KR100335005B1 - 광섬유주파수변환기및광간섭계와이를이용한광간섭신호생성방법 - Google Patents

광섬유주파수변환기및광간섭계와이를이용한광간섭신호생성방법 Download PDF

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Abstract

광섬유 주파수변환기 및 광 간섭계와 이를 이용한 광 간섭신호 생성방법에 대해 개시하고 있다. 광섬유 간섭계는 감도가 좋고 원격측정이 쉬우며 주위환경이 열악한 곳에서도 사용하기가 용이한 장점이 있지만 광섬유를 지나는 광의 편광이 주변환경과 광섬유의 설치상태에 따라 불규칙하게 변하기 때문에 편광에 의존하는 신호소멸이 발생한다. 기존의 광섬유 주파수변환기가 항상 하나의 주파수변환을 일으키던 것에 반해, 본 발명은 서로 수직인 두 고유편광성분 별로 동시에 각각 다른 광주파수를 갖도록 변환시킴으로써 광섬유 간섭계의 한쪽 광경로에 적용할 경우 다른 광경로를 지나온 광과 간섭하여 일반적으로 크기와 주파수가 다른 두 맥놀이 간섭신호를 얻는 것을 특징으로 한다. 이 두 맥놀이 간섭신호는 광섬유를 지나는 광의 편광이 변함에 따라 하나의 진폭이 작아지면 다른 하나의 진폭이 커지는 성질을 가지므로 둘 중에서 큰 신호를 선택하면 편광에 의한 신호소멸을 방지할 수 있다. 또한, 이 맥놀이신호들은 종래의 광섬유 간섭계의 출력에 비해 신호처리가 훨씬 용이한 장점을 가진다.

Description

광섬유 주파수변환기 및 광 간섭계와 이를 이용한 광 간섭신호 생성방법
본 발명은 광섬유 주파수변환기에 관한 것으로서, 특히 입사광의 두 고유 편광성분의 각각의 주파수가 서로 다른 값을 갖는 동시에 상기 입사광의 주파수와도 다른 값을 가지도록 변환시키는 광섬유 주파수변환기에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 광 간섭계에 관한 것으로서, 특히 상기 광섬유 주파수변환기를 광경로에 위치시킨 광 간섭계에 관한 것이다.
그리고, 본 발명은 광 간섭신호 생성방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 상기 광 간섭계를 이용하여 입력 편광상태에도 불구하고 양호한 센서신호를 얻을 수 있도록 하는 광 간섭신호 생성방법에 관한 것이기도 하다.
광섬유 간섭계 센서는 서로 다른 광경로를 진행한 두 광을 간섭시키고 그 간섭신호를 처리함으로써 센서로서의 역할을 하는 장치이다. 그러나, 광섬유 간섭계에서 서로 다른 광경로를 지나온 광들이 광섬유 고유의 복굴절(intrinsic birefringence) 또는 광섬유의 구부러짐이나 외부의 영향에 의해 유도된복굴절(induced birefringence)에 의해 서로 다른 편광변화를 겪기 때문에 광간섭 시에 신호의 크기가 일정하지 않고 시간에 따라 변화하게 된다. 이에 따라 간섭신호가 신호처리를 할 수 없을 정도로 작아지거나, 최악의 경우 간섭대상인 광들의 편광상태가 서로 수직이 되어 간섭신호가 완전히 소멸하는 경우도 발생한다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 종래기술에서는 광의 편광상태를 원하는 상태로 조절하는 방법을 채택하고 있는데, 몇 가지 예를 들면 아래와 같다.
[압착기를 이용한 편광조절방법]
광섬유의 측면을 압착하면 가압방향과 이에 수직한 방향의 굴절률이 바뀌면서 각각 서로 다른 굴절률값을 가지게 된다. 이러한 압착에 의한 방법으로 광섬유의 복굴절을 조절하여 적당한 편광변화를 유도하면 간섭신호를 크게 할 수 있다.
도 1은 편광을 조절하기 위한 압착기의 개략적 구성을 나타낸 단면도이다.
