KR0160925B1 - 광섬유 스트레인 분포 측정용 펄스광과 프로브광의 비트 주파수 안정화장치 - Google Patents

광섬유 스트레인 분포 측정용 펄스광과 프로브광의 비트 주파수 안정화장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 스트레인 분포를 측정하는 장치에 사용되는 펄스광용 레이저 다디오드와 프로브광용 레이저 다이오드의 광출력 주파수가 외부영향에 의해 변화되는 것을 레이저 다이오드의 주입 전류를 제어하므로써 레이저 다이오드의 광출력 주파수를 고도로 안정화시키는 장치에 관한 것으로, 레이저 다이오드의 온도, 전류를 직접 제어하는 부분과 레이저 다이오드의 주파수 변화량을 검출하여 그 변화량에 해당되는 신호를 발생하여 이 신호를 레이저 다이오드의 주입 전류 신호로 사용하기 위하여 온도 전류 제어회로로 귀한시키는 부분으로 구성된다.

Description

광섬유 스트레인 분포 측정용 펄스광과 프로브광의 비트 주파수 안정화장치
제1도는 본 발명에 따른 비트 주파수 안정화장치의 구성도.
제2a도는 제1도에 도시된 펄스광용 분배형 피드백 레이저다이오드의 주파수 특성도.
제2b도는 제1도에 도시된 프로브광용 분배형 피드백 레이저다이오드의 주파수 특성도.
제2c도는 제1도에 도시돤 광 검출기의 주파수 특성도.
제2d도는 제1도에 도시된 국부 발진기의 주파수 특성도.
제2e도는 제1도에 도시된 믹서의 주파수 특성도.
제2f도는 제1도에 도시된 주파수 판별기의 주파수 특성도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
11, 12 : 온도 전류 제어회로
13, 14 : 분배형 피드백 레이저다이오드(DFB LD)
15 : 편광 유지커플러 16 : 광검출기
17 : 증폭기 18 : 국부 발진기
19 : 믹서 20 : 주파수 판별기
21 : 비례 적분회로
본 발명은 광섬유에 곤한 것으로, 특히 광섬유에 인가되는 스트레인 분포를 측정하는 장치에서 펄스광과 프로브광을 생성하는 두 레이저다이오드의 비트 주파수를 안정화하는 장치에 관한 것이다.
광섬유는 빛의 진행을 가는 선에 제한하여 유리층으로 된 섬유로 감싼 것으로, 빛은 유리와의 경계면에서 전반사 또는 굴절하여 축 방향으로 진행한다. 광섬유는 석영 유리를 기본 재료로 하여 높은 굴절률의 심을 낮은 굴절률 부분이 감싸고 있는데, 그 지름은 0.1 ∼ 0.2mm로서 피복을 하더라도 1mm 이하로 가능하다. 이 섬유의 장점은 동축 케이블에 비해 전송 손실이 아주 작고 전자계의 유도를 받지 않고 부피가 작고 석영을 사용하므로 자원이 풍부하고 광대역이라는 점이다.
따라서 근래에 들어 광섬유는 데이타 통신용 전용회선으로 각광 받고 있으며 광 모뎀도 등장하게 되었다.
광섬유에 인가되는 스트레인 분포의 측정을 위해서는 측정할 광섬유의 양단에서 펄스광과 프로브광을 입사하여야 한다. 이렇게 펄스광과 프로브광을 광섬유의 양단에서 입사하면 펄스광에 의해 광섬유의 고유 브릴리언 주파수 시프트만큼 주파수가 이동한 후방 산란광이 펄스광의 진행방향과 반대의 방향으로 진행한다. 즉 프로브광의 진행방향과 동일한 방향으로 진행하게 되며 이로 인해 후방 산란광은 광 증폭된다. 여기서 후방 산란광이 프로브광과 상호 작용하여 광 증폭되기 위해서는 프로브광의 광주파수가 후방 산란광의 광주파수와 일치하여야 한다.
