KR100211725B1

KR100211725B1 - 광학간섭필터를 이용한 광분파기

Info

Publication number: KR100211725B1
Application number: KR1019970019608A
Authority: KR
Inventors: 송우성; 신재훈; 김신호
Original assignee: 권문구; 엘지전선주식회사
Priority date: 1997-05-20
Filing date: 1997-05-20
Publication date: 1999-08-02
Also published as: KR19980084032A

Abstract

본 발명은 광파이버의 후방산란광을 이용한 분포형온도측정시스템에 있어서, 후방산란광으로 부터 라만신호(Raman signal)를 효율적으로 분리.추출하기 위한 광분파기에 관한 것으로, 광분파기의 상자형 몸체내부에 여기광원의 입사광과 피측정광파이버로 부터 산란된 후방산란광의 광통로를 확보하기 위한 주가이드광통로와, 상기 주가이드광통로 및 반스톡광을 검출하기 위한 제1검출포트가 연통되도록 형성된 제1가이드광통로와, 상기 주가이드광통로 및 스톡광을 검출하기 위한 제2검출포트가 연통되도록 형성된 제2가이드광통로를 포함하고 상기 주가이드광통로상의 소정위치에 제1간섭필터 및 제2간섭필터를 부착, 고정시켜 일체형(one-body type)으로 구성함으로써 구조가 간단하여 제작이 용이할뿐만 아니라 광축의 일치가 용이하여 광신호처리시의 삽입손실이 개선되는 효과를 가진다.

Description

광학간섭필터를 이용한 광분파기

본 발명은 광파이버의 후방산란광을 이용한 분포형온도측정시스템에 있어서, 후방산란광으로 부터 라만신호(Raman signal)를 효율적으로 분리.추출하기 위한 광분파기에 관한 것으로 구체적으로는, 광분파기내에 광학간섭필터를 부착,고정하여 구조가 간단하고 라만신호(Raman signal)측정의 정확성을 향상시킨 일체형의 광분파기에 관한 것이다.

일반적으로 광파이버의 후방산란광을 이용하여 피측정광파이버의 분포형 온도를 측정하는 원리는 다음과 같다.

여기광원의 광펄스를 피측정광파이버에 입사시키면 광파이버내에서 산란광이 발생하게 되고 이 산란광중 일부는 피측정 광파이버의 입사단으로 귀환하여 후방산란광을 형성하게 된다. 이러한 후방산란광의 대부분은 입사광과 동일한 파장을 갖는 라일리산란광(Rayleigh scattering light)이며 미소하게는 라만산란에 의해 파장이 시프트된 라만산란광(Raman scattering light)도 포함되어 있다. 이 라만산란광은 그 강도가 입사광의 1-10억분의 1, 라일리산란광의 1만분의 1정도의 매우 미약한 빛으로서 입사광에 대하여 파장이 장파장쪽으로 시프트한 스톡광(stokes light)과 단파장쪽으로 시프트한 반스톡광(anti-stokes light)이 포함되어 있다. 이러한 라만산란광은 광파이버 속의 포논(phonon)과의 상호작용에 의해 발생하므로 광파이버의 온도에 따라 그 빛의 강도가 변화하는 특징을 갖는다. 즉 스톡광 및 반스톡광의 강도는 절대온도에 의존한다. 따라서, 스톡광과 반스톡광의 강도의 비를 구하게 되면 피측정광파이버의 길이방향의 온도분포를 구할수 있게된다.

상기와 같은 원리에 의해 광파이버의 분포형 온도를 측정하기 위해서는 피측정광파이버의 후방산란광으로 부터 라만산란광을 분리, 추출하기 위한 분광광학기구가 필수적인데 종래에는 이러한 분광광학기구로서 유전체다층막필터(광학간섭필터)나 각도 분산형의 프리즘을 이용한 광분파기가 사용되었다.

특히, 일본공개특허 소63-208731호(1988.8.3)에는 종래의 광학간섭필터를 이용한 광분파기를 제안하고 있는바, 이를 첨부도면 제1도를 참조하여 살펴보면 다음과 같다.

반도체레이저와 같은 여기광원(1)으로부터 여기된 중심파장 λ_ο를 가진광이 제1간섭필터(3)로 입사되면 상기 제1간섭필터(3)는 중심파장λ_ο의 입사광을 피측정광파이버(2)의 입사말단을 향해 투과시킨다. 상기 입사광에 의해 광파이버(2)내에서 생성된 후방산란광은 상기 입사광과 반대방향에서 상기 제1간섭필터(3)로 입사되고 이렇게 입사된 후방산란광중 라만산란광만이 상기 제1간섭필터(3)에 의해 광축상에 설치된 제2간섭필터(4)로 반사된다. 상기 제2간섭필터(4)에 입사되는 라만산란광중 반스톡광만이 제2간섭필터(4)를 통과하게 되고 이렇게 통과된 반스톡광은 광검출기(7)로 입사된다. 상기 광검출기(7)에서 검출된 광은 전기신호로 변환되어 반스톡광의 강도가 측정된다. 상기와 마찬가지로 제3간섭필터(5)를 통해서 스톡광만이 통과하여 광검출기(6)로 입사되고 검출된 광은 전기신호로 변환되어 스톡광의 강도가 측정된다. 이렇게 스톡광과 반스톡광의 강도를 측정하여 그비를 구함으로써 피측정광파이버(2)의 분포형 온도를 알수있게 된다.