도 1을 참조하면, 광섬유(10)의 측면에 접촉된 두 개의 평행판(20)이 광섬유(10)를 누르고 있다. 이와 같이 광섬유(10)를 가압하면 가압방향과 이에 수직한 방향의 굴절률이 달라져서, 빠른 축(fast axis)과 늦은 축(slow axis)이 형성된다.
이러한 압착기(5) 세 개를 연속 배열하여 사용하되, 각각 가압축이 45°씩 어긋나게 한 상태에서 가압력을 조절하여 최적의 편광상태를 만들면 최대의 간섭이 일어나게 할 수 있다. 이러한 방법은 소규모의 실험수준에서는 별 문제가 없으나, 자동화하기가 어려울 뿐 아니라 하나의 광검출기를 공유하는 센서가 여러 개 있는 배열형 센서에서는 하나의 센서 당 세 개의 압착기를 각각 구동시켜야 하므로 장치가 복잡하다는 문제점이 있다.
[고리형 편광조절기를 이용한 편광조절방법]
도 2는 고리형 편광조절기(25)를 개략적으로 나타낸 사시도이다.
고리형 편광조절기(25)는 광섬유를 고리모양으로 구부릴 때 광섬유에 유도되는 복굴절을 이용한다. 이 때 복굴절축은 고리의 반경방향과 고리가 만드는 면에 수직한 방향으로 생긴다. 고리의 반경(R)을 적당하게 조절하면 하나의 고리는 1/4 파장판이 된다. 이러한 고리 두 개를 직렬로 배치하고, 직선형태 광섬유의 축을 중심으로 각 고리를 회전(T방향)시켜 각 고리면의 각도가 변화되도록 하면 임의의 편광상태를 구현할 수 있으므로 최대의 간섭이 일어나게 할 수 있다. 이 방법은 압착기에 의한 방법보다 사용하기에 더 편리하지만, 이것도 역시 자동화하기 어렵고 배열형 센서에는 적용하기 곤란하다는 단점이 있다.
[입력 편광 스캐닝에 의한 편광조절방법]
서로 다른 두 광경로를 지난 광들이 만나 간섭할 때의 간섭도(visibility)는 광섬유가 가진 복굴절뿐만 아니라 입사광의 편광상태에도 관련이 있다. 따라서, 입력 편광 스캐닝에 의한 편광조절방법에서는, 동시에 모두 다 간섭신호의 소멸이 일어나지 않는 세 가지 다른 편광상태를 시간에 따라 바꾸어 입사시키고 검출기에서 세 가지 신호를 분리시켜 그 중 가장 큰 신호를 선택한다. 이러한 조건을 만족하는 세 가지 편광상태는 이론적으로 포앵카레 구(Poincare Sphere) 상에 원점으로부터 서로 수직방향의 세 점이 나타내는 편광상태이다. 이 방법은 자동화하기 쉽고 배열형 센서에도 적용할 수 있으나, 세 가지 신호를 비교하여 하나의 큰 신호를 골라내므로 신호처리가 복잡해진다.
[편광 마스킹(masking)에 의한 편광조절방법]
두 광이 만나 간섭할 때 편광이 서로 수직이 되어 간섭이 일어나지 않더라도 간섭광과 일정한 각도를 가진 편광기를 통해 보면 간섭현상을 관측할 수 있다. 이 방법은 이러한 원리를 이용한다. 즉, 축이 60°씩 어긋난 세 개의 편광기에 간섭계의 출력광을 세 개로 나누어 각각 통과시킨 후 이것을 세 개의 광검출기로 받으면 최대 두 곳에서 신호소멸이 발생해도 나머지 한 곳에서는 간섭신호가 사라지지 않는다. 간섭계의 구성은 간단하나 세 가지 신호를 모두 받아 비교해야 하므로 많은 검출기가 필요하며 신호처리가 복잡하다는 단점이 있다.
