KR100429504B1 - Sensor using polarization maintaining fiber grating - Google Patents
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Abstract
본 발명은 광섬유 격자를 이용한 센서에 관한 것으로서, 소정의 광원에서 발생된 광신호를 편광유지 광섬유를 통해 진행시키고, 상기 편광유지 광섬유 상에 형성된 반사형 격자에 의해 반사되는 광신호를 분석하는 센서이다. 상기 편광유지 광섬유를 이용한 센서는 상기 반사형 격자가 온도, 압력 또는 스트레인 등의 물리량에 따라 반사시키는 광신호의 파장이나 파장의 세기가 달라지는 것을 이용한다. 상기와 같이 구성된 센서는 이는 향후 센서를 구성함에 있어 다양한 구성 및 응용을 가능하게 하며, 또한, 하나의 물리량 변화에 대하여 편광유지 광섬유에 입력되는 광신호의 특성에 따라 측정된 광신호들이 적어도 두 가지 이상 출력되므로, 출력된 광신호들을 상호 비교하여 분석하므로써 더 정확한 측정 값을 얻을 수 있게 되었다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a sensor using an optical fiber grating, wherein an optical signal generated from a predetermined light source is advanced through a polarization maintaining optical fiber, and an optical signal reflected by a reflective grating formed on the polarization maintaining optical fiber. . In the sensor using the polarization maintaining optical fiber, the wavelength of the optical signal or the intensity of the wavelength that the reflective grating reflects depends on the physical quantity such as temperature, pressure or strain. The sensor configured as described above enables various configurations and applications in constructing the sensor in the future, and at least two optical signals measured according to the characteristics of the optical signal input to the polarization maintaining optical fiber for one physical quantity change. As the abnormal output is performed, more accurate measurement values can be obtained by comparing the analyzed optical signals with each other.
Description
본 발명은 광섬유 센서에 관한 것으로서, 특히 광섬유 상에 형성된 격자를 이용하여 온도, 압력, 스트레인과 같은 물리량을 측정하는 센서에 관한 것이다.The present invention relates to an optical fiber sensor, and more particularly, to a sensor for measuring physical quantities such as temperature, pressure, and strain using a grating formed on an optical fiber.
일반적으로 압력, 온도, 스트레인 등의 물리량을 측정하는 센서는 측정하고자 하는 물리량에 의해 그 성질이 변하는 소자를 이용한다. 예를 들면, 온도 측정의 경우 열전대, 서미스터, 수은주 온도계 등을 사용하였으며, 압력 측정의 경우 압력에 의해 전기적 저항이 변화하는 압전 저항형 소자 또는 압력에 의해 전기장이 발생되는 압전 압력 센서 등을 사용하였다.In general, a sensor for measuring physical quantities such as pressure, temperature, strain, or the like uses an element whose properties change depending on the physical quantity to be measured. For example, thermocouples, thermistors, and mercury thermometers were used for temperature measurements, and piezo-resistive elements whose electrical resistance changes with pressure, or piezoelectric pressure sensors that generate electric fields due to pressure. .
