KR100211107B1 - 광섬유 센서 출력 동작점 고정 회로 - Google Patents

Abstract

[목적]

본 발명은 광통신에 사용되는 파이버 센서가 외부 잡음에 대해서 안정한 동작을 하도록 하기 위한 것으로 파이버 센서에서 상잡음과 강도잡음 등의 외부 잡음에 의하여 변화되는 파이버 센서 출력의 동작점을 고정하기 위한 광섬유 센서 출력 동작점 고정 회로에 관한 것이다.

[구성]

본 발명은 레이저 구동 회로가 레이저 다이오드의 입력단에 설치되어 있고, 아이솔레이터가 레이저 다이오드의 출력단에 설치되어 있으며 커플러의 A측에 아이솔레이터가 연결되어 있고, 커플러의 C측에 광검출기가 연결되어 있으며 커플러의 B측에는 광파이버 센서가 설치되어 있고, 커플러의 D측에는 광검출기가 연결되어 있고, 커플러의 C와 D측의 광검출기는 각기 대역통과 여과기와 진폭 조정용 오피 암프가 제어부의 입력에 연결되거나 구동 회로의 출력을 제어부의 입력으로 연결하고, 제어부 출력단의 집적기는 제어부 출력 신호를 레이저 구동 회로로 궤환시키도록 구성한 것이다.

Description

광섬유 센서 출력 동작점 고정 회로

제1도는 종래 기술의 개략도.

제2도는 파이버 센서의 구조 및 개략적인 광 흐름도.

제3도는 본 발명이 적용된 개략도.

제4도는 본 발명이 적용된 다른 일 예의 개략도.

제5도는 FP간섭계 출력 특성 예시도.

제6도는 섭트랙터 출력 특성도.

본 발명은 광통신(Optic Communication)에 사용되는 센서(Sensor)가 외부 잡음에 대해서 안정한 동작을 하도록 하기 위한 것으로 광섬유 페브리 페롯(Fabry-Perot)간섭계(이하 FP간섭계라 한다)인 파이버 센서에서 레이저 다이오드(Laser Diode : LD)의 상잡음(Phase Noise)과 강도잡음(Intensity Nosie)등의 외부 잡음에 의하여 변화되는 파이버 센서 출력의 동작점(Operating Point)을 고정하기 위한 광섬유 센서 출력 동작점 고정 회로에 관한 것이다.

일반적으로 제1도와 같이 발광 소자인 레이저 다이오드(20)에 전류가 공급되면 레이저 다이오드(20)에서 광이 방출된다. 이 방출된 광은 아이솔레이터(Isolator)(30)와 커플러(coupler)(40)를 거쳐서 2개의 미러(Mirror) (51),(52)로 구성된 파이버 센서(50)인 FP간섭계에 도달한다. 파이버 센서(50)에서의 광의 흐름과 미러의 작용을 제2도에 개략적으로 나타내었다. 제2도에서와 같이 파이버센서(50)인 FP간섭계에서 광의 일부는 2개의 미러를 통하여 네트윅(Network)으로 전송되고, 일부는 2개의 미러에서 반사되어서 반사된 광들은 서로 간섭을 일으키게된다. 간섭을 일으킨 광은 다시 커플러(40)를 거쳐서 광검출기(Photo Detector)(60)에 도달하게 되고, 도달된 광은 검출기(60)에서 전기 신호로 변환되게 되며 변환된 전기 신호로부터 간섭을 일으킨 광의 상(Phase) 변화를 검출하여 전자 회로에서 측정하고자 하는 물리적 변화인 온도, 압력등의 변화를 읽는다.

한편, 레이저 다이오드를 발광 소자로서 사용하는 광통신 시스템. 특히, 고속 전송과 아날로그 강도 변조(Analog Intensity Modulation)방식에 있어서, 레이저 다이오드에서 발광된 광이 파이버 미러에서 반사되는 반사광에 의한 반사 잡음이 오류를 야기하게 되는데, 이 반사광이 발광 소자인 레이저 다이오드로 재 입광됨을 방지하기 위하여 아이슬레이터가 사용되고 있고, 커플러는 레이저 다이오드에서 발광되는 광을 네트윅으로 전송하기 위하여 분기하거나 네트윅에서부터 전송되어온 광을 수광부의 광검출기로 분기하는 역할을 하는 광분기 회로의 방향성 결합기로 스타 커플러 외에 다수의 커플러가 광통신에서의 결합기로 사용되고 있다.

또한, 레이저 다이오드와 광검출기는 패캐지(Package)화 하여 하나의 IC칩으로 구성된 복합기를 이용하여 구성하기도 하고, 각각을 단일 소자로 사용하기도 하며 본 발명에서도 상기 두가지의 소자를 패캐지화 한 IC칩과 각각의 단일 소자를 모두 사용하여 구성한 것이다.

