KR100362378B1 - 간섭계를 이용한 색분산 측정장치 및 방법 - Google Patents

간섭계를 이용한 색분산 측정장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 광섬유나 광소자의 색분산을 간섭계를 이용해 측정하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
이러한 간섭계를 이용한 색분산 측정장치는, 선폭이 넓은 광신호를 발사하는 광원과, 기준 경로를 통과한 광신호와 색분산을 측정할 광섬유를 통과한 광신호 사이의 간섭신호를 얻기 위한 간섭계, 상기 간섭신호를 전기적 신호로 변환하는 광검출기, 및 상기 간섭신호로부터 색분산을 계산하는 신호처리부를 포함하는 간섭계를 이용한 색분산 측정장치에 있어서. 상기 간섭계는, 상기 광원으로부터 발사된 광신호를 2개로 분기하는 광분배기와, 상기 분기된 광신호 중 하나의 광신호가 통과하는 측정할 광섬유, 상기 분기된 광신호 중 다른 하나의 광신호가 통과하여 기준 경로를 형성하는 기준 광섬유, 및 상기 기준 광섬유를 감으면서 형성되어 상기 기준 광섬유의 길이를 변화시키기 위한 PZT를 포함한다.

Description

간섭계를 이용한 색분산 측정장치 및 방법 { Apparatus and method for measuring chromatic dispersion based on interferometer }
본 발명은 광섬유나 광소자의 색분산을 간섭계를 이용해 측정하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
광섬유나 광소자의 색분산은 파장에 따라 상대적인 전파속도가 다르기 때문에 발생한다. 즉, 반도체 레이저와 같은 광원에 실린 광신호는 중심파장 이외에 여러 다른 파장 성분으로 이루어져 있다. 이와 같이 서로 다른 파장들의 광섬유를 통해 전송될 때 각 파장들의 전파속도가 다르기 때문에 색분산이 발생하는데, 이로 인해 신호가 왜곡되고, 광전송 시스템의 전송 성능이 열화된다. 따라서, 광전송 시스템의 설계에 있어서, 광전송 선로에서의 색분산을 정확하게 측정하고, 측정된 색분산을 적절하게 보상하는 것이 매우 중요하다.
광전송 선로의 색분산 특성을 측정하기 위한 다양한 측정방법들 중 한 가지가 도 2에 도시되어 있다. 즉, 도 2는 종래기술에 따른 간섭계를 이용한 색분산 측정장치의 구성도이다.
도 2를 참조하면, 이는 기존경로로 공기(air)를 이용한다. 이 색분산 측정장치는 선폭이 넓은 광신호를 발사하는 광원(210)과, 상기 광신호에 대해 기준 경로와 측정할 광섬유를 통과한 경로 사이의 간섭신호를 얻기 위한 간섭계(220), 상기 간섭신호를 전기적 신호로 변환하는 광 검출기(230), 및 간섭계(220)의 경로를 제어하고 수신된 간섭신호로부터 색분산을 계산하기 위한 신호처리부(240) 등으로 구성된다.
여기서, 간섭계(220)는 상기 광신호를 분기하는 광분배기(221)와, 상기 분기된 광신호 중 하나의 광신호의 편광을 조절하고 측정할 광섬유(224) 쪽으로 전달하는 편광조절기(222), 상기 분기된 광신호 중 다른 하나의 광신호의 공기에서의 광경로를 형성하기 위한 두 개의 렌즈(223), 상기 렌즈를 조절하여 공기에서의 광경로를 선형적으로 변화시키기 위한 모터(225), 그리고 측정할 광섬유(224)를 통과한 광신호와 두 개의 렌즈(223)를 통해 공기 경로를 통과한 광섬유를 결합하여 광 검출기(230)로 전달하는 광분배기(226)로 구성된다.
상기와 같이 구성된 종래의 간섭계를 이용한 색분산 측정장치의 측정원리는 다음과 같다. 선폭이 넓은 광원(210)의 출력인 광신호는 간섭계(220)의 광분배기(221)에서 두 개의 경로로 분리된다. 한쪽 경로는 편광조절기(222)와 측정할 광섬유(224)를 통과하고, 다른 쪽 경로는 기준 경로로서 두 개의 렌즈(223)와 두 렌즈 사이의 공기를 통과한다. 기준 경로는 두 개의 렌즈(223)와 RI(Refractive Index)를 미리 알고 있는 공기를 통과하기 때문에 하나의 렌즈를 모터에 의해 위치 조절하면 기준 경로의 길이를 선형적으로 변화시킬 수 있다.
