KR100475579B1 - 광섬유 격자 레이저 센서 및 이를 이용한 측정 장치 - Google Patents

Abstract

이 발명에 따른 광섬유 격자 레이저 센서는 반사 파장이 서로 다른 광섬유 격자들과 이득 물질로 사용하는 반도체 광증폭기 및 이를 이용한 다중 파장 광섬유 레이저를 포함한다. 반도체 광증폭기의 비균질 특성으로 인해 광섬유 격자에서 반사되는 모든 파장에 대해 발진하는 레이저 모드가 생성된다. 센서 헤드인 광섬유 격자에 스트레인(또는 온도변화)이 가해지면 광섬유 격자에서 반사되는 빛의 파장이 달라지고 따라서 발진하는 레이저의 파장이 바뀌게 된다. 이와 같이 광섬유 격자에 가해지는 외부 효과에 따라 발진하는 레이저의 파장이 바뀌는 센서는 그 출력 파워가 단순히 광원의 일부를 반사하는 경우에 비해 월등히 커지게 되므로 센서의 신호 대 잡음비의 향상 효과를 얻을 수 있다.

Description

광섬유 격자 레이저 센서 및 이를 이용한 측정 장치{Fiber Bragg grating tuned fiber laser sensor and measuring devoce using the sensor}

이 발명은 반도체 광 증폭기를 사용하는 다중화 된 광섬유 격자 레이저 센서 및 이를 이용한 측정 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게 말하자면, 외부에서 인가되는 스트레인(또는 온도)에 따라 발진하는 레이저의 파장이 가변되는 다중화 된 광섬유 격자 레이저 센서 및 이를 이용한 스트레인 또는 온도 측정 장치에 관한 것이다.

광통신용 및 광섬유 센서용으로 널리 쓰이고 있는 광섬유 격자는 일반적으로 광섬유에 강한 자외선 레이저를 조사하여 발생되는 광섬유 코어 내에서의 굴절률 변화에 의해 만들어진다.

이 때, 발생되는 광섬유의 굴절률 변조 주기 등의 특성에 따라 단주기 광섬유 격자, 장주기 광섬유 격자 등으로 분류되고, 각기 특성에 따라 파장에 따른 반사 및 투과 필터 등으로 연구 및 사용되고 있다.

도 1에 자외선 레이저를 사용하여 단주기 광섬유 격자를 제조하는 과정이 도시되어 있다. 광섬유(1) 위에 위상 마스크(phase mask)(2)를 위치시킨 후에 여기에 자외선을 조사하며, 이에 따라 위상 마스크(2)에서 발생된 회절빔에 의하여 광섬유(1)의 코어에 간섭 무늬 즉, 격자가 형성된다.

이와 같이 제조된 단주기 광섬유 격자는 광섬유의 코어를 통해 진행하는 빛을 반사시킨다. 일반적으로 단주기 격자의 반사 대역은 0.5㎚ 이하이다.

이렇게 제작된 광섬유 격자는 특정 파장을 반사하고 외부의 스트레인 등에 의해 인장 또는 수축되어 반사 파장이 바뀌므로 센서로 응용될 수 있다. 그러나 광섬유 격자는 수동형 소자로서 입사되는 빛의 세기에 의해 반사되는 빛의 세기가 결정되므로 원거리 측정용 센서로 사용하기 위해서는 강력한 파워의 광대역 파장광원을 사용해야 하고 측정된 신호에서 잡음의 영향을 제거하기 위해 부가적인 잡음 제거 장치가 필요하다.

이런 문제점을 없애는 방법으로 광섬유 격자를 파장 반사 거울로 사용한 광섬유 격자 레이저 센서가 있다. 이 경우에 발진하는 레이저의 파장은 광섬유 격자의 반사 파장에 의해 결정된다. 예를 들어 광섬유 격자에 스트레인이 가해지면 격자의 반사 파장이 바뀌고 이는 발진하는 레이저의 파장에 변화를 준다.

기존에도 이와 같은 연구는 있었다. 그러나 기존의 광섬유 격자 레이저 센서는 어븀이 첨가된 광섬유 광 증폭기를 레이저의 이득 물질로 사용했기 때문에 여러 파장의 레이저를 동시에 만들지 못하였고, 따라서 센서의 다중화가 어려웠다 .이것은 이득 물질인 어븀의 균질적 브로드닝(homogeneous broadening) 특성에 의해 오직 하나의 파장에서만 레이저 발진이 가능하기 때문이다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 파장 가변형 투과 필터를 사용하여 발진하는 레이저파장을 반복적으로 스캐닝(scanning)하는 방법이 제시되었다. 그러나 이 경우에는 필터의 스캐닝 속도에 의해 센서의 측정 가능한 동적 스트레인의 주파수가 제한된다는 문제가 생긴다. 이 밖에도 어븀 물질이 초저온(77K)에서는 비균질 특성이 나타난다는 것을 이용하여 이득물질을 액체 질소로 냉각 시켜 다중 파장 레이저를 만드는 방법도 있으나 이를 실제로 적용하기는 불가능하다.