[편광스위칭에 의한 편광조절방법]
편광스위칭 방법에서는 입력광을 펄스형태로 입사시킨다. 한 쪽 광경로를 지나는 광은 그대로 두지만 다른 쪽 광경로를 지나는 펄스는 편광스위치를 사용하여 하나 걸러 하나씩 편광면을 90°회전시킨다. 편광스위치에 의해 서로 수직인 편광상태로 진행한 두 펄스는 계속 서로 수직인 편광상태를 유지하므로 서로 간섭할 때 크기가 서로 보완적인 두 가지 간섭신호를 만든다. 즉, 하나가 커지면 다른 하나가 작아지고, 하나가 작아지면 다른 하나가 커진다. 그 중 큰 신호를 선택하게 되면 항상 일정 크기 이상의 간섭신호를 얻을 수 있다. 이 방법에서는 두 가지 신호를 비교하여 하나를 선택하므로 입력 편광 스캐닝이나 편광마스킹을 이용한 편광조절에 비해 간단한 신호처리회로를 사용할 수 있다는 장점을 가진다. 그러나, 이 방법은 시간축 상에서 빠른 속도로 동작하는 편광스위치를 사용해야 하므로 추가적인잡음이 발생할 수 있다는 문제점도 있다.
상기한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 기술적 과제는 광 간섭신호를 간단히 처리할 수 있도록 광의 고유 편광성분의 주파수를 변환시키는 광섬유 주파수변환기를 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 기술적 과제는 상기 광섬유 주파수변환기를 채용하여 편광변화에 따른 간섭 신호소멸을 방지할 수 있는 광 간섭계 및 이를 이용한 광 간섭신호 생성방법을 제공하는 데 있다.
도 1은 편광을 조절하기 위한 압착기의 개략적 구성을 나타낸 단면도,
도 2는 고리형 편광조절기를 개략적으로 나타낸 사시도,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 광섬유 주파수변환기의 개략적 구성도,
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 광섬유 주파수변환기와 더불어 광 간섭계에 사용되는 모드변환기를 개략적으로 나타낸 도면,
도 5는 본 발명의 광 간섭계의 적용례인 광섬유 마하젠더 간섭계의 구성도,
도 6은 도 5의 제1 광경로에 입사편광을 주파수 변환기의 한쪽 축에 맞추어 넣어 하나의 주파수변환만 일어나게 한 경우에 관찰한 맥놀이 간섭신호의 그래프,
도 7은 도 6의 조건에서 주파수변환과 동시에 한쪽 팔에 사인함수 형태로 10㎑, 진폭 π라디안의 위상변조를 행한 경우에 관찰한 맥놀이 간섭신호의 그래프,
도 8은 도 5의 제1 광경로에 두 고유편광이 발생하도록 광을 입사시키고 이들에 각각 다른 주파수변환을 일으킨 후 두 개의 맥놀이 간섭신호를 발생시킨 상태에서 광검출기의 출력을 고주파 스펙트럼분석기로 관찰한 결과그래프,
도 9a 및 도 9b는 도 8과 같은 조건에서 도 5의 고리형 편광조절기로 편광을 변화시켜 가면서 맥놀이 간섭신호를 관찰한 결과그래프들,
도 10a 및 도 10b는 각각 도 9a 및 도 9b의 조건에서 광 간섭계에 주파수 5㎑의 위상변조를 가한 후 두 개의 맥놀이 간섭신호를 발생시킨 상태에서 광검출기의 출력을 고주파 스펙트럼분석기로 관찰한 결과그래프들,
도 11은 600㎐, 변조진폭 1.6 라디안의 위상변조신호를 가하고 두 맥놀이신호 중 큰 것을 선택하여 신호처리한 결과그래프이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 광섬유 주파수변환기는, 광섬유를 지나는 광의 두 고유 편광성분의 주파수를 상기 광섬유 내에서 변환시키되, 상기 두 고유 편광성분의 각각의 주파수가 서로 다른 값을 갖는 동시에 상기 광의 주파수와도 다른 값을 가지도록 변환시키는 것을 특징으로 한다.