상기에 기술된 종래의 광분파기에 있어서는 후방산란광으로 부터 라만산란광을 분리, 검출하기 위하여 복수개의 간섭필터와 다른 광학부품들이 상호 분리되어 구성되어 있다. 따라서, 이러한 광분파기를 제작하기 위해서는 상당한 노력과 기술이 필요할 뿐만아니라 상기 광학부품들 상호간의 광축을 일치시키는 것이 곤란하여 라만신호의 삽입손실이 증대 됨으로서 신호측정의 정확성을 기대할수 없다는 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 광분파기내에 광학간섭필터를 부착, 고정시켜 일체형으로 구성함으로써 광축을 일치시켜 광신호처리시의 손실이 최소화되고 손쉽게 제작이 가능한 간단한 구조의 광분파기를 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 스톡광과 반스톡광을 보다 세밀하게 필터링하는 광학간섭필터를 최소 1개 이상 추가, 포함함으로써 광신호처리의 S/N비가 획기적으로 향상된 광분파기를 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 또 다른 목적은 후방산란광을 분리, 추출한후의 잔광인 라일리산란광을 반사하여 출광시키는 간섭필터와 광통로 및 포트를 추가 설치함으로써 라만산란광 분석의 정확성 여부를 추후 확인, 테스트 할수 있는 광분파기를 제공하는 것이다.

도1은 종래의 광학간섭필터를 이용한 광분파기의 구성을 나타내는 도면.

도2는 본 발명에 따른 광분파기의 일 실시예를 도시한 개략구성도.

도3은 본 발명에 따른 광분파기의 일 실시예를 도시한 횡단면도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

16 : 주가이드광통로 17 : 제1가이드광통로

18 : 제2가이드광통로 19 : 제3가이드광통로

20 : 제1간섭필터 21 : 제2간섭필터

22 : 제3간섭필터 23 : 제4간섭필터

24 : 제5간섭필터

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 여기광원(12)의 입사광과 피측정광파이버(13)로 부터 산란된 후방산란광의 광통로를 확보하기 위하여 여기광원(12)이 입사되는 입사포트(25)와 피측정광파이버(13)의 후방산란광을 받아들이는 센싱포트(28)가 연통되도록 형성된 주가이드광통로(16)와, 상기 피측정광파이버(13)의 후방산란광으로 부터 추출된 반스톡광(anti-stokes light)의 광통로를 확보하기 위하여 일측은 상기 주가이드광통로(16)와 연통되고 다른 일측은 반스톡광을 검출하기 위한 제1검출포트(27)와 연결된 제1가이드광통로(17), 및 상기 후방산란광으로 부터 추출된 스톡광(stokes light)의 광통로를 확보하기 위하여 일측은 상기 주가이드광통로(16)와 연통되고 다른 일측은 스톡광을 검출하기 위한 제2검출포트(29)와 연결된 제2가이드광통로(18)를 광분파기 몸체(11)내에 구비하고 있다.

또한, 상기 광분파기몸체(11)의 주가이드광통로(16)에는 상기 라일리산란광(Rayleigh scattering light)을 반사할수 있도록 광파장대역이 설정된 제3간섭필터(22)와, 라일리산란광은 투과시키고 스톡광(stokes light)만을 반사할수 있도록 광파장대역이 설정된 제2간섭필터(21) 및 라일리산란광과 스톡광은 투과시키고 반스톡광(anti-stokes light)만을 반사할수 있도록 광파장대역이 설정된 제1간섭필터(20)가 부착,고정되어 있다.

또한, 본 발명은 라만산란광의 신호처리의 S/N비를 보다 향상시키기 위하여 상기 제1가이드광통로(17)와 상기 제2가이드광통로(18)상에 적어도 하나 이상의 간섭필터를 추가적으로 포함할수 있다.

