KR100287762B1 - 광섬유 센서 - Google Patents

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KR100287762B1
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Abstract

본 발명은 외부 물리량에 의해 광의 특성이 변형되는 정도를 간섭계구조 검출(coherent detection)방법을 이용하여 검출되는 신호의 세기, 위상성분, 주파수성분에 따라 측정할 수 있도록 된 광섬유센서에 관한 것으로서, 레이저다이오드로부터 인가되는 광을 변조하여 센싱용 광섬유로 인가하는 광원수단과, 일단은 상기 광원수단과 결합되고, 타단은 광섬유 끝단에서 반사가 일어나지 않도록 처리되어 상기 광원수단으로부터 입력되는 광의 백 스캐터링 광을 센싱광으로서 출력하는 센싱용 광섬유, 상기 센싱용 광섬유로부터 인가되는 센싱광과 상기 광원수단으로부터 인가되는 광을 그 광의 편광성분에 따라 분리하여 출력하는 편광다이버시티, 상기 편광다이버시티에 의해 분리된 광의 위상을 각각 분리하여 출력하는 위상다이버시티, 상기 위상다이버시티로부터 인가되는 광을 광전변환하여 출력하는 포토다이오드 및, 상기 포토다이오드로부터 입력되는 신호를 근거로 외부 물리량을 측정하는 물리량측정수단을 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

Description

광섬유 센서 {Fiber optical sensor}
본 발명은 광섬유를 통과하는 동안 외부 물리량에 의하여 광의 특성이 변형되는 정도를 검출되는 신호의 세기, 위상성분, 주파수성분을 근거로 측정할 수 있도록 된 광섬유센서에 관한 것이다.
일반적으로 이용되고 있는 광 센서로는 OTDR(Optical Time Domain Reflectometer)방법을 이용한 광섬유 센서와, 간섭계 구조를 갖는 센서가 있으며, 광검출방법에는 다이렉트 검출(Direct detection)법이 주로 사용되고 있다.
여기서, 상기 OTDR방법을 이용한 광섬유 센서는 광섬유가 외부의 영향으로 휘거나 절단되었을 때 광섬유를 통하여 반사되는 광의 세기를 검출하는 방법으로, 광의 위상이나 주파수변화는 검출할 수 없으며, 상기 간섭계 구조를 갖는 센서는 스트레인(strain), 온도, 음파 등을 감지하기 위해 광섬유를 통과하는 광의 세기 뿐 아니라 위상 및 주파수 변화를 검출하도록 구성되는데, 이는 센서의 감도는 좋으나, 센싱부의 구조가 복잡하다는 단점이 있다.
또한, 상기 다이렉트 검출방법을 이용한 광센서는 현재 일반적으로 가장 많이 사용하는 방법으로, 빛의 세기 변화만을 감지하여 외부 물리량을 검출할 수 있으며, 이는 광원의 강도잡음(intensity noise)에 의하여 센서의 검출도가 떨어지는 문제가 있게 된다.
도1은 상기 간섭계 구조를 갖는 센서중 일반적인 간섭계 센서의 내부구성을 개략적으로 나타낸 것으로, 도면에서 (A)는 Mach-Zehnder 간섭계 구조이고, (B)는 Michalson 간섭계 구조를 나타낸 것이다.
도1의 (A)에서, 참조번호 1은 레이저 다이오드로서, 소정 레벨의 광을 광선로를 통해 제 1커플러(2)로 송출하게 되고, 제 1커플러(2)는 상기 레이저 다이오드(1)로부터 인가되는 광을 소정 비율, 예컨대 50:50으로 균등 분할하여 제 1광선로(3)와 제 2광선로(4)로 각각 출력하게 되는 바, 여기서 상기 제 1광선로(3)는 외부 물리량의 영향을 받지 않도록 제작되게 되고, 제 2광선로(4)는 외부 물리량을 측정하기 위한 센싱소자(41)를 설치하여 구성되게 된다.
한편, 상기 제 1광선로(3)와 제 2광선로(4)는 최대한 그 광선로의 길이가 같도록 제작되게 되며, 제 1광선로(3)와 제 2광선로(4)는 각각이 그 일단은 제 1커플러(2)와 결합되고, 그 타단은 제 2커플러(5)와 결합되게 되는 바, 이들 각각은 제 1커플러(2)로부터 인가되는 광을 제 2커플러(5)로 출력하게 된다.
