광섬유로 이루어진다.The four photodiodes (414, 415, 416, 417) are connected to the four output terminals of the two polarizing beam splitters (412, 413), respectively, and are connected to the output terminals of the two polarizing beam splitters (412, 413). To do this, a pigtailed photodiode (Pigtailed PD), where the input terminal optical fiber protrudes like a pig's tail, is used. Here, the input terminals of the four photodiodes (414, 415, 416, and 417) are made of polarization maintaining fiber (PMF) optical fiber.

두 개의 트랜스 임피던스 증폭기(418, 419)는 두 입력 단자를 통해 입력되는 전류 신호를 비교하여 공통된 노이즈 성분은 감쇄하고 신호 성분은 증폭된 전압 신호로 변환하는 소자이다. 제1 트랜스 임피던스 증폭기(418)의 두 입력 단자는 두 개의 편광 빔 스플리터(412, 413)의 P파 성분 출력 단자에 연결되어 있는 두 포토다이오드(414, 415)에 각각 연결되어 있고, 제2 트랜스 임피던스 증폭기(419)의 두 입력 단자는 두 개의 편광 빔 스플리터(412, 413)의 S파 성분 출력 단자에 연결되어 있는 두 포토다이오드(416, 417)에 각각 연결되어 있다.The two transimpedance amplifiers 418 and 419 are devices that compare current signals input through two input terminals to attenuate common noise components and convert the signal components into amplified voltage signals. The two input terminals of the first transimpedance amplifier 418 are respectively connected to two photodiodes 414 and 415 connected to the P wave component output terminals of the two polarizing beam splitters 412 and 413, respectively, and the second transformer The two input terminals of the impedance amplifier 419 are connected to the two photodiodes 416 and 417, respectively, which are connected to the S-wave component output terminals of the two polarizing beam splitters 412 and 413.

이러한 광섬유 간섭계 기반의 균형 광 검출기의 동작을 설명한다.The operation of such a fiber interferometer-based balanced photodetector is described.

광 커플러(411)의 두 입력 단자측에 설치되어 있는 커넥터(311, 921)을 통해 광원으로부터 직접 입력되는 기준광과 측정 대상의 정보를 가진 비교광을 입력받아 혼합함으로써 간섭 무늬를 가진 광 신호를 생성하고, 이를 두 개의 출력 단자로 분기하여 출력하되, 두 출력 신호의 위상을 서로 반전하여 출력한다. 일반적으로 광원으로부터 직접 입력되는 기준광을 전달하는 광섬유, 즉 광원과 광 커플러(411) 사이를 연결하는 광섬유는 편광 유지 모드 광섬유로 이루어지고, 측정 대상의 정보를 가진 비교광을 전달하는 광섬유, 즉 측정 대상에 설치되어 있는 광섬유는 단일 모드 광섬유로 이루어진다.An optical signal with an interference pattern is generated by receiving and mixing reference light directly input from the light source and comparative light containing information on the measurement target through the connectors 311 and 921 installed on the two input terminals of the optical coupler 411. This is branched to two output terminals and output, but the phases of the two output signals are reversed and output. In general, the optical fiber that transmits the reference light directly input from the light source, that is, the optical fiber that connects the light source and the optical coupler 411, is made of a polarization maintaining mode optical fiber, and the optical fiber that transmits the comparison light with information on the measurement object, that is, the measurement The optical fiber installed in the target consists of a single-mode optical fiber.

광 커플러(411)에서 서로 위상이 반전되어 출력된 두 광 신호는 두 편광 빔 스플리터(412, 413)에 각각 입력되어 P파 성분과 S파 성분으로 분할되고, P파 출력 단자와 S파 출력 단자를 통해 각각 출력된다. The two optical signals output from the optical coupler 411 with their phases reversed are input to the two polarizing beam splitters 412 and 413, respectively, and are split into a P-wave component and an S-wave component, and are connected to a P-wave output terminal and an S-wave output terminal. Each is output through .

두 편광 빔 스플리터(412, 413)에서 출력된 P파 성분 광 신호는 포토다이오드(414, 415)에서 전류 신호로 변환되어 제1 트랜스 임피던스 증폭기(418)의 두 입력 단자로 입력되고, 두 편광 빔 스플리터(412, 413)에서 출력된 S파 성분 광 신호는 포토다이오드(416, 417)에서 전류 신호로 변환되어 제2 트랜스 임피던스 증폭기(419)의 두 입력 단자로 입력된다. 제1 트랜스 임피던스 증폭기(418)는 두 개의 포토다이오드(414, 415)로부터 입력되는 P파 성분 전류 신호를 비교하여 공통된 노이즈 성분은 제거하고 신호 성분은 증폭된 전압 신호로 변환하여 출력한다. 제2 트랜스 임피던스 증폭기(419)는 두 개의 포토다이오드(416, 417)로부터 입력되는 S파 성분 전류 신호를 비교하여 공통된 노이즈 성분은 제거하고 신호 성분은 증폭된 전압 신호로 변환하여 출력한다.The P-wave component optical signals output from the two polarizing beam splitters (412, 413) are converted into current signals at the photodiodes (414, 415) and input to the two input terminals of the first transimpedance amplifier (418), and the two polarized beams The S-wave component optical signals output from the splitters 412 and 413 are converted into current signals at the photodiodes 416 and 417 and input to the two input terminals of the second transimpedance amplifier 419. The first transimpedance amplifier 418 compares the P-wave component current signals input from the two photodiodes 414 and 415, removes common noise components, and converts the signal components into an amplified voltage signal to output. The second transimpedance amplifier 419 compares the S-wave component current signals input from the two photodiodes 416 and 417, removes common noise components, and converts the signal components into an amplified voltage signal to output.