신호처리부(240)는 시간축 상에서 주기적으로 샘플링된 간섭무늬를 얻는 장치이다. 신호처리부(240)는 모터(225)를 구동하여 공기로 이루어진 기준 경로의 길이를 선형적으로 변화시키면서 광검출기(230)를 통해 간섭 데이터를 수집한다. 간섭계(220)에서 기준 경로의 길이를 주기적으로 변화하면서 얻어진 간섭데이터는 간섭계를 통과하는 광신호의 퓨리에 변환된 동일한 형태이다. 따라서, 수집된 간섭데이터를 신호 처리부(240)에서 푸리에 변환과 미분 등의 과정을 거쳐 색분산을 얻을 수 있다.
이와 같이 공기를 기준 경로로 이용하는 색분산 측정장치는 다음과 같은 특징이 있다. 즉, 수 m 이내의 매우 짧은 길이의 광섬유에서 색분산 측정이 가능하고, 다른 방식들에 비해 비교적 비용이 적게 드는 장점을 갖는다. 그러나, 간섭계구성시 렌즈로 이루어지는 기준 경로는 미세한 진동에도 매우 민감하므로 진동을 제거하기 위해서는 광테이블과 같은 특수한 조건이 요구된다. 또한, 간섭계에서 기준 경로인 공기에서 광신호의 손실이 매우 크므로 측정할 광섬유의 길이가 제한되므로 오차 한계가 커지게 되는 문제점이 있었다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 광섬유의 종류와, 길이, 그리고 외부환경의 변화에 덜 민감하도록 간섭계를 구성하고, 이를 이용하여 광섬유의 색분산을 측정하는 장치 및 방법을 제공하기 위한 것이다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 간섭계를 이용한 색분산 측정장치의 구성도,
도 2는 종래기술에 의한 간섭계를 이용한 색분산 측정장치의 구성도,
도 3은 도 1에 도시된 간섭계에서 얻어지는 간섭무늬를 도시한 그래프도,
도 4는 도 1에 도시된 색분산 측정장치에서 복원된 스펙트럼을 도시한 그래프도,
도 5는 도 1에 도시된 색분산 측정장치에서 측정된 색분산을 도시한 그래프도이다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 간섭계를 이용한 색분산 측정장치는, 선폭이 넓은 광신호를 발사하는 광원과, 기준 경로를 통과한 광신호와 색분산을 측정할 광섬유를 통과한 광신호 사이의 간섭신호를 얻기 위한 간섭계, 상기 간섭신호를 전기적 신호로 변환하는 광검출기, 및 상기 간섭신호로부터 색분산을 계산하는 신호처리부를 포함하는 간섭계를 이용한 색분산 측정장치에 있어서. 상기 간섭계의 기준 경로는 분산값을 알고 있고, 길이 조정이 가능한 광섬유를 이용하는 것을 특징으로 한다.
양호하게는, 상기 간섭계는, 상기 광원으로부터 발사된 광신호를 2개로 분기하는 광분배기와, 상기 분기된 광신호 중 하나의 광신호가 통과하는 측정할 광섬유, 상기 분기된 광신호 중 다른 하나의 광신호가 통과하여 기준 경로를 형성하는 기준 광섬유, 및 상기 기준 광섬유를 감으면서 형성되어 상기 기준 광섬유의 길이를 변화시키기 위한 압전 변환수단을 포함하고, 이 압전 변환수단은 상기 기준 광섬유를 감으면서 형성된 PZT와, 상기 PZT에 구동하여 상기 기준 광섬유의 길이가 변화되도록 하는 삼각파 발생기를 포함한 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 간섭계를 이용한 색분산 측정방법은, 선폭이 넓은 광신호를 두 개의 경로로 분기하는 제 1 단계와, 상기 분기된 경로 중 한 쪽 경로는 색분산을 측정하고자 하는 광섬유를 통과시키고 다른 쪽 경로에는 길이가 선형적으로 변화하는 기준 광섬유를 통과시키며, 두 광섬유를 통과한 광신호를 서로 결합하여 간섭무늬를 얻는 제 2 단계, 및 상기 간섭신호로부터 상기 측정할 광섬유의 색분산을 계산하는 제 3 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
양호하게는, 상기 제 3 단계는, 상기 간섭신호를 주파수변환하여 광원의 스펙트럼을 복원하는 단계와, 복원된 광원의 스펙트럼의 위상성분으로부터 색분산을 계산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 한 실시예에 따른 "간섭계를 이용한 색분산 측정장치 및 방법"에 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.