또, 레이저 다이오드는 종류에 따라서 차이는 있지만 약1[mA/℃]정도의 온도 의존성이 있기 때문에 일정한 광출력을 얻기 위해서는 온도 변화에 따라 바이어스(Bias) 전류 및 펄스 구동 전류 등을 제어해야만 하고, 종래의 기술에서는 광의 강도(Intensity)만이 일정한 광출력을 얻기 위한 제어 요소가 된다. 따라서 레이저 다이오드의 온도 의존성의 역특성을 가진 소자에 의해서 일정한 출력을 보상하도록 하는 방법과 출력 신호를 레이저 다이오드 구동 회로에 궤환하여 출력 신호를 제어하는 방법 등이 사용된다.

상기와 같은 종래의 기술에서는 광의 강도만이 일정한 광출력을 얻기 위한 제어 요소로 사용되기 때문에, 이러한 요소를 비교기와 암프를 이용하여 레이저 다이오드 구동 회로에 궤환하였다. 그러나, 레이저 다이오드의 파이버 센서에서의 상잡음과 강도잡음 등의 외부 잡음이 광섬유 센서의 출력 동작점에 영향을 주게 되고, 이에 따라, 제5도와 제6도에서와 같이 연속파(Continuous Wave)신호의 동작시에 광섬유 센서 출력의 동작점은 원신호에 비하여 상하로 위치를 변화하게 되는 즉, 동작점의 유동인 드리프트(Drift) 현상이 발생하게 되어 전자 회로에서 전기신호로 변환시에 오류를 발생시키는 원인이 된다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로 발명의 주된 목적은 광의 강도 변화만이 아니라 피이버 센서 시스템에서 사용되는 발광소자의 광의 변화만이 아니라 외부 잡음과 잡음의 정도를 보상하기 위한 회로를 이용하여 파이버 센서 출력에서 동작점이 드리프트(Drift)하는 것 즉, 일예로 제6도의 그림같이 동작점이 M1과 N1로의 드리프트 하는 것을 방지하기 위하여 안출한 것이다.

그리고 이를 위한 특징적인 구성은 제3도와 제4도에서와 같이 발광 소자인 레이저 다이오드에서 광출력 신호를 하나의 입력 신호로 사용하고, 커플러를 통하여 간섭을 일으킨 광의 신호를 또 다른 입력 신호로 이용한 제어부(서브트랙터 : Subtracter)를 사용하여 파이버 센서 출력 신호를 구동 회로로 궤환을 시켜 보상함으로써 출력 신호를 안정화하는 구성을 가진다.

이하, 첨부도면에 따라 본 발명의 상세한 구성 및 작용효과를 설명하면 다음과 같다.

제3도는 광섬유 센서 출력 동작점 고정용 회로로, 레이저 구동회로(10)가 레이저 다이오드(20)의 입력단에 설치되어 있고, 아이솔레이터(30)가 레이저 다이오드(20)의 출력단에 설치되어 있다. 또한, 커플러(40)의 A측에 아이솔레이터(30)가 연결되어 있고, 커플러(40)의 C측에 광검출기(60)가 연결되어 있으며 커플러(40)의 B측에는 광파이버 센서인 2개의 미러가 설치되어 있고, 커플러(40)의 D측에는 광검출기(62)가 연결되어 있다.

또한, 커플러(40)의 C와 D측의 광검출기(60),(62)는 각기 저역통과 여과기이며, 대역통과 여과기(66)와 진폭 조정(Amplitude Adjust)용 오피 암프(OP Apm)(64)가 제어부(68)의 입력단에 연결되고, 제어부(68) 출력단의 집적기(70)는 제어부(68) 출력 신호를 레이저 구동회로(10)로 궤환시킨다.

제4도는 본 발명의 또 다른 적용 예로, 제어부(68)의 입력 회로인 진폭 조정용 오피 암프(64) 소자의 입력을 제3도의 적용예와는 다르게 커플러(40)의 D측으로부터의 입력을 사용하지 않고 레이저 구동 회로(20)에서의 출력을 제어부(68)의 입력 회로인 진폭 조정용 오피 암프(64)의 입력으로 대체한 것으로, 제3도와 제4도의 차이는 레이저 다이오드(20)와 광검출기(60)가 패캐지화하여 하나의 IC칩으로 구성된 복합기를 사용하여 구성한 것인가 또는 레이저 다이오드(20)와 광검출기(60)를 각각의 단일 소자로 사용하여 구성한 것인가에 있으며 상기 구성에 있어서 양자가 다른 구성을 하였어도 효과는 동일하다.

다음은 상기와 같이 구성된 본 발명의 작동 상태에 대해서 설명한다.

구동 회로(10)에서 레이저 다이오드(20)에 전류를 공급하면 광이 레이저 다이오드(20)로부터 방출된댜. 방출된 광은 아이솔레이터(30)와 커플러(40)를 거쳐 FP간섭계에 도달한다. FP간섭계의 미러에서 반사되어서 간섭을 일으킨 광은 다시 커플러를 거쳐서 광검출기에 도달하여 전기 신호로 바뀌게 된다.

한편, FP간섭계에서의 출력의 동작점은 아래와 같이 표현된다.