이러한 광섬유 간섭계 기반의 균형 광 검출기는 기존의 평판형 PLC 기반의 도파형 기능 소자 또는 렌즈 블록을 사용하여 제작된 제품에 비하여 크기는 다소 증가하나, 저렴한 소자들로 구성할 수 있어서 전체 제작 비용을 크게 줄일 수 있다.This optical fiber interferometer-based balanced photodetector is slightly larger in size compared to products manufactured using existing planar PLC-based waveguide function elements or lens blocks, but can be constructed with inexpensive elements, greatly reducing the overall production cost. It can be reduced.

도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 광섬유 간섭계 기반의 균형 광 검출기의 구성도이다.Figure 2 is a configuration diagram of a balanced optical detector based on an optical fiber interferometer according to another embodiment of the present invention.

도 2의 실시예에 따른 광섬유 간섭계 기반의 균형 광 검출기도 도 1의 실시예에 따른 광섬유 간섭계 기반의 균형 광 검출기와 기본 구조는 유사하고, 구체적인 구성 소자의 특성이 다르다.The balanced light detector based on the optical fiber interferometer according to the embodiment of FIG. 2 has a similar basic structure to the balanced light detector based on the optical fiber interferometer according to the embodiment of FIG. 1, but the characteristics of specific components are different.

도 2의 실시예에 따른 광섬유 간섭계 기반의 균형 광 검출기는 하나의 광 커플러(421), 두 개의 편광 빔 스플리터(PBS: Polarization Beam Splitter, 422, 423), 네 개의 포토다이오드(424, 425, 426, 427), 두 개의 트랜스 임피던스 증폭기(TIA: Trans Impedance Amplifier, 428, 429)를 포함하고, 두 개의 입력 단자 커넥터(311, 921)이 광 커플러(421)의 두 입력 단자에 각각 연결되어 있을 수 있다.The balanced optical detector based on the optical fiber interferometer according to the embodiment of FIG. 2 includes one optical coupler 421, two polarization beam splitters (PBS) 422, 423, and four photodiodes 424, 425, 426. , 427), and includes two trans impedance amplifiers (TIA: Trans Impedance Amplifiers, 428, 429), and two input terminal connectors (311, 921) may be respectively connected to the two input terminals of the optical coupler (421). there is.

광 커플러(421)는 두 개의 입력 단자와 두 개의 출력 단자를 가지는 2X2 광 커플러이고, 50:50의 분기비를 가지며, 편광 유지 모드(PMF: polarization??maintaining fiber) 광섬유로 구성되어 있다. 광 커플러(421)는 두 개의 입력 단자를 통해 들어오는 광을 혼합하여 간섭 무늬를 포함하는 광 신호를 생성하고 이를 두 개의 출력 단자를 통해 출력하는데, 두 출력 단자를 통해 출력되는 광 신호는 위상이 서로 180도 반전되어 있다.The optical coupler 421 is a 2X2 optical coupler with two input terminals and two output terminals, has a branching ratio of 50:50, and is composed of a polarization maintaining mode (PMF) optical fiber. The optical coupler 421 mixes the light coming through two input terminals to generate an optical signal including an interference pattern and outputs it through two output terminals. The optical signals output through the two output terminals are out of phase with each other. It is flipped 180 degrees.

두 개의 편광 빔 스플리터(422, 423)는 광 커플러(421)의 두 출력 단자에 각각 연결되어 있고, 입력되는 광을 P파와 S파로 분할하여 출력하며, 편광 유지 모드 광섬유로 이루어진 입력 단자와 출력 단자를 가진다.The two polarizing beam splitters (422, 423) are respectively connected to the two output terminals of the optical coupler (421), split the input light into P-wave and S-wave, and output the input and output terminals made of polarization maintenance mode optical fiber. has

네 개의 포토다이오드(424, 425, 426, 427)는 두 개의 편광 빔 스플리터(422, 423)의 네 개의 출력 단자에 각각 연결되어 있고, 두 개의 편광 빔 스플리터(422, 423)의 출력 단자와 연결하기 위해 입력 단자 광섬유가 돼지 꼬리처럼 나와 있는 피그테일드 포토다이오드(Pigtailed PD)를 사용한다. 여기서 네 개의 포토다이오드(424, 425, 426, 427)의 입력 단자는 단일 모드 광섬유로 이루어진다.The four photodiodes (424, 425, 426, 427) are connected to the four output terminals of the two polarizing beam splitters (422, 423), respectively, and are connected to the output terminals of the two polarizing beam splitters (422, 423). To do this, a pigtailed photodiode (Pigtailed PD), where the input terminal optical fiber protrudes like a pig's tail, is used. Here, the input terminals of the four photodiodes (424, 425, 426, and 427) are made of single-mode optical fiber.