본 발명에서는 분산값을 미리 알고 있는 광섬유를 기준 경로로 하는 간섭계를 이용한 색분산 측정장치를 고안한다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 간섭계를 이용한 색분산 측정장치를 도시한 구성도이다. 이는 선폭이 넓은 광신호를 발사하는 광원(110)과, 기준 경로를 통과한 광신호와 색분산을 측정할 광섬유를 통과한 광신호 사이의 간섭신호를 얻기 위한 간섭계(120), 상기 간섭신호를 전기적 신호로 변환하는 광검출기(130), 간섭계의 PZT를 제어하기 위해 삼각파를 발생하는 삼각파 발생기(150), 및 이 삼각파 발생기(150)를 제어하고 상기 간섭신호로부터 색분산을 계산하는 신호처리부(140)를 포함한다.
여기서, 간섭계(120)는 광원으로부터 발사된 광신호를 2개로 분기하는 광분배기(121)와, 분기된 광신호 중 하나의 광신호의 편광을 조절하는 편광조절기(122), 이 편광 조절된 광신호가 통과하는 측정할 광섬유(124), 분기된 광신호 중 다른 하나의 광신호가 통과하는 기준 광섬유(125), 이 기준 광섬유(125)를 감으면서 형성되어 상기 기준 광섬유(125)의 길이를 변화시키기 위한 PZT(123)와, 측정할 광섬유(124)를 통과한 광신호와 기준 광섬유(125) 및 PZT(123)을 통과한 광신호를 결합하여 두 경로를 각각 통과한 광신호의 간섭신호를 얻어 광검출기로 전달하는 광분배기(126)로 이루어진다. 이 PZT(123)는 삼각파 발생기(150)로부터 삼각파가 인가되면, 이 삼각파 전압에 의해 PZT(123)의 길이가 변화하며, 기준 광섬유(125)는 PZT(123)에 의해 감겨있기 때문에 PZT의 길이가 변화하면 그 길이도 함께 변화한다.여기서, PZT(PbZrTiO3)란 압전 세라믹 재료로서, 압전효과(Piezo-Electric Effect)를 발생하는 데 응용되는 재료이다. 수정이나 모셀염 등의 결정에 압력을 가하면 전압이 발생하는데, 이것을 압전 직접효과라고 한다. 이와 반대로 위의 결정에 전압을 가하면 결정체가 변형을 일으키는데 이러한 현상을 압전효과라 한다. PZT 세라믹은 티틴산납(PbTiO3)과 지르쿄산납(PbZrO3)을 일정한 비율로 섞은 것으로 사용용도에 따라 불순물을 첨가하여 여러가지 재료 물성을 갖는 압전 세라믹으로 사용되며, 마이크로 센서 등에 널리 응용된다.따라서, PZT(123)가 기준 광섬유(125)를 감고있는 경우, PZT(123)에 가해지는 전압에 따라 PZT(123)가 변형을 일으키고, 이에 따라 기준 광섬유(125)의 길이가 변화하게 된다. PZT(123)와 삼각파 발생기(150)가 압전 변환수단으로 동작하여, 기준 광섬유(125)의 길이를 변화시킨다.
상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 간섭계를 이용한 색분산 측정장치의 측정원리를 설명하면 다음과 같다.
선폭이 넓은 광원(110)의 출력인 광신호는 간섭계(120)의 광분배기(121)를 거쳐 두 개의 경로로 분리된다. 간섭계(120)의 한쪽 경로는 편광조절기(122)와 측정할 광섬유(124)를 통과하고, 다른 쪽 경로는 분산값을 미리 알고 있는 기준 광섬유(125)와 PZT(123)를 통과한다. 이 PZT(123)는 삼각파 발생기(150)에 의해 구동되어 길이가 선형적으로 증가하므로 기준 광섬유(125)의 전체 길이도 선형적으로 증가한다.
따라서, 신호 처리부(140)는 시간축 상에서 주기적으로 샘플링된 간섭무늬를 얻기 위해 삼각파 발생기(150)를 통해 PZT(123)를 구동하여, 기준 광섬유(125)의 길이를 선형적으로 변화시키면서 광검출기(130)를 통해 간섭신호를 수집한다.
도 3은 도 1에 도시된 간섭계에서 얻어지는 간섭무늬를 도시한 그래프도이다. 도 3의 (a)는 전체 간섭무늬이고, 도 3의 (b)는 일부 구간을 확대한 형태이다. 도 3에 도시된 바와 같이 기준 광섬유(125)의 길이가 선형적으로 변함에 따라 시간축 상에서 간섭된 광신호의 세기가 변하는 형태로 표현된다. 간섭계에서 기준 경로의 길이를 주기적으로 변화시킬 때 얻어지는 간섭신호는 측정할 광섬유를 통과하는 광신호의 퓨리에 변환된 형태와 동일하다. 따라서, 신호처리부(140)가 수집된 간섭신호를 푸리에 변환 및 미분 등의 과정을 수행하면, 상기 측정할 광섬유(124)의 색분산을 얻을 수 있다.