이 때, 상기 광섬유 주파수변환기는 타원형 코어광섬유 및 편광유지 광섬유 중에서 선택된 어느 하나로 만들어진 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 광 간섭계는, 서로 다른 광경로를 통과한 광들을 이용하여 간섭신호를 얻는 광 간섭계에 있어서, 광섬유를 지나는 광의 두 고유 편광성분의 주파수를 상기 광섬유 내에서 변환시키되, 상기 두 고유 편광성분의 각각의 주파수가 서로 다른 값을 갖는 동시에 상기 광의 주파수와도 다른 값을 가지도록 변환시키는 광섬유 주파수변환기를 상기 광경로에 위치시킨 것을 특징으로 하며, 이 경우에도 상기 광섬유 주파수변환기가 타원형 코어광섬유 및 편광유지 광섬유 중에서 선택된 어느 하나로 만들어진 것이 바람직하다.
한편, 본 발명의 광 간섭신호 생성방법은, 광섬유 간섭계에서 한 광경로를 거치는 빛의 두 고유 편광성분과 다른 광경로를 거친 빛이 모두 서로 다른 주파수를 가지도록 변환시키는 단계와; 상기 두 광경로를 거친 각각의 빛을 서로 간섭시켜 진폭이 서로 보완적으로 변하는 두 개의 맥놀이신호를 얻는 단계를 구비하는 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 설명한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 광섬유 주파수변환기의 개략적인 구성도이다. 도 3을 참조하면, 유리원추(30)에는 그 첨점부를 지나는 제1 관통공이, 납작한 원통형 압전소자(40)에는 제2 관통공이, 금속지지대(50)에는 제3 관통공이 각각 형성되어 있다. 제1, 제2 및 제3 관통공들이 서로 연통되도록 유리원추(30), 압전소자(40) 및 금속지지대(50)가 서로 접착되어 있어서, 이 관통공에 재킷이 제거된 타원코어 이중모드 광섬유(60)가 통과한다. 본 발명의 광섬유 주파수변환기에서는 타원코어 이중모드 광섬유 대신에 편광유지 광섬유를 사용할 수도 있다. 한편, 압전소자(40)의 일면은 유리원추(30)의 편평면에 접착되어 있고, 타면은 금속지지대(50)에 도전성 접착제에 의해 접착되어 있다. 유리원추(30)의 첨점부도 광섬유(60)에 접착되어 있다. 압전소자(40)의 양단에는 서로 다른 주파수(f1, f2)를 가진 교류전압을 인가할 수 있도록 교류전압원(70)이 연결되어 있다. 압전소자(40)의 양단에 교류전압을 인가하여 기계적 진동을 발생시키면 이 진동이 유리원추(30)의 첨점부를 통해 광섬유(60)에 전달되어 광섬유를 따라 미세한 구부러짐의 파동(W)이 전파된다. 이 파동의 파장이 이중모드 광섬유를 지날 수 있는 두 모드, 예컨대 LP1및 LP11모드의 맥놀이 길이(beat length)와 같을 때 한 모드로부터 다른 모드로 모드변환이 일어난다. 이러한 특정 주기의 미세한 구부러짐을 광섬유에 만들기 위해 이에 해당하는 특정 주파수의 교류전압으로 압전소자(40)를 구동시키게 되는데, 모드변환이 발생할 때 이 특정 주파수만큼 광섬유를 통과하는 광의 주파수가 동시에 바뀐다. 타원코어 이중모드 광섬유에서는 코어의 단축 편광성분과 장축 편광성분의 맥놀이 길이가 서로 약간 다르고, 편광유지 광섬유에서는 늦은 축 편광성분과 빠른 축 편광성분의 맥놀이 길이가 서로 약간 다르기 때문에, 편광성분별로 압전소자의 서로 다른 구동주파수에서 모드변환과 주파수변환이 일어난다. 도 4에 도시한 바와 같이, 서로 수직인 두 고유 편광성분이 모드변환을 일으키도록 하는 각각의 주파수를 갖는 교류전압을 동시에 압전소자에 인가하여 압전소자의 진동을 유발하면, LP01모드(주파수:f0)로 입사된 광의 각 편광성분은 LP11모드로 변환됨과 동시에 서로 다른 주파수(f0-f1및 f0-f2)를 가지도록 변환된다. 따라서, 본 발명의 광섬유 주파수변환기는, 광섬유를 지나는 광의 두 고유 편광성분의 주파수를 광섬유 내에서 변환시키되, 상기 두 고유 편광성분의 각각의 주파수가 서로 다른 값을 갖는 동시에 상기 광의 주파수와도 다른 값을 가지도록 변환시키기 때문에, 광간섭을 이용한 신호처리에 유용하게 사용될 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 광섬유 주파수변환기에 의해 LP11모드로 변환된 광이 단일모드 광섬유를 통과할 수 있도록 다시 LP1모드로 변환시키는 모드변환기를 나타낸 도면이다.