두 개의 트랜스 임피던스 증폭기(428, 429)는 두 입력 단자를 통해 입력되는 전류 신호를 비교하여 공통된 노이즈 성분은 감쇄하고 신호 성분은 증폭된 전압 신호로 변환하는 소자이다. 제1 트랜스 임피던스 증폭기(428)의 두 입력 단자는 두 개의 편광 빔 스플리터(422, 423)의 P파 성분 출력 단자에 연결되어 있는 두 포토다이오드(424, 425)에 각각 연결되어 있고, 제2 트랜스 임피던스 증폭기(429)의 두 입력 단자는 두 개의 편광 빔 스플리터(422, 423)의 S파 성분 출력 단자에 연결되어 있는 두 포토다이오드(426, 427)에 각각 연결되어 있다.The two transimpedance amplifiers 428 and 429 are devices that compare current signals input through two input terminals to attenuate common noise components and convert the signal components into amplified voltage signals. The two input terminals of the first transimpedance amplifier 428 are respectively connected to the two photodiodes 424 and 425 connected to the P wave component output terminals of the two polarizing beam splitters 422 and 423, respectively, and the second transformer The two input terminals of the impedance amplifier 429 are connected to the two photodiodes 426 and 427, respectively, which are connected to the S-wave component output terminals of the two polarizing beam splitters 422 and 423.

광 커플러(421)의 두 입력 단자에 각각 연결되어 있는 두 개의 입력 단자 커넥터(311, 921) 중 광원으로부터의 기준 광을 입력받는 커넥터(311)는 편광축이 45도 회전된 상태로 광 커플러(421)의 입력 단자에 연결되어 있다. 이는 편광 빔 스플리터(422, 423)에서 분기되는 두 편광의 광세기가 서로 유사하게 되도록 하기 위함이다. 이와 같이, 커넥터(311)의 편광축을 45도 회전된 상태로 광 커플러(421)의 입력 단자에 연결하는 방법은 커넥터(311)를 회전시켜 조립하거나 광섬유 융착시 일측 광섬유의 편광축을 맞은편 광섬유의 편광축에 대하여 45도 회전시킨 상태에서 융착을 진행하는 것이다. Among the two input terminal connectors 311 and 921 respectively connected to the two input terminals of the optical coupler 421, the connector 311 that receives the reference light from the light source is connected to the optical coupler 421 with its polarization axis rotated by 45 degrees. ) is connected to the input terminal. This is to ensure that the light intensities of the two polarized lights diverged from the polarization beam splitters 422 and 423 are similar to each other. In this way, the method of connecting the polarization axis of the connector 311 to the input terminal of the optical coupler 421 with the polarization axis of the connector 311 rotated by 45 degrees is to rotate the connector 311 to assemble it or to adjust the polarization axis of one optical fiber to that of the opposite optical fiber when fusion of optical fibers. Fusion is carried out in a state where the polarization axis is rotated 45 degrees.

이러한 광섬유 간섭계 기반의 균형 광 검출기의 동작은 도 1의 실시예에 따른 광섬유 간섭계 기반의 균형 광 검출기와 다르지 않으므로 그 구체적인 설명은 생략한다.Since the operation of this optical fiber interferometer-based balanced light detector is no different from the optical fiber interferometer-based balanced light detector according to the embodiment of FIG. 1, detailed description thereof will be omitted.

이러한 광섬유 간섭계 기반의 균형 광 검출기는 편광 유지 모드 광섬유를 적용한 광 커플러(421)를 사용함으로써 구조적 흔들림이나 변동에 대하여 보다 안정적인 특성을 보여준다.This optical fiber interferometer-based balanced optical detector shows more stable characteristics against structural shaking or fluctuation by using an optical coupler 421 using a polarization maintaining mode optical fiber.

도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광섬유 간섭계 기반의 균형 광 검출기의 구성도이다.Figure 3 is a configuration diagram of a balanced optical detector based on an optical fiber interferometer according to another embodiment of the present invention.

도 3의 실시예에 따른 광섬유 간섭계 기반의 균형 광 검출기도 도 1의 실시예에 따른 광섬유 간섭계 기반의 균형 광 검출기와 기본 구조는 유사하고, 구체적인 구성 소자의 특성이 다르다.The optical fiber interferometer-based balanced photodetector according to the embodiment of FIG. 3 has a similar basic structure to the optical fiber interferometer-based balanced photodetector according to the embodiment of FIG. 1 , but has different specific component characteristics.

도 3의 실시예에 따른 광섬유 간섭계 기반의 균형 광 검출기는 하나의 광 커플러(431), 두 개의 편광 빔 스플리터(PBS: Polarization Beam Splitter, 432, 433), 네 개의 포토다이오드(434, 435, 436, 437), 두 개의 트랜스 임피던스 증폭기(TIA: Trans Impedance Amplifier, 438, 439)를 포함하고, 두 개의 입력 단자 커넥터(311, 921)가 광 커플러(431)의 두 입력 단자에 각각 연결되어 있을 수 있다.The balanced optical detector based on the optical fiber interferometer according to the embodiment of FIG. 3 includes one optical coupler 431, two polarization beam splitters (PBS: 432, 433), and four photodiodes 434, 435, 436. , 437), and includes two trans impedance amplifiers (TIA: Trans Impedance Amplifiers, 438, 439), and two input terminal connectors (311, 921) may be respectively connected to the two input terminals of the optical coupler (431). there is.

광 커플러(431)는 두 개의 입력 단자와 두 개의 출력 단자를 가지는 2X2 광 커플러이고, 50:50의 분기비를 가지며, 편광 유지 모드(PMF: polarization??maintaining fiber) 광섬유로 구성되어 있다. 광 커플러(431)는 두 개의 입력 단자를 통해 들어오는 광을 혼합하여 간섭 무늬를 포함하는 광 신호를 생성하고 이를 두 개의 출력 단자를 통해 출력하는데, 두 출력 단자를 통해 출력되는 광 신호는 위상이 서로 180도 반전되어 있다.The optical coupler 431 is a 2X2 optical coupler with two input terminals and two output terminals, has a branching ratio of 50:50, and is composed of a polarization maintaining mode (PMF) optical fiber. The optical coupler 431 mixes the light coming through two input terminals to generate an optical signal including an interference pattern and outputs it through two output terminals. The optical signals output through the two output terminals are out of phase with each other. It is flipped 180 degrees.