그러나, 이러한 종래의 물리량 측정 센서는 측정하고자 하는 물리량에 관한 데이터가 전기적인 신호로 나타나기 때문에, 주위에 존재하는 전자기파의 영향을 받을 수밖에 없으며, 따라서 전자기파 잡음이 많은 지역에서는 사용이 어렵다. 한편, 이러한 문제점을 개선하기 위하여, 광섬유를 이용한 센서를 사용하여 왔지만, 그 응용방법은 다양하지 않았다.However, such a conventional physical quantity measurement sensor is because the data about the physical quantity to be measured is represented as an electrical signal, it is inevitable to be affected by the electromagnetic waves present in the surroundings, and therefore it is difficult to use in areas with a lot of electromagnetic noise. On the other hand, in order to improve such a problem, although a sensor using an optical fiber has been used, its application method has not been varied.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명의 목적은 주위에 존재하는 전자기파의 영향을 받지 않으면서, 여러 가지 응용이 가능한 광섬유 격자를 이용한 센서를 제공함에 있다.In order to solve the above problems, an object of the present invention is to provide a sensor using an optical fiber grating capable of various applications, without being affected by electromagnetic waves present in the surroundings.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 광섬유 격자를 이용한 센서에 있어서,In order to achieve the above object, the present invention provides a sensor using an optical fiber grating,
소정 파장의 광신호를 발생시키는 광원과; 상기 광신호의 전송 경로가 되며 복굴절률을 가지는 적어도 두 개 이상의 편광유지 광섬유와; 상기 편광유지 광섬유 상에 각각 형성되며, 상기 편광유지 광섬유 상에 가해지는 물리적 조건에 따라 서로 다른 특성의 반사 스펙트럼을 갖는 반사형 격자와; 상기 광원과 반사형 격자들 사이에 개재되며, 상기 광원으로부터 입력된 광신호는 상기 반사형 격자들로 분배하고, 반사형 격자들로부터 되반사된 광신호는 소정의 포트로 출력하는 광 간섭계와; 상기 광 간섭계로부터 출력되는 광신호를 전기 신호로 변환하여 출력하는 광전 변환부를 포함하는 편광유지 광섬유 격자를 이용한 센서를 개시한다.A light source for generating an optical signal having a predetermined wavelength; At least two polarization maintaining optical fibers which are a transmission path of the optical signal and have a birefringence; A reflective grating formed on each of the polarization maintaining optical fibers and having reflection spectra having different characteristics according to physical conditions applied to the polarization maintaining optical fibers; An optical interferometer interposed between the light source and the reflective gratings, the optical signal input from the light source is distributed to the reflective gratings, and the optical signal reflected back from the reflective gratings is output to a predetermined port; Disclosed is a sensor using a polarization maintaining optical fiber grating including a photoelectric conversion unit for converting and outputting an optical signal output from the optical interferometer to an electrical signal.
도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 편광유지 광섬유 격자를 이용한 센서를 나타내는 구성도,1 is a block diagram showing a sensor using a polarization maintaining optical fiber grating according to an embodiment of the present invention,
도 2a는 광대역 광신호가 입력되었을 시 편광유지 광섬유 격자의 반사특성을 나타내는 도면,Figure 2a is a view showing the reflection characteristics of the polarization maintaining optical fiber grating when a wideband optical signal is input,
도 2b는 단일 파장 광신호가 입력되었을 시 편광유지 광섬유 격자의 반사특성을 나타내는 도면,2b is a view showing reflection characteristics of a polarization maintaining optical fiber grating when a single wavelength optical signal is input;
도 3은 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따른 편광유지 광섬유 격자를 이용한 센서를 나타내는 구성도.Figure 3 is a block diagram showing a sensor using a polarization maintaining optical fiber grating according to another embodiment of the present invention.
<도면의 주요 부분에 대한 설명>Description of the main parts of the drawing
13a, 33a, 35a : 편광유지 광섬유 13b, 33b, 35b : 반사형 격자13a, 33a, 35a: polarization maintaining optical fiber 13b, 33b, 35b: reflective grating
15: 광 순환기 37 : 광 간섭계15: optical circulator 37: optical interferometer
17, 39 : 광전변환기17, 39: photoelectric converter
이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면다음과 같다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the following description of the present invention, if it is determined that the detailed description of the related known function or configuration may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention, the detailed description thereof will be omitted.
도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 편광유지 광섬유 격자를 이용한 센서(10)를 나타내는 구성도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 편광유지 광섬유 격자를 이용한 센서(10)는, 광원(11)과, 반사형 격자(13b)가 형성된 편광유지 광섬유(13a)와, 광순환기(15)와, 광전 변환기(17)를 포함한다.1 is a block diagram showing a sensor 10 using a polarization maintaining optical fiber grating according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the sensor 10 using the polarization maintaining optical fiber grating according to the preferred embodiment of the present invention includes a light source 11 and a polarization maintaining optical fiber 13a having a reflective grating 13b formed therein. And an optical circulator 15 and a photoelectric converter 17.