LP01모드와 LP11모드 간의 맥놀이 길이와 같은 주기의 요철이 형성된 가압판(100)으로 광섬유(110)의 측면을 눌러주면, 주파수 변환없이 모드간의 변환만이 발생하게 된다. 따라서, 도 3의 광섬유 주파수변환기에 의해 주파수가 각기 달리 변환된 두 고유 편광성분이 도 4의 모드변환기를 통과하면 모드변환만 일으키고 주파수 변환은 일으키지 않으므로 두 고유 편광성분이 서로 다른 주파수로 변환된 상태는 그대로 유지하게 된다.
도 5는 본 발명의 광 간섭계의 적용례인 광섬유 마하젠더 간섭계의 구성도이다. 도 5를 참조하면, 광원(200)으로부터 일정 편광상태로 입사된 광이 제1 방향성 결합기(210)에서 제1 광경로(220)와 제2 광경로(230)로 갈라져 각각 임의의 편광변화와 서로 다른 위상변화를 겪은 후 제2 방향성 결합기(240)에서 서로 만나 결합한다. 이 때, 제1 광경로(220)로 갈라진 광은 제1 방향성 결합기(210)를 지난 직후 타원코어 이중모드 광섬유 또는 이중모드 편광유지 광섬유로 만든 주파수변환기(250)와, 도 4에 도시한 바와 같은 모드변환기(260)를 차례로 지나게 된다. 한편, 본 발명의 광 간섭계의 필수구성부품은 아니나 그 작동을 확인하기 위해 제2 광경로(230)를 지나는 광의 편광을 조절하기 위해 고리형 편광조절기(270)가 설치되어 있으며, 간섭신호를 검출하기 위한 광검출기가 제2 방향성결합기(240)의 다음에 마련되어 있다.
이하, 본 광섬유 마하젠더 간섭계의 작동에 대해 설명한다. 우선, 광원(200)에서 주파수 f0인 선편광상태로 방출된 광이 기본모드인 LP1모드로 광섬유를 진행한 후, 주파수 변환기(250)를 이루는 타원코어 이중모드 광섬유의 타원형 코어의 장축에(또는 편광유지 광섬유의 경우, 그 복굴절 축에) 45°각도를 이루도록 입사한다. 이렇게 하면, 타원코어 이중모드 광섬유에 입사된 광은 같은 크기의 장축방향 편광성분과 단축방향 편광성분을 가진다. 이 두 편광성분이 주파수 변환기(250)를 지날 때, 도 3에 도시한 바와 같은 압전소자에 두 개의 특정 주파수, 예컨대 f1과 f2주파수의 교류 전기신호를 가하면 각 편광성분은 전부 모드 차수가 하나 높은 LP11모드로 바뀌면서 각각 f1과 f2만큼의 주파수변환을 일으킨다. 모드와 주파수가 변환된 광은 둘 다 모드변환기(260)를 거치면서 주파수 변환없이 다시 LP01모드로 바뀌고 서로 수직인 편광상태로 단일모드 광섬유를 통해 도파된 후 제2 광경로(230)를 지나온 광과 서로 만나 크기가 서로 보완적이며 주파수가 각각 f1과 f2인 맥놀이 간섭신호를 만든다.