펄스광에 의한 후방 산란광의 광주파수 천이량은 광섬유의 고유 브릴리언 주파수 시프트와 광섬유에 인가되는 스트레인의 크기에 의존하며 항상 펄스광의 광주파수보다 높게 된다. 따라서 프로브광의 광주파수를 펄스광의 광주파수 보다 브릴리언 주파수 시프트 만큼 높게 하면 스트레인이 없는 상태에서 후방 산란광과 프로브광은 상호 작용에 의해 광 증폭을 일으키게 된다.
광섬유에 인가되는 스트레인의 크기를 정확히 측정하기 위해서는 펄스광과 프로브광의 비트 주파수(차 주파수)를 정밀하게 제어할 필요가 있다. 즉 펄스광과 프로브광을 생성하는 레이저 다이오드의 출력 주파수를 안정화시켜야 한다.
그러나 레이저 다이오드의 출력 주파수는 주입 전류와 주위 온도에 의하여 크게 영향을 받으므로 제1도에 도시된 온도, 전류제어회로만으로는 광섬유의 스트레인을 정확하게 측정하기 위한 비트 주파수의 안정도를 수 MHz 이내로 제어하기가 어려운 문제점이 있다.
따라서 본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 그 목적은 광섬유에 인가되는 스트레인 분포의 측정을 위하여 광섬유에 입사되는 펄스광과 프로브광을 생성하는 레이저 다이오드의 출력 주파수를 안정화하기 위한 광섬유 스트레인 분포 측정용 펄스광과 프로브광의 비트 주파수 안정화장치를 제공하는데 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 스트레인 분포 측정용 광섬유에 인가되는 제1중심 주파수를 갖는 펄스광을 발생하기 위한 펄스광용 분배형 피드백 레이저 다이오드와, 상기 광섬유에 인가되는 상기 제1중심 주파수보다 브릴리언 주파수 시프트만큼 높은 제2중심 주파수를 갖는 프로브광을 발생하기 위한 프로브광용 분배형 피드백 레이저 다이오드와, 상기 펄스광용 분배형 피드백 레이저 다이오드가 제1중심 주파수를 가지도록 상기 펄스광용 분배형 피드백 레이저 다이오드의 구동전류 및 온도를 설정 제어하기 위한 제1온도 전류 제어회로와, 상기 프로브광용 분배형 피드백 레이저 다이오드가 제2중심주파수를 가지도록 상기 프로브광용 분배형 피드백 레이저 다이오드의 구동전류 및 온도를 설정 제어하기 위한 제2온도 전류 제어회로와, 상기 펄스광용 분배형 피드백 레이저 다이오드의 출려과 프로브광용 분배형 피드백 레이저 다이오드의 출력을 합성하여 펄스광과 프로브광의 차주파수를 갖는 비트 광신호를 발생하기 위한 편광 유지커플러와, 상기 편광 유지커플러의 합성 광신호를 전기신호로 변환하기 위한 광검출기와, 상기 광검출기의 전기신호를 증폭하기 위한 증폭기와, 상기 증폭기를 통하여 증폭된 전기신호와 혼합될 상기 광검출기의 출력주파수부다 1GHz 높은 발진주파수의 신호를 발생하기 위한 국부 발진기와, 상기 증폭기의 증폭신호와 국부 발진기의 발진신호를 혼합하여 상기 증폭기의 증폭신호와 국부발진기의 발진신호의 차주파수를 갖는 신호를 발생하기 위한 믹서와, 상기 믹서의 출력신호와 중심주파수를 비교하고 비교결과에 따라 출력전압을 제어하는 주파수 판별기와, 상기 주파수 판별기의 출력전압을 적분하여 비례전류를 상기 제2온도 전류 제어회로로 부귀환하기 위한 비례 적분회로로 구성되는 것을 특징으로 하는 광섬유 스트레인 분포 측정용 펄스광과 프로브광의 비트 주파수 안정화장치를 제공한다.
이하 본 발명을 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다.