상기 광원(11)은 적용예에 따라 대역폭을 가지는 광신호를 발생하는 광원을 사용할 수 있으며, 또는 단파장의 광신호를 발생하는 광원을 사용할 수 있다.The light source 11 may use a light source for generating an optical signal having a bandwidth according to an application example, or may use a light source for generating an optical signal having a short wavelength.
상기 편광유지 광섬유(13a)는 상기 광원(11)에서 발생하는 광신호의 전송 경로가 되며, 소정 위치에 반사형 격자(13b)가 형성된다. 상기 편광유지 광섬유(13a)는 광섬유 단면의 형상 등에 변형을 가하여 광섬유 코어의 지름 방향에 따라 굴절율이 다르게 나타나고, 이때 상기 굴절율이 가장 크게 나타나는 축과 가장 작게 나타나는 축을 주축(principal axis)이라 칭하며, 일반적으로 편광유지 광섬유는 주축을 이루는 두 개의 축이 직각을 이루게 제조된다. 또한, 상기 편광유지 광섬유(13a) 상의 반사형 격자(13b)는 상기 편광유지 광섬유(13a)에 자외선을 조사하여 형성된다. 이때, 상기 편광유지 광섬유(13a)를 수소처리하거나, 또는 게르마늄(Ge) 등을 첨가하여 광민감성을 갖게 하므로써 자외선 조사의 효율을 높인다.The polarization maintaining optical fiber 13a serves as a transmission path of the optical signal generated from the light source 11, and a reflective grating 13b is formed at a predetermined position. The polarization-retaining optical fiber 13a is modified in the shape of the optical fiber cross section so that the refractive index is different depending on the diameter direction of the optical fiber core. In this case, the axis in which the refractive index is greatest and the axis in which the refractive index is small are called a principal axis. The polarization maintaining optical fiber is manufactured so that two axes constituting the main axis are perpendicular to each other. In addition, the reflective grating 13b on the polarization maintaining optical fiber 13a is formed by irradiating the polarization maintaining optical fiber 13a with ultraviolet rays. At this time, the polarization-maintaining optical fiber 13a is hydrotreated, or germanium (Ge) is added to increase photosensitivity, thereby increasing the efficiency of ultraviolet irradiation.
이때, 상기 편광유지 광섬유(13a)에 형성된 반사형 격자(13b)의 간격과 반사되는 광신호의 파장간의 관계는 하기 수학식 1과 같다.At this time, the relationship between the spacing of the reflective grating 13b formed in the polarization maintaining optical fiber 13a and the wavelength of the reflected optical signal is expressed by Equation 1 below.
상기 수학식 1에서, λ는 상기 반사형 격자(13b)에 의해 반사되는 광신호의 파장, neff는 광섬유의 유효 굴절율, Λ는 상기 반사형 격자(13b)의 주기를 의미한다. 상기 수학식 1에 의하면, 상기 반사형 격자(13b)에 의해 반사되는 광신호의 파장은 광섬유(13a)의 유효 굴절율과 반사형 격자(13b)의 간격에 따라 결정된다.In Equation 1, λ is the wavelength of the optical signal reflected by the reflective grating 13b, n eff is the effective refractive index of the optical fiber, Λ is the period of the reflective grating 13b. According to Equation 1, the wavelength of the optical signal reflected by the reflective grating 13b is determined according to the effective refractive index of the optical fiber 13a and the spacing of the reflective grating 13b.