그리고, 상기 제 2커플러(5)는 제 1광선로(3)와 제 2광선로(4)로부터 인가된 광를 검출부(6)로 출력하게 되는 바, 상기 검출부(6)에서는 제 1광선로(3)로부터 인가되는 광과 제 2광선로(4)로부터 인가되는 광의 경로차이에 따른 위상차를 검출함으로써, 외부 물리량을 측정하게 된다.
한편, 도면에서 (B)는 레이저다이오드(1)로부터 소정 레벨의 광이 광선로를 통해 커플러(2)로 인가되면, 커플러(2)에서는 레이저다이오드(1)로부터 입력된 광을 소정 비율, 예컨대 50:50으로 분할하여 각각 제 1광선로(3)와 제 2광선로(4)로 출력하게 된다.
그리고, 상기 커플러(2)로부터 제 1광선로(3)와 제 2광선로(4)로 인가된 광은 제 1광선로(3)와 제 2광선로(4)의 끝단에 결합된 반사판(10)에 의해 상기 커플러(2)로 반사되게 된다. 여기서, 상기 제 2광선로(4)는 센싱소자(41)를 설치하여 구성되게 되며, 상기 제2 광선로(4)와 제 1광선로(3)의 길이는 최대한 동일하도록 제작되게 된다.
한편, 상기 제 1광선로(3)와 제 2광선로(4)를 통해 커플러(2)로 반사 입력되는 각각의 광은 검출부(6)로 인가되게 되는 바, 이 검출부(6)에서는 제 1광선로(3)로부터 수신된 광과 제 2광선로(4)를 통해 수신된 광을 비교하여 그 경로차이에 의한 위상차를 계산함으로써, 외부 물리량을 측정하게 된다.
그러나, 상기한 간섭계 센서는 외부 물리량을 측정하는 검출 감도는 양호하나, 실제 간섭계 구성시 제 1광선로와 제 2광선로의 광경로차이가 '0'가 되도록 구성하는 것이 어렵기 때문에, 그 구성이 복잡하다는 단점이 있다.
이에, 본 발명은 상기한 사정을 감안하여 창출된 것으로서, 간단한 구성과 간섭계구조 검출법으로 광의 세기 뿐 아니라, 광의 위상과 주파수를 검출하여 외부 물리량을 감지하도록 된 광섬유 센서를 제공함에 그 목적이 있다.
즉, 본 발명은 센싱정보를 싣고 있는 신호광의 국부발진(rocal oscillator)광을 결합하여 광의 세기를 증가시켜 포토다이오드의 온도잡음에 의한 성능저하를 방지하고, 신호대잡음비를 증가시켜 시스템의 광검출감도를 증가시키는 간섭계구조 검출법을 사용하여 외부물리량을 감지하도록 된 광섬유 센서를 제공한다.
도1은 종래의 간섭계를 이용한 광섬유 센서의 내부구성을 나타낸 도면.
도2는 본 발명에 따른 광섬유 센서의 내부구성을 나타낸 도면.
도3은 도2에 도시된 신호소멸방지부(53)와 수신부(57,58)의 구성을 나타낸 도면.
도4는 편광상태에 따른 위상각의 차이를 나타낸 도면.
*** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ***
51 : 센싱용 광섬유, 52 : 제 1커플러,
53 : 편광제어커플러, 54 : 광원부,
55 : 제 2커플러, 56 : 변조부,
57,58 : 수신부, 59 : 필터,
60 : 물리량검출부. 531, 535, 537 : 편광다이버시티,
532,533,534,537,538 : 커플러, 571,572,581,582 : 포토다이오드,
573,583 : 합성부.