제1도는 본 발명에 따른 비트 주파수 안정화장치의 구성도이고, 제2a도는 제1도에 도시된 펄스광용 분배형 피드백 레이저다이오드의 주파수 특성도이고, 제2b도는 제1도에 도시된 프로브광용 분배형 패드백 레이저다이오드의 주파수 특성도이고, 제2c도는 제1도에 도시된 광검출기의 주파수 특성도이고, 제2d도는 제1도에 도시된 국부 발진기의 주파수 특성도이고, 제2e도는 제1도에 도시된 믹서의 주파수 특성도이고, 제2f도는 제1도에 도시된 주파수 판별기의 주파수 특성도이다.
본 발명에 따른 광섬유 스트레인 분포 측정용 펄스광과 프로브광의 비트 주파수 안정화장치는 스트레인 분포 측정용 광섬유에 인가되는 제1중심주파수(f1)를 갖는 펄스광을 발생하기 위한 펄스광용 분배형 피드백 레이저 다이오드(13, Distributed Feedback Laser Diod, 이하 DFB LD라 함)와, 상기 광섬유에 인가되는 상기 제1중심주파수(f1) 보다 브릴리언 주파수 시프트(fB)만큼 높은 제2중심주파수(f2)를 갖는 프로브광을 발생하기 위한 프로브광용 DFB LD(14)와, 상기 펄스광용 DFB LD(13)가 제1중심주파수(f1)를 가지도록 상기 플스광용 DFB LD(13)의 구동전류 및 온도를 설정 제어하기 위한 제1온도 전류 제어회로(11)와,
상기 프로브광용 DFB LD(14)가 제2중심주파수(f2)를 가지도록 상기 프롭광용 DFB LD(14)의 구동전류 및 온도를 설정 제어하기 위한 제2온도 전류 제어회로(12)와, 상기 펄스광용 DFB LD(13)의 출력과 프로브광용 DFB LD(14)의 출력을 합성하여 상기 펄스광의 제1중심주파수(f1)와 상기 프로브광의 제2중심주파수(f2)의 차주파수를 갖는 광신호를 발생하기 위한 편광 유지(Phase Modulation, 이하 PM라 함) 커플러(15)와, 상기 PM 커플러(17)의 합성 광신호를 전기신호로 변환하기 이한 광검출기(16)의 전기신호를 증폭하기 위한 증폭기(17)와, 상기 증폭기(17)를 통하여 증폭된 전기신호와 혼합될 상기 광검출기(16)의 출력주파수보다 1GHz 높은 발진주파수의 신호를 발생하기 위한 국부 발진기(18)와, 상기 증폭기(17)의 증폭신호와 국부 발진기(18)의 발진신호를 혼합하여 상기 증폭기(17)의 증폭신호와 국부발진기(18)의 발진신호의 차주파수를 갖는 신호를 발생하기 위한 믹서(19)와, 상기 믹서(19)의 출력신호와 중심주파수를 비교하고 비교결과에 따라 출력전압을 제어하는 주파수 판별기(20)와, 상기 주파수 판별기(20)의 출력전압을 적분하여 비례전류를 상기 제2온도 전류 제어회로(12)로 부귀환하기 위한 비례 적분회로(21)로 구성된다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 작용을 이하에 설명하면 다음과 같다.
먼저 펄스광용 및 프로브광용 DFB LD(13,14)로 부터 출력광을 얻기 위하여 제1 및 제2온도 전류 제어회로(11,12)에 의해 구동전류 및 온도는 설정된다. 이때 온도 및 전류는 기 측정된 프로브광용 DFB LD(14)의 광주파수가 펄스광용 DFB LD(13)의 광주파수 보다 측정용 광섬유의 브릴리언 주파수시프트 10.915 GHz 만큼 높도록 설정된다.
이때 펄스광용 DFB LD(13)에서 출력되는 광주파수의 특성은 제2도의 a에 도시된 바와 같이 중심주파수가 f1(=193THz), 선폭이 △f1가 되고 프로브광용 DFB LD(14)에서 출력되는 광주파수의 특성은 제2b도에 도시된 바와 같이 중심주파수가 f2=f1+10.915 GHz, 선폭이 △f2가 된다.