상기 광 순환기(15)는 상기 광원(11)과 상기 편광유지 광섬유(13a)의 반사형 격자(13b) 사이에 설치되어, 상기 광원(11)에서 발생되는 광신호를 상기 반사형 격자(13b) 측으로 분배하고, 상기 반사형 격자(13b)에 의해 반사되는 광신호를 소정의 출력 포트(19)로 출력시킨다.The light circulator 15 is installed between the light source 11 and the reflective grating 13b of the polarization-maintaining optical fiber 13a, so that the optical signal generated by the light source 11 is reflected by the reflective grating 13b. The optical signal reflected by the reflective grating 13b is outputted to a predetermined output port 19.
상기 광 순환기(15)로부터 출력된 광신호는 소정의 광전변환기(17)를 통해 전기신호로 변환되어, 도시되지 않은 오실로스코프, 스펙트럼 분석기 등을 통해 해석되어 디스플레이된다.The optical signal output from the optical circulator 15 is converted into an electrical signal through a predetermined photoelectric converter 17, and is analyzed and displayed through an oscilloscope, a spectrum analyzer, or the like, which is not shown.
도 2a는 상기 광원으로부터 발생된 대역폭을 가지는 광신호가 상기 편광유지 광섬유 격자를 이용한 센서를 통해 출력된 것을 나타내는 도면이다. 도 2a에 도시된 바와 같이, 상기 편광유지 광섬유 격자에 입사되는 광신호가 대역폭을 가진 경우에는, 반사되는 광신호는 두 개의 피크(peak) 값을 형성하게 된다. 이때, 참조부호 21a로 표기된 곡선을 상기 편광유지 광섬유(13a)의 초기상태에서 출력되는 광신호를 나타내는 곡선이라면, 상기 편광유지 광섬유(13a)에 가해지는 온도, 압력, 스트레인과 같은 물리량의 변화에 따라, 참조부호 21b로 표기된 곡선과 같이 상기 두 개의 피크 값은 좌측 또는 우측으로 이동하게 된다. 상기 피크 값의 이동하는 정도에 따라 물리량의 상승 혹은 하강 정도를 수치화하여 측정할 수 있게 된다.2A is a diagram illustrating that an optical signal having a bandwidth generated from the light source is output through a sensor using the polarization maintaining optical fiber grating. As shown in FIG. 2A, when the optical signal incident on the polarization maintaining optical fiber grating has a bandwidth, the reflected optical signal forms two peak values. At this time, if the curve denoted by reference numeral 21a is a curve representing the optical signal output in the initial state of the polarization sustaining optical fiber 13a, the change in physical quantity such as temperature, pressure, and strain applied to the polarization sustaining optical fiber 13a Thus, as shown by the curve 21b, the two peak values are shifted to the left or to the right. According to the degree of movement of the peak value, the degree of rise or fall of the physical quantity can be numerically measured.
도 2b는 상기 광원(11)으로부터 발생된 단일 파장의 광신호가 상기 편광유지 광섬유 격자(13b)를 이용한 센서(10)를 통해 출력된 것을 나타내는 도면이다. 도 2b에 도시된 바와 같이, 상기 편광유지 광섬유 격자에 입사되는 광신호가 단일 파장의 광신호인 경우에는, 반사되는 광신호는 하나의 피크 값을 형성하며, 참조부호 23a를 초기 상태에서 상기 편광유지 광섬유(13a) 상의 반사형 격자(13b)에 의해 반사된 파장을 나타내는 곡선이라면, 물리량의 변화에 따라 상기 피크 값은 참조부호 23b의 곡선처럼 세기의 변화를 나타내게 된다. 이러한 편광유지 광섬유의 특성을 이용하여 상기 피크 값 세기의 변화에 따라 상기 편광유지 광섬유(13a)의 반사형 격자(13b)가 감지하는 물리량의 변화를 수치화하여 측정할 수 있게 된다.FIG. 2B is a diagram showing that a single wavelength optical signal generated from the light source 11 is output through the sensor 10 using the polarization maintaining optical fiber grating 13b. As shown in FIG. 2B, when the optical signal incident on the polarization maintaining optical fiber grating is an optical signal having a single wavelength, the reflected optical signal forms one peak value, and the polarization is maintained at 23a with an initial state. If it is a curve representing the wavelength reflected by the reflective grating 13b on the optical fiber 13a, the peak value shows a change in intensity as the curve 23b according to the change in the physical quantity. By using the characteristics of the polarization maintaining optical fiber, it is possible to quantify and measure the change in physical quantity detected by the reflective grating 13b of the polarization maintaining optical fiber 13a according to the change of the peak value intensity.