두 개의 편광 빔 스플리터(432, 433)는 광 커플러(431)의 두 출력 단자에 각각 연결되어 있고, 입력되는 광을 P파와 S파로 분할하여 출력하며, 편광 유지 모드 광섬유로 이루어진 입력 단자와 출력 단자를 가진다.The two polarizing beam splitters (432, 433) are respectively connected to the two output terminals of the optical coupler (431), split the input light into P-wave and S-wave and output them, and the input and output terminals are made of polarization maintaining mode optical fiber. has

네 개의 포토다이오드(434, 435, 436, 437)는 두 개의 편광 빔 스플리터(432, 433)의 네 개의 출력 단자에 각각 연결되어 있고, 두 개의 편광 빔 스플리터(432, 433)의 출력 단자와 연결하기 위해 입력 단자 광섬유가 돼지 꼬리처럼 나와 있는 피그테일드 포토다이오드(Pigtailed PD)를 사용한다. 여기서 네 개의 포토다이오드(434, 435, 436, 437)의 입력 단자 등은 편광 유지 모드 광섬유로 이루어진다.The four photodiodes (434, 435, 436, 437) are connected to the four output terminals of the two polarizing beam splitters (432, 433), respectively, and are connected to the output terminals of the two polarizing beam splitters (432, 433). To do this, a pigtailed photodiode (Pigtailed PD), where the input terminal optical fiber protrudes like a pig's tail, is used. Here, the input terminals of the four photodiodes 434, 435, 436, and 437 are made of polarization maintaining mode optical fiber.

두 개의 트랜스 임피던스 증폭기(438, 439)는 두 입력 단자를 통해 입력되는 전류 신호를 비교하여 공통된 노이즈 성분은 감쇄하고 신호 성분은 증폭된 전압 신호로 변환하는 소자이다. 제1 트랜스 임피던스 증폭기(438)의 두 입력 단자는 두 개의 편광 빔 스플리터(432, 433)의 P파 성분 출력 단자에 연결되어 있는 두 포토다이오드(434, 435)에 각각 연결되어 있고, 제2 트랜스 임피던스 증폭기(439)의 두 입력 단자는 두 개의 편광 빔 스플리터(432, 433)의 S파 성분 출력 단자에 연결되어 있는 두 포토다이오드(436, 437)에 각각 연결되어 있다.The two transimpedance amplifiers 438 and 439 are devices that compare current signals input through two input terminals to attenuate common noise components and convert the signal components into amplified voltage signals. The two input terminals of the first transimpedance amplifier 438 are respectively connected to the two photodiodes 434 and 435 connected to the P wave component output terminals of the two polarizing beam splitters 432 and 433, respectively, and the second transformer The two input terminals of the impedance amplifier 439 are connected to two photodiodes 436 and 437, respectively, which are connected to the S-wave component output terminals of the two polarizing beam splitters 432 and 433.

광 커플러(431)의 두 입력 단자에 각각 연결되어 있는 두 개의 입력 단자 커넥터(311, 921) 중 광원으로부터의 기준 광을 입력받는 커넥터(311)은 45도 회전된 상태로 광 커플러(431)의 입력 단자에 연결되어 있다. 이는 편광 빔 스플리터(432, 433)에서 분기되는 두 편광의 광세기가 서로 유사하게 되도록 하기 위함이다. 이와 같이, 커넥터(311)를 45도 회전된 상태로 광 커플러(431)의 입력 단자에 연결하는 방법은 커넥터(311)를 회전시켜 조립하거나 광섬유 융착시 일측에 회전을 가한 상태에서 융착을 진행하는 것이다. Among the two input terminal connectors 311 and 921 respectively connected to the two input terminals of the optical coupler 431, the connector 311 that receives the reference light from the light source is rotated 45 degrees and is connected to the optical coupler 431. It is connected to the input terminal. This is to ensure that the light intensities of the two polarized lights diverged from the polarization beam splitters 432 and 433 are similar to each other. In this way, the method of connecting the connector 311 to the input terminal of the optical coupler 431 in a state rotated by 45 degrees is assembling by rotating the connector 311 or performing fusion while rotating one side during optical fiber fusion. will be.

이러한 광섬유 간섭계 기반의 균형 광 검출기의 동작은 도 1의 실시예에 따른 광섬유 간섭계 기반의 균형 광 검출기와 다르지 않으므로 그 구체적인 설명은 생략한다.Since the operation of this optical fiber interferometer-based balanced light detector is no different from the optical fiber interferometer-based balanced light detector according to the embodiment of FIG. 1, detailed description thereof will be omitted.

이러한 광섬유 간섭계 기반의 균형 광 검출기는 모든 구성 소자를 편광 유지 모드 광섬유를 적용한 것을 적용함으로써 구조적 흔들림이나 변동에 대하여 보다 안정적인 특성을 보여준다.This optical fiber interferometer-based balanced optical detector shows more stable characteristics against structural shaking or fluctuation by applying polarization-maintaining mode optical fibers to all components.