[A : 진폭(광강도 및 반사율), L : FP간섭계 길이, λ : 파장(Wvaelength), η : 굴절률, Po : 레이저 초기 전력, R : 반사율(Reflection Factor)]

위의 식에서 보인 바와 같이 FP간섭계 출력의 동작점은 광강도, 굴절률, FP간섭계 길이, 파장 등의 함수로 광강도, 굴절률 FP간섭계 길이, 파장 등이 이 FP간섭계인 파이버 센서에 직접적인 영향을 가하고 있음을 보인다. 즉, 외부에서 물리적인 힘인 음향신호 따위의 온도와 압력 등의 잡음이 FP간섭계에 가해지면 FP간섭계의 길이와 굴절율이 변하기 때문에 파이버 센서의 출력이 변화하게 되고, 특히 레이저가 연속파 동작을 할 때 파이버 센서의 민감도(Sensitivity)는 동작점에 따라 변화하는데 동작점이 θ=90°±nπ(n은 정수)일 때, cos파에서 접선의 기울기는 최대가 되기 때문에 그 상태에서 파이버 센서의 민감도는 최대가 되게 되고, 이때 상기의 식에 따라 FP간섭계 출력의 특성을 나타내는 제5도의 최대 출력파가 파이버 센서에서 출력된다.

또한, 파이버 센서의 출력 동작점은 민감도가 최대가 되도록 고정되어 있으나, 상잡음과 강도잡음 때문에 동작점은 제6도에서와 같이 M에서 N으로 드리프트하게 되고, 이에 다라서 같은 크기의 음향 신호 입력에 대하여 동작점 M에서의 진폭 M1은 동작점 N에서의 진폭 N1보다 큰 진폭을 갖게 된다., 따라서, M의 동작점에서 제5도와 같은 최대 진폭을 갖게 되므로 이때에 파이버 센서의 민감도는 최대가 된다.

한편, 레이저 신호에서의 파이버 센서 출력파의 잡음 신호는 저주파의 특성을 가지고 있기 때문에 대역통과 여과기인 저역파 여과기(Low Pass Filter)를 사용하여 파이버 센서 출력파의 고주파 성분을 제거하여 저주파인 잡음 신호만을 선택하고, 선택된 잡음 신호가 안정된 신호보다 큰 값을 갖고 있으면 큰 값만큼을 제어부에서 제거하여 궤환시키며 또한, 선택된 잡음 신호가 안정된 신호보다 작은 값을 갖고 있으면 작은 값만큼을 제어부에서 부가하여 궤환시켜서 잡음에 의하여 변화된 파이버 센서 출력파의 상하 드리프트를 보상함으로써 원래의 신호를 유지하기 때문에 동작점의 드리프트를 방지하여 안정된 동작점을 유지한다.

또한, 커플러의 D측에 연결된 광검출기에서 잡음이 없는 광이 검출되면 광 검출기에서 출력되는 신호는 직류 성분의 신호가 출력되게 되고, 직류 성분의 신호를 진폭 조정 오피 암프를 이용하여 제6도와 같은 크기의 진폭 A로 조절한다. 상기의 직류 성분과 잡음 성분에 의해서 형성된 복합 신호가 파이버 센서에서 출력되면 제어부에서 복합 신호만큼을 제어부에서 제거한다. 즉, 발생된 오차 정도 만큼을 제거하여 구동 회로로 궤환하므로서 파이버 센서 출력의 동작점이 드리프트 되지 않도록 제어한다.

이상에서 자세히 설명한 바와 같이, 본 발명은 파이버 센서가 연속파에서 동작할 때 강도잡음이 상잡음에 의한 파이버 센서 출력 신호를 제어부에서 보상하여 레이저 구동 회로로 궤환함으로써 FP간섭계의 출력파에서의 동작점 드리프트를 방지하도록 한 광섬유 센서 출력 동작점 고정용 회로에 관한 것이다.

Claims (1)

1. 광 파입를 이용한 파이버 센서에 있어서, 레이저 구동회로(10)에서 발생되는 전류에 의해 레이저 다이오드(20)에서 발광되는 광을 입력받아 2개의 미러(51),(52)로 구성된 파이버 센서(50)에 전달하는 아이솔레이터(30) 및 커플러(40)와; 상기 아이솔레이터(30)와 파이버 센서(50)를 연결하는 상기 커플러(40)의 전달경로와 다른 경로의 양단에 구비되어 있는 저역통과 여과기인 광검출기(60),(62)와; 상기 광검출기(60)에서 출력되는 신호를 입력받아 일정 대역의 주파수 신호만을 필터링하여 출력하는 대역통과 여과기(66)와; 상기 광검출기(62)에서 출력되는 신호를 입력받아 진폭 조정후 출력하는 오피 암프(64); 및 상기 대역통과 여과기(66)와 오피 암프(64)에서 출력되는 신호를 입력받아 상기 커플러(40)를 통하여 간섭을 일으킨 광의 신호를 기준으로 상기 레이저 다이오드에서 광출력 신호를 하나의 입력 신호를 보상할 수 있도록 상기 레이저 구동회로(10)로 궤환시키는 서브트랙터를 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 센서 출력 동작점 고정 회로.