따라서, 상기 광 간섭계의 중요한 특징은 광섬유 주파수변환기를 사용하여 광 간섭계의 제1 광경로(220)를 지나는 광의 주파수를 변환시키되 서로 수직인 두 고유 편광성분이 서로 다른 주파수 변환을 일으키도록 하는 것이다. 즉, 원래의 광 주파수에 대해 한 고유 편광성분은 f1만큼, 이에 수직한 다른 고유 편광성분은 f2만큼 주파수를 변환시킨다. 주파수가 변환된 각 편광성분은 광섬유를 진행하는 동안 임의의 편광변화를 겪지만 서로 수직인 편광상태는 계속 유지한다. 따라서, 제2 광경로(230)를 지나온 광과 결합하면, 진폭이 편광변화에 의해 시간에 따라 변하고 주파수가 각각 f1과 f2,의 두 맥놀이 간섭신호를 발생시킨다. 그런데, 이 맥놀이 간섭신호들은 같은 위상차에 대한 정보를 가지고 있을 뿐 아니라 C12+C22이 일정하므로, 임의의 편광변화가 있을 때 두 맥놀이 신호가 동시에 커지거나 작아지지 않고 하나가 작아지면 다른 하나는 커지는 특성이 있다. 그러므로, 둘 중에서 큰 신호를 선택하면 편광에 의한 신호소멸 없이 항상 일정 크기 이상의 간섭신호를 얻을 수 있다. 또한, 일반적인 광 간섭계에서는 두 광경로간의 위상차에 대해 비선형적인 출력이 나오므로 이것을 신호처리하여 원래의 위상차에 대한 정보를 얻기가 다소 어려운 반면, 상기한 바와 같은 주파수 변환방식에서는 간섭계 위상차가 일종의 반송파(carrier)인 맥놀이 신호의 위상과 같은 위상변조(Phase Modulation)신호이므로 기존의 위상변조 또는 주파수변조의 복조방식에 의해 간단히 간섭계에 생긴 위상차를 구할 수 있다.
도 6은 도 5의 제1 광경로에 입사편광을 주파수 변환기의 한쪽 축에 맞추어 넣어 하나의 주파수변환만 일어나게 한 경우에 관찰한 맥놀이 간섭신호의 그래프이다. 즉, 광섬유 마하젠더 간섭계의 한쪽 팔에서 주파수변환을 할 때 맥놀이 간섭신호가 발생하는 것을 보이기 위해, 타원코어 이중모드 광섬유의 하나의 복굴절축에 분기된 광의 편광면을 맞추어 입사시켜 하나의 주파수로만 변환이 일어나게 하고 오실로스코우프로 맥놀이 간섭신호를 관찰하였다. 이 경우, 압전소자의 구동주파수와 맥놀이 간섭신호의 주파수가 서로 일치하는 것을 확인할 수 있다.
도 7은 도 6의 조건에서 주파수변환과 동시에 한쪽 팔에 사인함수 형태로 10㎑, 진폭 π라디안의 위상변조를 행한 경우에 관찰한 맥놀이 간섭신호의 그래프이다. 도 7을 참조하면, 맥놀이 간섭신호가 하나의 반송파로서 이 반송파의 위상이 간섭계의 한쪽 팔에 가한 위상변조와 같은 모양으로 변조되는 것을 확인할 수 있다.
도 8은 도 5의 제1 광경로에 두 고유편광이 발생하도록 광을 입사시키고 이들에 각각 다른 주파수변환을 일으킨 후 두 개의 맥놀이 간섭신호를 발생시킨 상태에서 광검출기의 출력을 고주파 스펙트럼분석기로 관찰한 결과그래프이다. 도 8을 참조하면, 4.121㎒와 4.166㎒의 주파수에서 두 맥놀이 간섭신호에 해당하는 피크를 관찰할 수 있다.
도 9a 및 도 9b는 도 8과 같은 조건에서 도 5의 고리형 편광조절기로 제2 광경로를 지나는 광의 편광을 변화시켜 가면서 맥놀이 간섭신호를 관찰한 결과그래프이다. 도 9a 및 도 9b를 참조하면, 편광변화에 대해 두 맥놀이 간섭신호의 출력은 동시에 커지거나 작아지지 않고 서로 보완적인 관계에 있음을 알 수 있다.