이렇게 얻어진 두개의 광출력신호는 PM 커플러(15)에 의해 합성된다.
그 후 상기 PM 커플러(15)의 합성신호는 광검출기(16)에 의해 전기신호로 변환된다.
즉 광대역 광검출기(16)에서 얻어지는 신호의 주파수는 두개의 DFB LD(13,14)의 비트 주파수가 되고 출력주파수의 파형은 제2도의 c와 같이 중심주파수 fB=10.915GHz, 선폭이 △f1+△f2가 된다.
이와 같이 비트주파수가 얻어지는 것은 커플러에서 두개의 광이 합파되는 과정에서 그 차주파수의 신호로 변환되기 때문이다.
결국 펄스광용 DFB LD(13)에서 출력되는 신호가 193THz의 높은 광주파수에서 10.915GHz의 낮은 주파수로 1차 변환된다. 그러나 이 신호의 주파수는 아직도 전기적 처리를 위해서는 높으므로 낮은 주파수로 변화시킬 필요가 있다.
그 후 상기 증폭기(17)의 신호는 국부발진기(18)에서 발생한 발진주파수의 신호와 믹서(19)에서 혼합되어 그 차신호가 중심주파수가 되는 얻어진다. 상기 국부발진기(18)에서 출력되는 주파수 파형은 제2도에 도시된 바와 같이 상기 광검출기(16)의 중심주파수보다 만큼 설정되어 있다.
즉 10.915GHz의 높은 주파수는 1GHz의 낮은 주파수로 변환된다.
그후 중심주파수 fD가 1GHz인 믹서(19)의 출력신호는 주파수 판별기에 입력된다.
상기 주파수 판별기(20)의 동작은 주파수 판별기(20) 고유의 중심주파수를 기준으로 하여 입력주파수가 일치하면 0볼트의 출력전압이, 입력신호의 중심주파수가 낮으면 차주파수에 비례하여 음전압이, 그리고 입력신호의 중심주파수가 높으면 그 차에 비례하여 양전압이 출력된다.
따라서 주파수 판별기(20)의 고유 중심주파수를 기준으로 주파수가 변화하는 입력신호가 주파수 판별기(20)에 입력되면 그 주파수 변화량에 비례하는 출력 전압이 주파수 판별기(20)에서 비례적분회로(21)에 입력되고 비례 적분식에 의해 변화량이 제1온도 전류 제어회로(11)로 부귀환되어 프로브광용 DFB LD(14)의 주입 전류를 조절하여 프로브광용 DFB LD(14)의 광출력 주파수를 안정화시키게 된다.
레이저 다이오드는 주입 전류의 변화에 따라 광출력 주파수가 변하는 특성이 있으므로 레이저 다이오드의 주입 전류를 조절하므로서 항상 안정된 광출력 주파수를 얻을 수 있다.
이하 최초에 설정된 레이저 다이오드의 광 출력 주파수가 외부 조건등에 의해 변화될 경우, 즉 비트주파수가 설정된 값을 벗어났을 경우 그 오차를 보정하여 설정치를 유지하여 레이저 다이오드의 광출력 주파수를 안정화시키는 방법을 설명한다.
최초에 펄스광용 및 프로브광용 DFB LD(13,14)의 온도 및 전류가 온도 전류제어회로의 설정에 의해 두개의 DFB LD(13,14)의 광출력 주파수차, 즉 광검출기(16)에서 출력되는 비트 주파수가 10.915GHz로 설정되었으나 외부의 영향으로 인하여 레이저 다이오드의 광출력 주파수가 10MHz정도 벗어났다고 하면 편광 유지커플러(15)를 통하여 합파된 후 광검출기(16)에서 출력되는 비트주파수의 중심주파수는 10.925GHz가 된다.