상기 목적을 실현하기 위한 본 발명에 따른 광섬유 센서는 레이저다이오드로부터 인가되는 광을 변조하여 센싱용 광섬유로 인가하는 광원수단과, 일단은 상기 광원수단과 결합되고, 타단은 광섬유 끝단에서 반사가 일어나지 않도록 처리되어 상기 광원수단으로부터 입력되는 광의 백 스캐터링 광을 센싱광으로서 출력하는 센싱용 광섬유, 상기 센싱용 광섬유로부터 인가되는 센싱광과 상기 광원수단으로부터 인가되는 광을 그 광의 편광성분에 따라 분리하여 출력하는 편광다이버시티, 상기 편광다이버시티에 의해 분리된 광의 위상을 각각 분리하여 출력하는 위상다이버시티, 상기 위상다이버시티로부터 인가되는 광을 광전변환하여 출력하는 포토다이오드 및, 상기 포토다이오드로부터 입력되는 신호를 근거로 외부 물리량을 측정하는 물리량측정수단을 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
상기한 구성으로 된 본 발명에 의하면, 한 가닥의 광섬유만을 이용하므로 센싱부구조가 단순해지며, 간섭계구조 검출방법을 이용하여 광의 세기, 위상성분, 주파수성분에 따른 외부 물리량을 측정할 수 있게 됨은 물론, 편광분리방법을 이용함으로써, 광섬유 센서에서 광섬유의 뒤틀림, 휨 등에 의하여 광섬유를 통과하는 광의 편광이 변하게 됨으로 인해 신호가 소멸되는 현상을 방지할 수 있게 된다.
또한, 광의 위상을 분리하여 수신하는 방법을 이용함으로써, 센싱용 광섬유에서 잡음과 같은 외부 위상요동에 의한 신호소멸을 방지하여 그 센싱감도를 향상시킬 수 있게 된다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 설명한다.
도2는 본 발명의 1실시예에 따른 광섬유 센서의 내부구성을 나타낸 블록구성도이다.
도면에서, 광원부(DFB-LD:Distrbuted Feedback Laser Diode)(54)로부터 출력되는 소정 레벨 예컨대 1550nm 대역의 광은 광선로를 통해 제 2커플러(55)로 입력되고, 제 2커플러(55)로 입력된 광은 소정비율, 예컨대 50:50으로 분할되어 변조부(56)와 신호소멸방지부(53)의 입력으로 각각 인가되며, 신호소멸방지부(53)로 인가된 광은 국부발진(rocal oscillator)광으로 사용된다.
그리고, 상기 변조부(56)로 입력된 광은 펄스신호로 변조되어 광선로를 통해 제 1커플러(52)로 인가되게 되는 바, 제 1커플러(52)로 인가된 변조광(M)은 단일모드 광섬유로 구성되는 센싱용 광섬유(51)로 인가되고, 센싱용 광섬유(51)에서 백 스캐터링(Back sacttering)되는 소정의 광이 제 1커플러(52)를 통해 신호소멸방지부(53)로 입력되게 된다.
여기서, 상기 센싱용 광섬유(51)의 일단은 상기 제 1커플러(52)와 결합되고, 타단은 반사파가 발생하지 않도록 처리되어 구성된다.
그리고, 상기 센싱용 광섬유(51)는 제 1커플러(52)로부터 인가되는 변조광(M)을 입력받아, 그 변조광의 백 스캐터링 광을 센싱광으로서 제 1커플러(52)로 반사시키게 된다.
한편, 상기 신호소멸방지부(53)는 제 1커플러(52)로부터 입력되는 광과 제 2커플러(55)로부터 입력되는 광을 각 입력광의 편광상태에 따라 각각 분리하여 입력되는 광의 제 1편광상태에 해당하는 광은 제 1수신부(57)로 출력하고, 제 2편광상태에 해당하는 광은 제 2수신부(58)로 출력하게 된다. 예컨대, 상기 제 1수신부(57)로 입력되는 광은 평형편광상태이고, 제 2수신부(58)로 입력되는 광은 수직평광상태가 된다.
여기서, 상기 신호소멸방지부(53)는 편광에 의한 신호소멸을 방지하는 기능을 수행한다.
그리고, 상기 제 1수신부(57)와 제 2수신부(58)에서는 신호소멸방지부(53)로부터 입력되는 광을 그 위상차에 따라 각각 수신한 후, 수신된 광을 광전변환하여 필터(59)로 출력하고, 필터(59)에서는 입력되는 신호를 특정 대역으로 필터링하여 물리량검출부(60)로 출력되게 되는 바, 물리량검출부(60)에서는 입력되는 신호의 상태를 기준상태(외부의 물리적인 영향이 없는 상태)의 신호와 비교하여 외부 물리량을 측정하게 된다.
한편, 도3은 도2에 도시된 신호소멸방지부(53)와 수신부(57,58)의 내부구성을 나타낸 도면이다.