도 4는 본 발명의 실시예들에 따른 광섬유 간섭계 기반의 균형 광 검출기를 사용하여 구성된 분포형 음향 측정 센서 시스템의 예시이다.Figure 4 is an example of a distributed acoustic measurement sensor system constructed using a balanced optical detector based on a fiber interferometer according to embodiments of the present invention.

도 4를 참고하면, 앞서의 실시예들에 따른 광섬유 간섭계 기반의 균형 광 검출기 중 하나를 사용하여 구성된 분포형 음향 측정 센서 시스템은 분포형 음향 센서용 광원인 협대역 레이저광을 발진하는 제1 레이저 다이오드(1), 입사광을 신호 출력광과 기준광으로 분기하는 1x2 광커플러인 제1 커플러(2), 광을 적절한 세기로 감쇠하는 제1 조절 가능 감쇠기(Tunable Attenuator, 31), 기준광과 센싱 대상 광섬유(41)에서 산란되어 회송되는 광의 간섭 신호를 측정하여 분포형 음향 센서의 검출기 역할을 하는 광섬유 간섭계 기반의 균형 광 검출기(Balance Photo Diode: BPD, 4), 광을 적절한 세기로 감쇠하는 제2 조절 가능 감쇠기(Tunable Attenuator, 32), 광을 증폭하고 광펄스를 생성하는 반도체 광증폭기(Semiconductor Optical Amplifier: SOA 5), 광신호의 주파수를 변조(phase shift)하는 음향 광학 변조기(Acoustic Optical Modulator: AOM, 6), 광신호를 충분한 세기로 증폭하는 전광 증폭기(Erbium Doped Fiber Amplifier: EDFA, 8), 광의 입사 경로에 따라 출력 경로를 다르게 가져가는 제1 및 제2 서큘레이터(Circulator, 91, 92), 특정 파장 대역의 광만 반사하는 FBG 필터(Fiber Bragg Grating Filter, 10)를 포함한다. 센싱 대상 광섬유(41)는 감시 대상 구조물인 전력 전송선, 컨베이어 벨트, 가스관 등에 설치될 수 있다. 제1 서큘레이터(91)는 전광 증폭기(8)로부터 입사하는 광은 FBG 필터(10)로 출력하고, FBG 필터(10)로부터 입사하는 광은 제2 서큘레이터(92)로 출력한다. 제2 서큘레이터(92)는 제1 서큘레이터(91)로부터 입사하는 광은 센싱 대상 광섬유(41)로 출력하고, 센싱 대상 광섬유(41)로부터 입사하는 광은 광섬유 간섭계 기반의 균형 광 검출기(4)로 출력한다.Referring to FIG. 4, the distributed acoustic measurement sensor system constructed using one of the optical fiber interferometer-based balanced optical detectors according to the previous embodiments includes a first laser that oscillates narrow-band laser light, which is a light source for the distributed acoustic sensor. Diode (1), first coupler (2), which is a 1x2 optical coupler that diverges the incident light into signal output light and reference light, first tunable attenuator (31) that attenuates the light to an appropriate intensity, reference light and sensing target optical fiber (41) A balanced photo detector (Balance Photo Diode: BPD, 4) based on a fiber optic interferometer that measures the interference signal of light scattered and returned and acts as a detector for a distributed acoustic sensor, and a second control that attenuates the light to an appropriate intensity. Tunable Attenuator (32), Semiconductor Optical Amplifier (SOA 5) that amplifies light and generates optical pulses, and Acoustic Optical Modulator (AOM) that modulates the frequency of the optical signal (phase shift) , 6), an electro-optical amplifier (Erbium Doped Fiber Amplifier: EDFA, 8) that amplifies the optical signal to sufficient intensity, and a first and second circulator (Circulator, 91, 92) that takes different output paths depending on the incident path of light. , and includes an FBG filter (Fiber Bragg Grating Filter, 10) that reflects only light in a specific wavelength band. The sensing target optical fiber 41 may be installed in a monitoring target structure such as a power transmission line, conveyor belt, or gas pipe. The first circulator 91 outputs the light incident from the electro-optical amplifier 8 to the FBG filter 10, and outputs the light incident from the FBG filter 10 to the second circulator 92. The second circulator 92 outputs the light incident from the first circulator 91 to the sensing target optical fiber 41, and the light incident from the sensing target optical fiber 41 is output to the optical fiber interferometer-based balanced light detector (4). ) is output.

도 4를 참고하면, 제1 레이저 다이오드(1)가 출력한 음향/진동 센서용 광은 제1 커플러(2)에 의해 분기되어 일부는 제1 조절 가능 감쇠기(31)로 입사하고, 나머지는 제2 조절 가능 감쇠기(32)로 입사한다. 이때, 제1 커플러(2)의 분기비는 90:10 또는 95:5 일 수 있다. Referring to FIG. 4, the light for the acoustic/vibration sensor output from the first laser diode (1) is diverged by the first coupler (2), some of it enters the first adjustable attenuator (31), and the rest is transmitted to the first adjustable attenuator (31). 2 Enter the adjustable attenuator (32). At this time, the branch ratio of the first coupler 2 may be 90:10 or 95:5.

제1 조절 가능 감쇠기(31)로 입사한 광은 소정의 세기로 감쇠 되어 광섬유 간섭계 기반의 균형 광 검출기(4)로 출력되어 기준광으로 사용된다. The light incident on the first adjustable attenuator 31 is attenuated to a predetermined intensity and output to the optical fiber interferometer-based balanced light detector 4 to be used as reference light.