상기와 같은 편광유지 광섬유를 이용한 센서는 특히, 광섬유의 굴절율이 온도에 따라 변화하는 특성을 이용한 것으로서, 온도 측정에 유용하게 사용될 수 있다.The sensor using the polarization maintaining optical fiber as described above, in particular, using the property that the refractive index of the optical fiber changes with temperature, can be usefully used for temperature measurement.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 편광유지 광섬유 격자(33b, 35b)를 이용한 센서(30)를 나타내는 구성도이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 편광유지 광섬유 격자(33b, 35b)를 이용한 센서(30)는 광원(31)과, 반사형 격자(33b, 35b)가 형성된 적어도 두 개 이상의 편광유지 광섬유(33a, 35b)와, 광 간섭계(37)와, 광전변환기(39)를 포함한다.3 is a block diagram showing a sensor 30 using polarization maintaining optical fiber gratings 33b and 35b according to another embodiment of the present invention. As shown in FIG. 3, the sensor 30 using the polarization maintaining optical fiber gratings 33b and 35b according to another embodiment of the present invention includes at least two light sources 31 and at least two reflective gratings 33b and 35b. At least one polarization maintaining optical fiber 33a, 35b, an optical interferometer 37, and a photoelectric converter 39 are included.
본 실시예는 선행 실시예와 동일한 구성이나, 편광유지 광섬유(33a, 35a)를 두 개이상 구비하며, 상기 광원(31)으로부터 입력되는 광신호를 상기 두 개의 편광유지 광섬유(33a, 35a)에 각각 분배하고 상기 편광유지 광섬유(33a, 35a)의 반사형 격자(33b, 35b)에 의해 각각 반사된 광신호를 소정의 포트(39b)를 통해 출력하는 광 간섭계(37)로 구성되는 것이 다르다.This embodiment has the same configuration as the previous embodiment, but includes two or more polarization maintaining optical fibers 33a and 35a, and transmits an optical signal input from the light source 31 to the two polarization maintaining optical fibers 33a and 35a. It is different from the optical interferometer 37 which distributes, respectively, and outputs the optical signals reflected by the reflective gratings 33b and 35b of the polarization maintaining optical fibers 33a and 35a through the predetermined port 39b.
본 실시예에 개시되는 편광유지 광섬유 격자(33b, 35b)를 이용한 센서(30)는, 상기 센서(30)에 가해지는 물리량이 복합적으로 가해질 때, 즉, 온도와 스트레인, 온도와 압력 등과 같이 두 가지 이상의 물리량이 가해질 때, 특정 물리량의 변화를 측정하고자 하는 경우에 유용하다.The sensor 30 using the polarization-maintaining optical fiber gratings 33b and 35b disclosed in the present embodiment is characterized in that when the physical quantities applied to the sensor 30 are applied in combination, that is, temperature and strain, temperature and pressure, etc. It is useful when you want to measure the change of a specific physical quantity when more than two physical quantities are applied.
편의상 상기 편광유지 광섬유에 형성된 반사형 격자(33b, 35b)를 제1 반사형 격자(33b)와 제2 반사형 격자(35b)로 분류하여 설명하기로 한다.For convenience, the reflective gratings 33b and 35b formed on the polarization maintaining optical fiber will be classified into a first reflective grating 33b and a second reflective grating 35b.