경우에 따라서, 본 발명은 상기 제2간섭필터(21)에서 투과된 라일리산란광을 제3간섭필터(22)를 통해 출광시켜 신호처리의 테스트 포인팅으로 활용하기 위하여 일측이 상기 주가이드광통로(16)와 연통되고 나머지 일측은 라일리산란광을 배출하기 위한 광출구포트(26)와 연결된 제3가이드광통로(19)를 부가적으로 포함할수 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 일 실시예를 첨부도면 제2도 및 제3도를 참조하여 설명하면 다음과 같다. 여기서, 첨부도면 제2도는 본 발명에 따른 광분파기의 일 실시예를 도시한 개략구성도이고 제3도는 본 발명에 따른 광분파기의 일 실시예를 도시한 횡단면도이다.

고체레이저 혹은 반도체레이저와 같은 고출력의 여기광원(12)이 중심파장 λ₀의 입사광을 광분파기의 일측에 설치된 입사포트(25)의 광학렌즈에 출사한다. 상기 입사광은 상기 입사포트(25)의 광학렌즈를 통해 집광된후, 광분파기의 상자형 몸체(11) 내부의 주가이드광통로(16)상에 부착,고정되어 있는 제1, 제2 및 제3간섭필터(21, 21 및 22)를 통과하게 된다. 여기서 상기 간섭필터는 중심파장λ₀의 입사광을 투과시키는 대역통과필터이다. 또한, 상기 주가이드광통로(16)는 입사포트(25)의 광학렌즈를 통해 집광된 입사광이 입사포트(25)의 맞은편 대향하는 위치에 설치된 센싱포트(28)에 원활히 도달할수 있도록 광을 가이드하는 역할을 하는 것이다.

이렇게 상기 제1, 제2 및 제3간섭필터(20, 21 및 22)를 투과한 중심파장λ₀의 입사광은 센싱포트(28)를 통해 빛의 광축상에 그 말단면이 놓여있는 피측정광파이버(13)의 입사단으로 입사된다. 여기서, 상기 피측정광파이버(13)는 한정되지 않는 일예로서 GI 50/125㎛인 FC/PC형이 사용된다. 상기 피측정광파이버(13)에 입사된 빛은 광파이버(13)속을 통해 전파되면서 산란광을 발생시키게 되며 산란광중 일부의 후방산란광이 광파이버(13)의 입사단으로 귀환하여 상기 광분파기의 센싱포트(28)로 입사된다.

이와같이, 상기 센싱포트(28)를 통해 입사된 후방산란광은 주가이드광통로(16)상에 부착,고정된 제1간섭필터(20)에 의해 반스톡광만이 반사된다. 여기서, 상기 제1간섭필터(20)는 후방산란광중 라일리산란광과 스톡광은 투과시키고 반스톡광만 반사되도록 설계된 광파장 대역통과필터이다. 상기 제1간섭필터(20)는 반사된 반스톡광이 제1가이드광통로(17)상에 부착, 고정되어 있는 제4간섭필터(23)로 입사될수 있도록 상기 주가이드광통로(16)에 부착, 고정되어져 있다. 상기 제1가이드광통로(17)는 광분파기 몸체(11)의 일측에 설치된 제1검출포트(27)에 반스톡광을 가이드하기 위하여 상기 주가이드광통로(16)와 상기 제1검출포트(27)를 연통시켜 형성한 것이다. 또한, 상기 제4간섭필터(23)는 상기 제1간섭필터(20)로 부터 반사된 반스톡광의 신호처리의 S/N비를 높이기 위하여 상기 반스톡광을 한 번더 필터링한다. 상기 제4간섭필터(23)에 의해 신호처리의 S/N비가 향상된 반스톡광은 상기 제1검출포트(27)를 통해 수광소자(14)로 입사된다. 상기 수광소자(14)는 광신호를 전기신호로 변환하는 트랜스듀서(transducer)로서 일반적으로는 애벌란시 포트다이오드(APD)가 많이 사용된다.

상기 제1간섭필터(22)를 투과한 라일리산란광과 스톡광은 주가이드광통로(16)상에 부착, 고정되어 있는 제2간섭필터(21)로 입사된다. 상기 제2간섭필터(21)는 후방산란광중 라일리산란광은 투과시키고 스톡광만 반사되도록 설계된 광파장대역통과필터이다. 상기 제2간섭필터(21)는 반사된 스톡광이 제2가이드광통로(18)상에 부착, 고정되어 있는 제5간섭필터(24)로 입사될수 있도록 상기 주가이드광통로(16)에 부착, 고정되어진다. 상기 제2가이드광통로(18)는 광분파기 몸체(11)의 일측에 설치된 제2검출포트(29)에 스톡광을 가이드하기 위하여 상기 주가이드광통로(16)와 상기 제2검출포트(29)를 연통시켜 형성한 것이다. 또한, 상기 제5간섭필터(24)는 상기 제2간섭필터(21)로 부터 반사된 스톡광의 신호처리의 S/N를 높이기 위하여 상기 스톡광을 한 번더 필터링한다. 상기 제5간섭필터(24)에 의해 신호처리의 S/N비가 향상된 스톡광은 상기 제2검출포트(29)를 통해 수광소자(15)로 입사된다. 상기 수광소자(15)는 광신호를 전기신호로 변환하는 트랜스듀서(trans여cer)로서 일반적으로는 애벌란시 포트다이오드(APD)가 많이 사용된다.