도 10a 및 도 10b는 각각 도 9a 및 도 9b의 조건에서 광 간섭계에 주파수 5㎑의 위상변조를 가한 후 두 개의 맥놀이 간섭신호를 발생시킨 상태에서 광검출기의 출력을 고주파 스펙트럼분석기로 관찰한 결과그래프들이다. 도 10a 및 도 10b를 참조하면, 위상변조신호가 맥놀이신호의 측대역으로 나타났는데 그 크기는 맥놀이 신호의 크기에 비례하는 것을 알 수 있다.
도 11은 600㎐, 변조진폭 1.6 라디안의 위상변조신호를 가하고 두 맥놀이신호 중 큰 것을 선택하여 신호처리한 결과그래프이다. 즉, 600㎐, 변조진폭 1.6 라디안의 위상변조신호는 A이며 이를 편광변화에 무관하게 복조한 신호가 B이다. 도 11을 참조하면, 크기가 서로 보완적이며 주파수가 다른 두 맥놀이 간섭신호를 발생시키고 그 중에서 큰 것을 선택하는 방식에 의해 임의의 편광변화에도 불구하고 센서신호를 얻을 수 있다는 것을 알 수 있다.
본 발명에 의하면 광섬유 주파수변환기에서 광의 편광에 따라 각각 다른 주파수변환을 일으키도록 하였으며, 이를 광섬유 간섭계에 적용함으로써 편광변화에 의한 간섭신호소멸을 방지하면서 신호처리도 종래의 광섬유 간섭계에 비해 훨씬 간편한 광섬유 간섭계를 제공할 수 있다.

Claims (3)

  1. 광이 입,출력되는 일정 길이의 광섬유와;
    상기 광섬유에 미세한 구부러짐의 파동을 만들기 위한 진동 혹은 음파를 발생시키도록 상기 광섬유 외부에서 전기적으로 구동되는 압전소자와;
    상기 압전소자에 서로 다른 두 가지 주파수의 전기신호를 인가하여 각 전기 신호 주파수와 같은 두 가지 주파수의 진동 혹은 음파를 발생시키기 위한 교류전압원과 같은 전기신호 인가수단과;
    상기 발생된 진동 혹은 음파를 상기 광섬유에 전달하기 위해, 자신의 일단이 상기 압전소자에 접촉되고 자신의 타단이 상기 광섬유에 접촉된, 높은 경도를 갖는 유리원추와 같은 기계적인 전달부를 구비함으로써,
    상기 광섬유에 전달된 진동 혹은 음파에 의해 상기 광섬유를 따라 전파되는 미세굽힘을 만듦으로써 이 부분을 지나는 빛의 모드간 맥놀이 길이가 상기 미세굽힘의 주기와 같을 때 빛이 모드 및 광주파수변환을 일으키고 다시 공간적으로 고정된 상기 맥놀이 주기와 같은 주기의 미세굽힘을 지나게 함으로써 역모드변환을 일으켜 진동 혹은 음파발생부에 인가된 전기신호 주파수에 해당하는 크기만큼 빛의 주파수 변환을 일으키며,
    발생된 두 가지 주파수의 진동 또는 음파가 전파되어 빛의 모드 및 주파수변환이 일어나는 부분의 광섬유는 타원형코어광섬유 또는 편광유지광섬유와 같이 일반 통신용 광섬유에 비해 복굴절이 훨씬 크면서 복굴절축이 일정한 광섬유인 것을특징으로 하는 광섬유 주파수 변환기.
  2. 서로 다른 광경로를 통과한 광들을 이용하여 간섭신호를 얻는 광 간섭계에 있어서,
    제1항에 기재된 광섬유 주파수 변환기를 상기 광경로의 일부로서 채택한 것을 특징으로 하는 광 간섭계.