따라서 10.925GHz의 광검출기(16)의 출력신호와 국부발진기(18)의 11.915GHz 출력신호가 믹서(19)에 혼합되면 두 입력 주파수의 차에 해당하는 1.010GHz 주파수 출력신호가 얻어진다.
그 후 상기 1.010GHz 신호가 주파수 판별기(20)에 입력되면 주파수 판별기(20)의 고유 중심주파수가 1GHz이므로 0.010GHz 만큼 높은 입력 주파수에 해당하는 양 출력전압이 얻어진다.
그 후 상기 변화량은 비례 적분회로(21)를 통하여 제2온도 전류 제어회로(12)로 귀환되고 그에 따라 레이저 다이오드의 주입전류가 높아지고 주입전류가 높아지면 광출력 주파수가 낮아지므로 최초의 설정된 비트주파수로 안정화하게 된다.
상기한 바와 같이 본 발명에 따른 광섬유 스트레인 분포 측정용 펄스광과 프로브광의 비트 주파수 안정화장치는 펄스광과 프로브광을 생성하는 두 레이저 다이오드의 주입 전류를 조절하므로써 항상 안정된 광 출력 주파수를 얻을 수 있으므로 광섬유에 인가되는 스트레인 분포의 측정을 용이하게 할 수 있도록 한다. 또한 본 발명은 계속적으로 비트 주파수의 변화를 감시하여 보정함으로써 대단히 안정된 레이저 다이오드의 광출력 주파수를 얻는 것이 가능하다.

Claims (1)

  1. 스트레인 분포 측정용 광섬유에 인가되는 제1중심 주파수를 갖는 펄스광을 발생하기 위한 펄스광용 분배형 피드백 레이저 다이오드와, 상기 광섬유에 인가되는 상기 제1중심 주파수보다 브릴리언 주파수 시프트만큼 높은 제2중심 주파수를 갖는 프로브광을 발생하기 위한 프로브광용 분배형 피드백 레이저 다이오드와, 상기 펄스광용 분배형 피드백 레이저 다이오드가 제1중심 주파수를 가지도록 상기 펄스광용 분배형 피드백 레이저 다이오드의 구동전류 및 온도를 설정 제어하기 위한 제1온도 전류 제어회로와, 상기 프로브광용 분배형 피드백 레이저 다이오드가 제2중심주파수를 가지도록 상기 프로브광용 분배형 피드백 레이저 다이오드의 구동전류 및 온도를 설정 제어하기 위한 제2온도 전류 제어회로와, 상기 펄스광용 분배형 피드백 레이저 다이오드의 출력과 프로브광용 분배형 피드백 레이저 다이오드의 출력을 합성하여 펄스광과 프로브광의 차주파수를 갖는 비트 광신호를 발생하기 위한 편광 유지커플러와, 상기 편광 유지커플러의 합성 광신호를 전기신호로 변환하기 위한 광검출기와, 상기 광검출기의 전기신호를 증폭하기 위한 증폭기와, 상기 증폭기를 통하여 증폭된 전기신호와 혼합될 상기 광검출기의 출력주파수부다 1GHz 높은 발진주파수의 신호를 발생하기 위한 국부 발진기와, 상기 증폭기의 증폭신호와 국부 발진기의 발진신호를 혼합하여 상기 증폭기의 증폭신호와 국부발진기의 발진신호의 차주파수를 갖는 신호를 발생하기 위한 믹서와, 상기 믹서의 출력신호와 중심주파수를 비교하고 비교결과에 따라 출력전압을 제어하는 주파수 판별기와, 상기 주파수 판별기의 출력전압을 적분하여 비례전류를 상기 제2온도 전류 제어회로로 부귀환하기 위한 비례 적분회로로 구성되는 것을 특징으로 하는 광섬유 스트레인 분포 측정용 펄스광과 프로브광의 비트 주파수 안정화장치.
KR1019950034675A 1995-10-10 1995-10-10 광섬유 스트레인 분포 측정용 펄스광과 프로브광의 비트 주파수 안정화장치 KR0160925B1 (ko)

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