이와같이, 상기 수광소자(14, 15)를 통해 전기신호로 변환된 스톡광과 반스톡광은 처리장치(도면에 도시되지 않음)에 입력되어 그 강도가 측정되며 이렇게 측정된 스톡광과 반스톡광의 강도비를 구함으로써 피측정광파이버(13)의 길이방향의 분포형온도를 구할수 있게 된다.

한편, 상기 제2간섭필터(21)를 투과한 라일리산란광은 제3간섭필터(22)에 의해 광분파기의 일측에 설치된 광출구포트(26)로 반사되고 이렇게 상기 광출구포트(26)를 통해 출광된 라일리산란광은 추후 라만신호처리의 정확성 여부를 테스트하는 자료로 활용할수 있다. 여기서, 상기 광출구포트(26)는 주가이드광통로(16)와 연통되도록 형성된 제3가이드광통로(19)의 일단에 설치되어진다. 상기 제3가이드광통로(19)는 상기 제3간섭필터(22)에 의해 반사된 라일리산란광의 원활한 출광을 가이드하기 위하여 설치된 것이다.

상기에서 상세히 서술된 본 발명의 바람직한 일 실시예는 본 발명을 설명하는 일예에 불과하며 이로인해 본 발명이 제한되지 않는다. 또한, 본 발명은 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진자에 의하여 본 발명의 기술적사상 및 범위를 벗어나지 않는 범위내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

상기와 같이, 본 발명은 광분파기 몸체내에 광통로를 개설하고 그 광통로상에 광학간섭필터를 부착, 고정시켜 일체형으로 구성함으로써 광분파기의 구조가 간단하여 제작이 용이할뿐만 아니라 광축의 일치를 통해 손쉽게 광신호의 손실을 줄일수 있게 되었다. 뿐만아니라, 스톡광과 반스톡광의 검출을 안내하는 광통로상에 여파성능이 뛰어난 광학간섭필터를 추가, 설치함으로서 스톡광과 반스톡광의 신호처리비를 향상시켜 라만산란광의 분리, 추출에 대한 정확성을 향상시켰다. 또한, 광분파기의 몸체 내부에 라일리산란광을 출광시키기 위한 통로를 별도로 개설함으로써 라만신호 처리의 정확성 여부를 테스트할수 있게 되었다.

Claims

여기광원의 입사광과 피측정광파이버로 부터 산란된 후방산란광의 광통로를 확보하기 위하여 여기광원의 입사광이 입사되는 입사포트(port)와 피측정광파이버의 후방산란광을 받아들이는 센싱포트(port)가 연통되도록 형성된 주가이드광통로와;

상기 주가이드광통로 및 반스톡광(anti-stockes light)을 검출하기 위한 제1검출포트가 연통되도록 형성된 제1가이드광통로와;

상기 주가이드광통로 및 스톡광(stockes light)을 검출하기 위한 제2검출포트가 연통되도록 형성된 제2가이드광통로와;

반스톡광을 반사시키고 반사된 반스톡광이 상기 제1가이드광통로를 통해 검출될수 있도록 상기 주가이드광통로에 부착, 고정된 제1간섭필터; 및

스톡광을 반사시키고 반사된 스톡광이 상기 제2가이드광통로를 통해 검출될수 있도록 상기 주가이드광통로에 부착, 고정된 제2간섭필터를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학간섭필터를 이용한 광분파기.
제1항에 있어서, 상기 제2간섭필터에서 투과된 라일리산란광의 출광을 안내하기 위하여 상기 주가이드광통로와 라일리산란광을 배출하는 광출구포트가 연통되도록 형성된 제3가이드광통로; 및

상기 라일리산란광을 반사시키고 반사된 라일리산란광이 상기 제3가이드광통로를 통해 출광될수 있도록 상기 주가이드광통로에 부착, 고정된 제3간섭필터를 부가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 광학간섭필터를 이용한 광분파기.
제2항에 있어서, 상기 제1간섭필터에 의해 반사된 반스톡광신호의 신호처리비를 높이기 위하여 상기 제1가이드광통로에 부착, 고정된 제4간섭필터를 부가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 광학간섭필터를 이용한 광분파기.
제2항에 있어서, 상기 제2간섭필터로 부터 반사된 스톡광신호의 신호처리비를 높이기 위하여 상기 제2가이드광통로에 부착, 고정된 제5간섭필터를 부가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 광학간섭필터를 이용한 광분파기.