제2 조절 가능 감쇠기(32)로 입사한 광은 소정의 세기로 감쇠 되어 반도체 광증폭기(5)로 입사하고, 이를 반도체 광증폭기(5)가 증폭하고 동시에 광펄스로 변환하여 음향 광학 변조기(6)로 출력한다. The light incident on the second adjustable attenuator 32 is attenuated to a predetermined intensity and enters the semiconductor optical amplifier 5, and the semiconductor optical amplifier 5 amplifies it and simultaneously converts it into an optical pulse, which is then converted into an acousto-optic modulator 6. ) is output.

음향 광학 변조기(6)는 입사한 광펄스의 주파수를 변조하여 전광 증폭기(8)로 출력한다. 여기서 주파수 변조는 제1 조절 가능 감쇠기(31)를 통해 광섬유 간섭계 기반의 균형 광 검출기(4)로 출력된 기준광과 소정의 주파수 차이가 발생하도록 하여 간섭 신호를 얻기 위함이다.The acousto-optic modulator 6 modulates the frequency of the incident light pulse and outputs it to the electro-optical amplifier 8. Here, the frequency modulation is used to obtain an interference signal by generating a predetermined frequency difference between the reference light and the reference light output to the optical fiber interferometer-based balanced optical detector 4 through the first adjustable attenuator 31.

주파수 변조된 음향/진동 센서용 광펄스를 수신한 전광 증폭기(8)는 주파수 변조된 음향/진동 센서용 광펄스를 필요한 세기로 증폭하여 제1 서큘레이터(91)로 출력하며, 제1 서큘레이터(91)는 주파수 변조된 음향/진동 센서용 광펄스를 FBG 필터(10)로 전달한다.The electro-optical amplifier 8, which receives the frequency-modulated optical pulse for the acoustic/vibration sensor, amplifies the frequency-modulated optical pulse for the acoustic/vibration sensor to the required intensity and outputs it to the first circulator 91. (91) transmits the frequency modulated optical pulse for the acoustic/vibration sensor to the FBG filter (10).

FBG 필터(10)는 음향/진동 센서용 파장의 광펄스만을 반사하고 나머지 파장의 광신호는 흡수 또는 통과시키도록 설정되어 있다. FBG 필터(10)는 광의 파장에 따라 일부 대역만을 반사하고 나머지는 통과시키는 필터이고, 그 온도를 조절함으로써 반사시키는 광의 파장 대역을 조정할 수 있다.The FBG filter 10 is set to reflect only optical pulses of the wavelength for the acoustic/vibration sensor and absorb or pass optical signals of the remaining wavelengths. The FBG filter 10 is a filter that reflects only a portion of the band and passes the rest depending on the wavelength of light, and the wavelength band of the reflected light can be adjusted by adjusting its temperature.

FBG 필터(10)에서 반사된 음향/진동 센서용 광펄스는 제1 서큘레이터(91)로 되돌아가서 제2 서큘레이터(92)를 거쳐서 센싱 대상 광섬유(41)로 출력된다. The optical pulse for the sound/vibration sensor reflected from the FBG filter 10 returns to the first circulator 91, passes through the second circulator 92, and is output to the sensing target optical fiber 41.

센싱 대상 광섬유(41)에서 산란되어 반송되는 음향/진동 센서용 산란광은 제2 서큘레이터(92)를 거쳐 광섬유 간섭계 기반의 균형 광 검출기(4)로 입사한다. The scattered light for the acoustic/vibration sensor that is scattered and returned from the sensing target optical fiber 41 passes through the second circulator 92 and enters the balanced light detector 4 based on an optical fiber interferometer.

광섬유 간섭계 기반의 균형 광 검출기(4)는 제1 조절 가능 감쇠기(31)를 통해 입사한 기준광과 센싱 대상 광섬유(41)에서 산란되어 반송된 산란광(측정광)을 결합하여 간섭 신호를 생성한다. 이 간섭 신호를 센싱 대상 광섬유(41)에 음향이나 진동이 가해지지 않은 상태에서 측정된 기준 간섭 무늬와 비교하여 음향 또는 진동이 센싱 대상 광섬유(41)에 가해지고 있는지를 판단할 수 있다.The optical fiber interferometer-based balanced optical detector 4 generates an interference signal by combining the reference light incident through the first adjustable attenuator 31 and the scattered light (measurement light) scattered and returned from the sensing target optical fiber 41. By comparing this interference signal with a reference interference pattern measured in a state in which no sound or vibration is applied to the sensing target optical fiber 41, it can be determined whether sound or vibration is applied to the sensing target optical fiber 41.

도 5는 광섬유 간섭계 기반의 균형 광 검출기를 사용하여 구성된 도 4의 분포형 음향 측정 센서 시스템을 통해 측정한 간섭무늬 신호 파형도의 예시이다.FIG. 5 is an example of an interference pattern signal waveform measured through the distributed acoustic measurement sensor system of FIG. 4 configured using a balanced optical detector based on an optical fiber interferometer.