  3. 제3항에 기재된 광 간섭계를 이용하여 광 간섭신호를 생성하는 방법에 있어서,
    상기 광섬유 주파수 변환기가 설치된 광경로에 빛을 도입하여 상기 광섬유 주파수 변환기에 입사된 빛의 편광 성분 중 상기 복굴절이 큰 광섬유의 복굴절축에 평행한 편광 성분과 수직인 편광 성분에 각각 해당하는 모드간 맥놀이 길이를 만족하는 두 가지 주기의 미세굽힘을 만드는 주파수를 가지는 두 가지 전기신호를 상기 압전소자에 인가하여 상기 평행 편광 성분과 상기 수직인 편광 성분의 광주파수를 각각 해당하는 두 전기신호의 주파수만큼 다른 광주파수로 변화시키는 단계와;
    상기 광섬유 주파수 변환기가 설치되지 않은 광경로를 거친 빛과 상기 광섬유 주파수 변환기가 설치된 광경로를 거쳐 변환된 빛을 서로 간섭시켜 빛의 편광변화에 따라 진폭이 서로 보완적으로 변하는 두 개의 맥놀이신호를 얻는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 광 간섭신호 생성방법.
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JP54921299A JP2002511957A (ja) 1998-03-30 1999-03-30 光ファイバ周波数変換器及び光干渉計とこれを用いて2つの相補的な光干渉信号を生成する方法
EP99912134A EP0991925A1 (en) 1998-03-30 1999-03-30 Fiber-optic frequency shifter, optical interferometer and method of generating two complementary optical interference signals using the same
CN99800687A CN1120357C (zh) 1998-03-30 1999-03-30 光纤移频器、光干涉仪及采用光干涉仪产生两个互补的光干涉信号的方法
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101612258B1 (ko) 2014-07-07 2016-04-14 부경대학교 산학협력단 광섬유 진동 센서 및 이를 이용한 진동 측정방법

Families Citing this family (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2002061467A2 (en) * 2001-01-31 2002-08-08 Omniguide Communications Electromagnetic mode conversion in photonic crystal multimode waveguides
JP2005502903A (ja) * 2002-05-06 2005-01-27 エリクソン テレコムニカソンイス ソシエダット アノニマ 光ファイバーのブラッグ格子偏光器
US6850329B2 (en) * 2002-10-15 2005-02-01 Mitutoyo Corporation Interferometer using integrated imaging array and high-density polarizer array
WO2009133734A1 (ja) * 2008-05-02 2009-11-05 オリンパス株式会社 光学的検査装置、電磁波検出方法、電磁波検出装置、生態観察方法、顕微鏡、および、内視鏡並びに光断層画像生成装置
US8437427B2 (en) * 2009-09-29 2013-05-07 Integrated System Solution Corp. Arbitrary frequency shifter in communication systems
CN102095435A (zh) * 2010-09-02 2011-06-15 上海华魏光纤传感技术有限公司 一种双通道反馈环路光纤干涉仪
KR101845514B1 (ko) * 2010-12-17 2018-04-04 삼성전자주식회사 소형 광 변조기 및 이를 포함하는 광 송신기
CN105209943A (zh) * 2013-03-15 2015-12-30 波拉里斯传感器技术股份有限公司 长波红外成像偏振计和组装方法
CN104567959B (zh) * 2015-01-27 2017-01-11 中国人民解放军国防科学技术大学 基于双通道非平衡干涉仪的大动态干涉型光纤传感器
KR101882769B1 (ko) * 2016-08-04 2018-08-24 광주과학기술원 주파수 분할 다중화방식의 광단층 영상장치
US11747133B2 (en) 2020-04-28 2023-09-05 Board Of Trustees Of Michigan State University Demodulation of fiber optic interferometric sensors

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4915468A (en) 1987-02-20 1990-04-10 The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University Apparatus using two-mode optical waveguide with non-circular core
US5173743A (en) 1991-05-28 1992-12-22 Litton Systems, Inc. Fiber optical time-division-multiplexed unbalanced pulsed interferometer with polarization fading compensation
GB2257861A (en) * 1991-07-18 1993-01-20 Northern Telecom Ltd Polarisation state insensitive optical discriminator
US5619325A (en) * 1995-04-04 1997-04-08 Advantest Corporation Optical system for ellipsometry utilizing a circularly polarized probe beam

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101612258B1 (ko) 2014-07-07 2016-04-14 부경대학교 산학협력단 광섬유 진동 센서 및 이를 이용한 진동 측정방법

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Publication number Publication date
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