도 4는 도 3의 간섭무늬를 푸리에 변환하여 얻은 스펙트럼을 도시한 그래프도이고, 도 5는 도 4의 스펙트럼의 위상성분을 미분 등의 신호처리하여 얻어진 광섬유의 색분산 값을 도시한 그래프도이다.
위에서 양호한 실시예에 근거하여 이 발명을 설명하였지만, 이러한 실시예는 이 발명을 제한하려는 것이 아니라 예시하려는 것이다. 이 발명이 속하는 분야의 숙련자에게는 이 발명의 기술사상을 벗어남이 없이 위 실시예에 대한 다양한 변화나 변경 또는 조절이 가능함이 자명할 것이다. 그러므로, 이 발명의 보호범위는 첨부된 청구범위에 의해서만 한정될 것이며, 위와 같은 변화예나 변경예 또는 조절예를 모두 포함하는 것으로 해석되어야 할 것이다.
이상과 같이 본 발명에 의하면, 분산값을 알고있는 기준 경로의 길이를 변화시키면서, 측정할 광섬유를 통과한 광신호와 기준 경로를 통과한 광신호 사이의 간섭신호를 이용하여 색분산을 측정한다. 이는 공기를 기준 경로로 이용하는 방식에 비해 진동과 같은 외부 환경에 덜 민감하고, 보다 안정적으로 색분산을 측정할 수 있는 효과가 있다. 또한, 본 발명은 보다 긴 길이의 광섬유에 대한 색분산의 측정이 가능하므로 정밀도의 향상을 얻을 수 있는 효과가 있다.

Claims (5)

  1. 선폭이 넓은 광신호를 발사하는 광원과, 기준 경로를 통과한 광신호와 색분산을 측정할 광섬유를 통과한 광신호 사이의 간섭신호를 얻기 위한 간섭계, 상기 간섭신호를 전기적 신호로 변환하는 광검출기, 및 상기 간섭신호로부터 색분산을 계산하는 신호처리부를 포함하는 색분산 측정장치에 있어서.
    상기 간섭계는, 상기 광원으로부터 발사된 광신호를 2개로 분기하는 광분배기와,
    상기 분기된 광신호 중 하나의 광신호가 통과하는 측정할 광섬유,
    상기 분기된 광신호 중 다른 하나의 광신호가 통과하여 기준 경로를 형성하는 기준 광섬유,
    상기 기준 광섬유를 감으면서 형성되어 인가 전압에 따라 상기 기준 광섬유의 길이를 변화시키는 압전 변환수단, 및
    상기 측정할 광섬유와 기준 광섬유를 각각 통과한 광신호를 결합하여 간섭신호를 얻어 상기 광검출기로 전달하는 광분배기를 포함하는 것을 특징으로 하는 간섭계를 이용한 색분산 측정장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 압전 변환수단은, 상기 기준 광섬유를 감으면서 형성된 PZT와, 상기 PZT에 전압을 인가하여 상기 기준 광섬유의 길이가 변화되도록 하는 삼각파 발생기를 포함한 것을 특징으로 하는 간섭계를 이용한 색분산 측정장치.
  3. 선폭이 넓은 광신호를 두 개의 경로로 분기하는 제 1 단계와,
    상기 분기된 경로 중 한 쪽 경로는 색분산을 측정하고자 하는 광섬유를 통과시키고 다른 쪽 경로에는 길이가 변화하는 기준 광섬유를 통과시키며, 두 광섬유를 통과한 광신호를 서로 결합하여 간섭무늬를 얻는 제 2 단계, 및
    상기 간섭신호로부터 상기 측정할 광섬유의 색분산을 계산하는 제 3 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 간섭계를 이용한 색분산 측정방법.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 길이가 변화하는 기준 광섬유는 PZT에 의해 감기면서 형성되어 상기 PZT에 인가되는 전압에 따라 길이가 변화하는 것을 특징으로 하는 간섭계를 이용한 색분산 측정방법.
  5. 제 3 항에 있어서, 상기 제 3 단계는,
    상기 간섭신호를 주파수변환하여 광원의 스펙트럼을 복원하는 단계와,
    복원된 광원의 스펙트럼의 위상성분으로부터 색분산을 계산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 간섭계를 이용한 색분산 측정방법.
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