특정 물리량을 측정하고자 하는데, 광섬유에 가해지는 물리량이 복합적일 경우, 예를 들어, 온도와 스트레인이 동시에 가해질 경우, 제1 반사형 격자(33b)는 온도만 가해지도록 하고, 제2 반사형 격자(35b)는 온도와 스트레인이 동시에 가해지도록 하여 설치한 후, 측정을 실시하게 되면, 제1 반사형 격자(33b)는 온도에 의해 변화된 광신호 파장이 출력되며, 제2 반사형 격자(33b)는 온도와 스트레인에 의해 변화된 광신호 파장이 출력된다. 이를 상기 광 간섭계(37)를 이용하여, 제2 반사형 격자(35b)로부터 반사된 광신호 파장에서 온도의 영향에 의한 변화를 제1 반사형 격자(33b)로부터 반사된 광신호 파장을 이용하여 상쇄시키게 된다. 이는 헤테로다인 간섭계의 역다중화 신호 처리(demuxing signal processing) 과정을 통해 이루어진다. 따라서, 상기 광 간섭계(37)를 통해 출력되는 광신호는 스트레인에 의한 변화량만을 반영하게 되며, 광전변환기(39a)를 거쳐 전기신호로 변환된 후 오실로스코프 또는 스펙트럼 분석기 등을 통해 해석되어 디스플레이된다.When a specific physical quantity is to be measured and the physical quantities applied to the optical fiber are complex, for example, when the temperature and the strain are applied simultaneously, the first reflective grating 33b allows only the temperature to be applied and the second reflective grating ( 35b) is installed so that the temperature and strain are applied simultaneously, and when the measurement is performed, the first reflective grating 33b outputs an optical signal wavelength changed by temperature, and the second reflective grating 33b is The optical signal wavelength changed by temperature and strain is output. By using the optical interferometer 37, the change caused by the influence of the temperature in the optical signal wavelength reflected from the second reflective grating 35b by using the optical signal wavelength reflected from the first reflective grating 33b Offset. This is accomplished through a process of demultiplexing signal processing of a heterodyne interferometer. Accordingly, the optical signal output through the optical interferometer 37 reflects only the amount of change due to strain, and is converted into an electrical signal through the photoelectric converter 39a and then analyzed and displayed through an oscilloscope or spectrum analyzer.
이상 두 가지 실시예에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따른 편광유지 광섬유 격자를 이용한 센서는 측정하고자 하는 물리량의 변화에 따라 편광유지 광섬유의 편광특성이 달라지는 점을 이용한 센서이다.As described in the above two embodiments, the sensor using the polarization maintaining optical fiber grating according to the present invention is a sensor using the polarization characteristics of the polarization maintaining optical fiber according to the change in the physical quantity to be measured.
한편, 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해서 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도내에서 여러가지 변형이 가능함은 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명하다 할 것이다.On the other hand, in the detailed description of the present invention has been described with respect to specific embodiments, it will be apparent to those skilled in the art that various modifications are possible without departing from the scope of the present invention.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 편광유지 광섬유 격자를 이용한 센서는 편광유지 광섬유의 편광특성과, 외부에서 가해지는 물리량에 따라 상기 편광특성이 변화하는 성질을 이용하여, 센서를 구성한 것이다. 이는 향후 센서를 구성함에 있어 다양한 구성 및 응용을 가능하게 하며, 또한, 하나의 물리량 변화에 대하여 편광유지 광섬유에 입력되는 광신호의 특성에 따라 다른 방향에서 측정된 광신호들이 출력되므로, 출력된 광신호들을 상호 비교하여 분석하므로써 더 정확한 측정 값을 얻을 수 있게 되었다.As described above, the sensor using the polarization-maintaining optical fiber grating according to the present invention configures the sensor by using the polarization characteristics of the polarization-maintaining optical fiber and the property of changing the polarization characteristics according to the physical quantity applied from the outside. This enables various configurations and applications in constructing the sensor in the future, and also outputs optical signals measured in different directions depending on the characteristics of the optical signal input to the polarization maintaining optical fiber for one physical quantity change. By comparing and analyzing the signals, more accurate measurements can be obtained.
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