도3에서, 제 1커플러(52)로부터 제 1편광다이버시티(531)로 입력되는 광은 그 광의 편광상태에 따라 제 3커플러(532)와 제 4커플러(533)로 각각 분리하여 출력되게 된다. 예컨대, 상기 제 3커플러(532)에는 평형편광상태의 광이 입력되고, 제 4커플러(533)에는 수직편광상태의 광이 입력되게 된다.
또한, 제 3커플러(532)와 제 4커플러(533)는 2×1커플러인 바, 그 다른 입력으로는 제 5커플러(534)를 통해 제 2커플러(55)로부터 인가되는 광이 소정비율, 예컨대 50:50으로 분할되어 입력되게 된다.
즉, 제 1편광다이버시티(531)에서 분리된 광은 제 3커플러(532)와 제 4커플러(533)에서 제 5커플러(534)를 통해 분리된 광과 결합하여 간섭계구조 검출방법에 의한 광검출이 이루어지게 된다.
그리고, 상기 제 3커플러(532)의 출력광은 제 2편광다이버시티(535)로 입력되고, 제 4커플러(533)의 출력광은 제 3편광다이버시티(536)로 입력된다.
한편, 상기 제 2편광다이버시티(535)와 제 3편광다이버시티(536)도 입력광의 편광상태에 따라 그 입력광을 분리하여 출력하게 되는 바, 제 2편광다이버시티(535)와 제 3편광다이버시티(536)로 입력된 평형편광상태의 광은 제 6커플러(537)로 인가되고, 제 2편광다이버시티(535)와 제 3편광다이버시티(536)로 입력된 수평편광상태의 광은 제 7커플러(538)로 각각 인가되게 된다.
그리고, 상기 제 6커플러(537)와 제 7커플러(538)는 2×2커플러인 바, 제 6커플러(537)와 제 7커플러(538)는 입력광을 0˚,180˚위상으로 각각 분리하여 출력하게 된다.
여기서, 상기 제 6커플러(537)와 제 7커플러(538)는 온도변화나 압력등과 같은 외부영향에 의해 발생되는 위상요동에 의한 신호소멸현상을 방지하는 기능을 수행하게 되며, 이는 다양한 위상다이버시티를 이용하여 구성할 수 있다.
즉, 상기 제 6커플러(537)와 결합된 제 11포토다이오드(571)에는 0˚위상 광이 입력되고, 제 12포토다이오드(572)에서는 180˚위상 광이 입력되며, 제 21포토다이오드(581)에서는 90˚위상 광이 입력되고, 제 22포토다이오드(582)에서는 270˚위상 광이 입력되게 되는 바, 도 4를 참조하여 상기한 각 포토다이오드에서 수신되는 광의 위상상태를 설명한다.
도 4에서 (X)는 평형편광상태의 위상을 나타낸 것이고, (Y)는 수직편광상태의 위상을 나타낸 것으로서, 도시된 바와 같이 광의 편광상태에 따라 기준위상에 차이가 있게 된다. 즉, 평형편광상태(X)에서 90˚위상은 수직편광상태(Y)에서 0˚위상과 동일하다.
따라서, 상기 제 6커플러(537) 및 제 7커플러(538)로부터 분리되는 위상각이 각각 0˚, 180˚일 경우, 제 6커플러(537)로부터 출력되는 광은 평형편광상태이고, 제 7커플러(538)로부터 출력되는 광은 수직편광상태이므로, 도 4에 도시된 (X)를 기준으로 할 때, 제 6커플러(537)로부터 출력되는 광의 위상은 0˚,180˚이고, 제 7커플러(538)로부터 출력되는 광의 위상은 90˚,270˚가 된다. 즉, 제 11포토다이오드(571)로 입력되는 광의 위상은 0˚, 제 12포토다이오드(572)로 입력되는 광의 위상은 180˚, 제 21포토다이오드(581)로 입력되는 광의 위상은 90˚, 제 22포토다이오드(582)로 입력되는 광의 위상은 270˚가 된다.