도 5에서 연초록색은 P파 성분 신호의 파형이고, 연보라색은 S파 성분 신호의 파형이다. 이러한 신호의 파형은 센싱 대상 광섬유(41)의 구간별로 고유한 패턴을 가지며, 이 패턴은 외부에서 충격이 가해지거나 외력에 의하여 광섬유가 변형되지 않는 한 항상 일정해서 광섬유 지문의 역할을 한다. 따라서 이러한 신호 파형 패턴의 변동을 감시하여 센싱 대상 광섬유에 가해지는 진동이나 스트레인(strain) 등의 외부 충격을 검출할 수 있고, 패턴 변화의 내용에 따라 해당 지점에 가해진 충격의 형태나 크기 및 주파수도 가늠할 수 있다.In Figure 5, light green is the waveform of the P-wave component signal, and light purple is the waveform of the S-wave component signal. The waveform of this signal has a unique pattern for each section of the optical fiber 41 to be sensed, and this pattern is always constant unless an external impact is applied or the optical fiber is deformed by an external force, thereby serving as an optical fiber fingerprint. Therefore, by monitoring changes in the signal wave pattern, it is possible to detect external shocks such as vibration or strain applied to the optical fiber being sensed, and the type, size, and frequency of the shock applied to the point depending on the content of the pattern change. It can be measured.

이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.Although the embodiments of the present invention have been described in detail above, the scope of the present invention is not limited thereto, and various modifications and improvements made by those skilled in the art using the basic concept of the present invention defined in the following claims are also possible. It falls within the scope of rights.

1 제1 레이저 다이오드 2 커플러
31, 32 조절 가능 감쇠기 4 광섬유 간섭계 기반의 균형 광 검출기
5 반도체 광증폭기 6 음향 광학 변조기
8 전광 증폭기 91, 92 서큘레이터
10 FBG 필터 41 센싱 대상 광섬유
411, 421, 431 광 커플러
412, 413, 422, 423, 432, 433 편광 빔 스플리터
414, 415, 416, 417, 424, 425, 426, 427, 434, 435, 436, 437 포토다이오드
418, 419, 428, 429, 438, 439 트랜스 임피던스 증폭기1 First laser diode 2 Coupler
31, 32 Adjustable attenuator 4 Balanced photodetector based on fiber interferometry
5 Semiconductor optical amplifier 6 Acousto-optic modulator
8 Electrical amplifier 91, 92 Circulator
10 FBG filter 41 Sensing target optical fiber
411, 421, 431 Optocouplers
412, 413, 422, 423, 432, 433 Polarizing Beam Splitter
414, 415, 416, 417, 424, 425, 426, 427, 434, 435, 436, 437 photodiode
418, 419, 428, 429, 438, 439 Transimpedance Amplifier

Claims (8)