한편, 상기 포토다이오드(571,572,581,582)는 입력되는 광을 각각 광전변환하여, 제 11포토다이오드와 제 12포토다이오드로부터 출력되는 전기적인 신호는 제 1합성부(573)를 통해 합성되어 출력되고, 제 21포토다이오드와 제 22포토다이오드로부터 출력되는 전기적인 신호는 제 2합성부(574)를 통해 합성되어 출력되게 되는 바, 상기 제 1합성부(573)의 출력신호와 제 2합성부(583)의 출력신호는 합성되어 필터(59)로 인가되게 된다.
즉, 한 가닥의 광섬유와 간섭계구조 검출방법을 이용하여 광의 세기, 위상성분, 주파수성분에 따른 외부 물리량을 측정할 수 있게 됨은 물론, 편광분리방법을 이용함으로써, 광섬유 센서에서 광섬유의 뒤틀림, 휨 등에 의하여 광섬유를 통과하는 광의 편광이 변하게 됨으로 인해 신호가 소멸되는 현상을 방지할 수 있게 되며, 광의 위상을 분리하여 수신하는 방법을 이용함으로써, 센싱용 광섬유에서 잡음과 같은 외부 위상요동에 의한 신호소멸을 방지할 수 있게 된다.
한편, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 다양하게 변형 실시할 수 있다.
즉, 본 발명에 따른 광섬유 센서는 구조물에 부착 또는 심어서 구조물의 균열을 측정하고 온도, 바람, 결빙으로 인하여 구조물이 받는 충격을 동시에 측정하는 것으로 이용될 수 있다.
또한, 수중 음향 탐지기로도 이용될 수 있다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 한 가닥의 광섬유만을 이용하므로 센싱부구조가 단순해지며, 간섭계구조 검출방법을 이용하여 광의 세기, 위상성분, 주파수성분에 따른 외부 물리량을 측정할 수 있게 됨은 물론, 편광분리방법을 이용함으로써, 광섬유 센서에서 광섬유의 뒤틀림, 휨 등에 의하여 광섬유를 통과하는 광의 편광이 변하게 됨으로 인해 신호가 소멸되는 현상을 방지할 수 있게 된다.
또한, 광의 위상을 분리하여 수신하는 방법을 이용함으로써, 센싱용 광섬유에서 잡음과 같은 외부 위상요동에 의한 신호소멸을 방지하여 그 센싱감도를 향상시킬 수 있게 된다.

Claims (4)

  1. 레이저다이오드로부터 인가되는 광을 변조하여 센싱용 광섬유로 인가하는 광원수단과,
    일단은 상기 광원수단과 결합되고, 타단은 광섬유 끝단에서 반사가 일어나지 않도록 처리되어 상기 광원수단으로부터 입력되는 광의 백 스캐터링 광을 센싱광으로서 출력하는 센싱용 광섬유,
    상기 센싱용 광섬유로부터 인가되는 센싱광과 상기 광원수단으로부터 인가되는 광을 그 광의 편광성분에 따라 분리하여 출력하는 편광다이버시티,
    상기 편광다이버시티에 의해 분리된 광의 위상을 각각 분리하여 출력하는 위상다이버시티,
    상기 위상다이버시티로부터 인가되는 광을 광전변환하여 출력하는 포토다이오드 및,
    상기 포토다이오드로부터 입력되는 신호를 근거로 외부 물리량을 측정하는 물리량측정수단을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 광섬유 센서.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 편광다이버시티는 센싱광의 편광상태에 따라 분리하여 출력하는 제 1편광다이버시티과,
    상기 제 1편광다이버시티에 의해 분리된 평형편광과 상기 레이저다이오드로부터 인가되는 광을 합성하여 출력하는 제 1커플러,
    상기 제 1커플러로부터 인가되는 광의 편광상태에 따라 분리하여 출력하는 제 2편광다이버시티,
    상기 제 1편광다이버시티에 의해 분리된 수직편광과 상기 레이저다이오드로부터 인가되는 광을 합성하여 출력하는 제 2커플러 및,
    상기 제 2커플러로부터 인가되는 광의 편광상태에 따라 분리하여 출력하는 제 3편광다이버시티를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 광섬유 센서.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 위상다이버시티는 입력되는 광의 위상을 각각 0˚, 180˚로 분리하는 것을 특징으로 하는 광섬유 센서.
  4. 제 1항에 있어서,
    하나의 광원을 두 경로로 분리하여 센싱신호광과 국부발진광으로 이용하는 것을 특징으로 하는 광섬유센서.
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