2X2 광 커플러,
상기 광 커플러의 제1 출력 단자에 각각 연결되어 있는 제1 편광 빔 스플리터,
상기 광 커플러의 제2 출력 단자에 각각 연결되어 있는 제2 편광 빔 스플리터,
상기 제1 편광 빔 스플리터의 제1 출력 단자에 연결되어 있는 제1 포토다이오드,
상기 제1 편광 빔 스플리터의 제2 출력 단자에 연결되어 있는 제2 포토다이오드,
상기 제2 편광 빔 스플리터의 제1 출력 단자에 연결되어 있는 제3 포토다이오드,
상기 제2 편광 빔 스플리터의 제2 출력 단자에 연결되어 있는 제4 포토다이오드,
상기 제1 포토 다이오드와 상기 제3 포토 다이오드에 두 입력 단자가 연결되어 있는 제1 트랜스 임피던스 증폭기,
상기 제2 포토 다이오드와 상기 제4 포토 다이오드에 두 입력 단자가 연결되어 있는 제2 트랜스 임피던스 증폭기
를 포함하는 광섬유 간섭계 기반의 균형 광 검출기.2X2 optocoupler,
A first polarizing beam splitter each connected to a first output terminal of the optical coupler,
A second polarizing beam splitter each connected to a second output terminal of the optical coupler,
A first photodiode connected to a first output terminal of the first polarizing beam splitter,
A second photodiode connected to a second output terminal of the first polarizing beam splitter,
A third photodiode connected to the first output terminal of the second polarizing beam splitter,
A fourth photodiode connected to a second output terminal of the second polarizing beam splitter,
A first transimpedance amplifier having two input terminals connected to the first photodiode and the third photodiode,
A second transimpedance amplifier having two input terminals connected to the second photodiode and the fourth photodiode.
A balanced optical detector based on fiber interferometry comprising. 제1항에서,
상기 광 커플러는 상기 제1 출력 단자로 출력하는 광 신호와 상기 제2 출력 단자로 출력하는 광 신호의 위상을 반전하여 출력하는 광섬유 간섭계 기반의 균형 광 검출기.In paragraph 1:
The optical coupler is a balanced optical detector based on an optical fiber interferometer that inverts the phases of the optical signal output to the first output terminal and the optical signal output to the second output terminal. 제2항에서,
상기 제1 및 제2 편광 빔 스플리터는 상기 제1 출력 단자를 통해 광신호의 P파 성분을 출력하고, 상기 제2 출력 단자를 통해 광신호의 S파 성분을 출력하는 광섬유 간섭계 기반의 균형 광 검출기.In paragraph 2,
The first and second polarizing beam splitters are balanced optical detectors based on an optical fiber interferometer that output the P-wave component of the optical signal through the first output terminal and output the S-wave component of the optical signal through the second output terminal. . 제3항에서,
상기 광 커플러는 단일 모드 광섬유로 이루어져 있고, 상기 제1 및 제2 편광 빔 스플리터는 단일 모드 광섬유로 이루어진 입력 단자와 편광 유지 모드 광섬유로 이루어진 출력 단자를 가지며, 상기 제1 내지 제4 포토다이오드는 편광 유지 모드 광섬유로 이루어진 입력 단자를 가지는 피그테일드 포토다이오드인 광섬유 간섭계 기반의 균형 광 검출기.In paragraph 3,
The optical coupler is made of a single mode optical fiber, the first and second polarizing beam splitters have an input terminal made of a single mode optical fiber and an output terminal made of a polarization maintaining mode optical fiber, and the first to fourth photodiodes are polarized light beam splitters. A balanced photodetector based on a fiber interferometer, which is a pigtailed photodiode with an input terminal made of a sustain mode optical fiber. 제3항에서,
상기 광 커플러는 편광 유지 모드 광섬유로 이루어져 있고, 상기 제1 및 제2 편광 빔 스플리터는 편광 유지 모드 광섬유로 이루어진 입력 단자와 편광 유지 모드 광섬유로 이루어진 출력 단자를 가지며, 상기 제1 내지 제4 포토다이오드는 단일 모드 광섬유로 이루어진 입력 단자를 가지는 피그테일드 포토다이오드인 광섬유 간섭계 기반의 균형 광 검출기.In paragraph 3,
The optical coupler is made of a polarization maintaining mode optical fiber, the first and second polarizing beam splitters have an input terminal made of a polarization maintaining mode optical fiber and an output terminal made of a polarization maintaining mode optical fiber, and the first to fourth photodiodes is a balanced photodetector based on an optical fiber interferometer, which is a pigtailed photodiode with an input terminal made of a single-mode optical fiber. 제3항에서,
상기 광 커플러는 편광 유지 모드 광섬유로 이루어져 있고, 상기 제1 및 제2 편광 빔 스플리터는 편광 유지 모드 광섬유로 이루어진 입력 단자와 편광 유지 모드 광섬유로 이루어진 출력 단자를 가지며, 상기 제1 내지 제4 포토다이오드는 편광 유지 모드 광섬유로 이루어진 입력 단자를 가지는 피그테일드 포토다이오드인 광섬유 간섭계 기반의 균형 광 검출기.In paragraph 3,
The optical coupler is made of a polarization maintaining mode optical fiber, the first and second polarizing beam splitters have an input terminal made of a polarization maintaining mode optical fiber and an output terminal made of a polarization maintaining mode optical fiber, and the first to fourth photodiodes is a balanced optical detector based on an optical fiber interferometer, which is a pigtailed photodiode with an input terminal made of a polarization maintaining mode optical fiber. 제5항 또는 제6항에서,
상기 광 커플러의 두 입력 단자에 연결되어 있는 제1 커넥터와 제2 커넥터를 더 포함하고,
상기 제1 커넥터는 45도 회전된 상태로 상기 광 커플러의 입력 단자에 연결되어 있는 광섬유 간섭계 기반의 균형 광 검출기.
In paragraph 5 or 6:
Further comprising a first connector and a second connector connected to two input terminals of the optical coupler,
A balanced optical detector based on an optical fiber interferometer, wherein the first connector is connected to the input terminal of the optical coupler in a state rotated by 45 degrees.
 분포형 음향 센서용 광원,
상기 분포형 음향 센서용 광원이 출력한 광을 신호 출력광과 기준광으로 분기하는 제1 커플러,
상기 기준광을 수신하는 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항의 광섬유 간섭계 기반의 균형 광 검출기,
상기 신호 출력광을 증폭하고 광펄스로 변환하는 반도체 광증폭기,
상기 광펄스로 변환된 신호 출력광의 주파수를 변조하여 음향 센서용 광펄스를 생성하는 음향 광학 변조기,
상기 음향 센서용 광펄스를 소정의 세기로 증폭하는 전광 증폭기,
상기 음향 센서용 파장의 광펄스만을 반사하고 나머지 파장의 광신호는 흡수 또는 통과시키는 FBG 필터,
상기 전광 증폭기로부터 입력되는 상기 음향 센서용 광펄스를 상기 FBG 필터로 출력하고, 상기 FBG 필터로부터 반사되어 돌아오는 상기 음향 센서용 광펄스를 제3 단자로 출력하는 제1 써큘레이터,
상기 제1 서큘레이터의 상기 제3 단자를 통해 출력되는 상기 음향 센서용 광펄스를 센싱 대상 광섬유로 출력하고, 상기 센싱 대상 광섬유로부터 반송되는 반송 광신호를 상기 광섬유 간섭계 기반의 균형 광 검출기로 전달하는 제2 써큘레이터를 포함하는 분포형 음향 측정 센서 시스템. Light source for distributed acoustic sensors,
A first coupler that splits the light output from the light source for the distributed acoustic sensor into signal output light and reference light,
A balanced light detector based on an optical fiber interferometer according to any one of claims 1 to 6, which receives the reference light,
A semiconductor optical amplifier that amplifies the signal output light and converts it into an optical pulse,
An acousto-optic modulator that generates an optical pulse for an acoustic sensor by modulating the frequency of the signal output light converted into the optical pulse,
An electro-optical amplifier that amplifies the optical pulse for the acoustic sensor to a predetermined intensity,
An FBG filter that reflects only the optical pulses of the wavelength for the acoustic sensor and absorbs or passes optical signals of the remaining wavelengths,
A first circulator that outputs the optical pulse for the acoustic sensor input from the electro-optical amplifier to the FBG filter, and outputs the optical pulse for the acoustic sensor reflected from the FBG filter to a third terminal,
Outputting the optical pulse for the acoustic sensor output through the third terminal of the first circulator to a sensing target optical fiber, and transmitting the return optical signal returned from the sensing target optical fiber to the optical fiber interferometer-based balanced optical detector Distributed acoustic measurement sensor system including a second circulator.
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