그러므로 이 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 수동형 광섬유 격자 센서에 비해 큰 신호대 잡음비를 제공하고자 하는데 있다.

또한 이 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 다중화가 용이한 광섬유 격자 레이저 센서를 제공하고자 하는데 있다.

또한, 이 발명이 이루고자 하는 또 다른 기술적 과제는 이러한 광섬유 격자 레이저 센서를 이용하여 외부로부터 인가되는 스트레인이나 온도 등을 측정하는 장치를 제공하고자 하는데 있다.

이러한 기술적 과제를 달성하기 위한 이 발명의 특징에 따른 광섬유 격자 레이저 센서는, 주기적인 격자가 형성되어 있는 다수의 반도체 광 증폭기를 이득물질로 하고 주기적인 격자가 형성되어 있는 광섬유를 반사 거울로 사용하는 광섬유 레이저를 포함한다.

삭제

상기 광섬유 레이저는 광섬유 격자의 파장 선택 특성을 이용한 어떤 형태의 레이저 구조일 수도 있다.

이러한 광섬유 격자 레이저는 상기 이득물질에서 광대역 파장 광을 상기 광섬유 격자로 보내고 광섬유 격자에서 반사된 빛을 다시 상기 레이저 시스템으로 전송하는 방향성 결합기를 포함할 수 있고, 레이저 출력의 일부를 상기 광 검출기로 전송하는 상기 비율조절 가능한 광파워 분배기 및 레이저의 발진 특성을 조절할 수 있는 편광 조절기를 포함할 수 있다.

이하, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 이 발명을 용이하게 실시할 수 있는 실시 예를 첨부된 도면을 참조로 하여 상세히 설명한다.

도 2에 이 발명의 실시 예에 따른 반도체 광 증폭기를 이득 물질로 하는 광섬유 격자 레이저 센서의 구조가 도시되어 있다.

첨부한 도 2에 도시되어 있듯이, 이 발명의 실시 예에 따른 광섬유 격자 레이저 센서는, 다수의 광섬유 격자(11)를 포함하는 광섬유 격자 센서부(10), 반도체 광 증폭기(20), 방향성 결합기(30), 비율 조절 가능한 광 파워 분배기(40), 단 방향 광 결합기(50), 편광 조절기(60)를 포함한다. 이외에도, 광섬유 격자 레이저 센서는 광 검출기(70)를 더 포함하여 외부로부터 인가되는 스트레인나 외부 온도(이들을 외부 요이라고 명할 수 있음) 등을 측정하는 장치로서 사용된다.

광섬유 격자 센서부(10)에는 광섬유의 길이 방향으로 격자가 형성되어 있으며 주기가 다른 적어도 2개 이상의 광섬유 격자(11)가 일렬로 연결되어 있다.

여기서 광섬유 격자(11)는 주기가 일정한 격자로 이루어지나 이에 한정되지는 않는다. 또한 광섬유 격자(11)는 파장 선택성을 갖는 어느 형태의 격자 구조도 가능하며 함께 연결된 다른 광섬유 격자(11)와는 다른 파장에 대한 선택성을 갖게 해야 한다.

이 발명의 실시 예에서는, 상기 광섬유 격자(11) 8개를 직렬로 연결하였고 레이저의 캐비티(cavity)는 시그마형을 띈다. 이 때 조절 가능한 광파워 분배기(40)와 편광 조절기(60)를 이용하여 발진하는 레이저의 출력 파워를 균일하게 맞춰줄 수 있다. 또한 단 방향 광 결합기(50)를 통해 레이저의 출력이 한쪽 방향으로만 진행하도록 한다.

광섬유 격자 센서부(10)에서 반사되어진 여러 파장의 빛은 반도체 광 증폭기를 거치면서 그 세기가 증가하여 다시 광섬유 격자로 전해진다. 이러한 과정이 반복적으로 일어나면서 광섬유 격자의 반사 파장에 맞는 레이저가 발진하게 된다. 이 때 반도체 광증폭기의 비균질 특성에 의해 반사되는 모든 파장의 빛이 발진하는 레이저 모드가 될 수 있다.

광섬유 격자(11)는 외부의 스트레인이 가해질 수 있도록 설치되어 있다. 따라서 외부에서 스트레인이 가해지면 광섬유 격자(11)가 늘어나거나 휘게 되어 광섬유 격자(11)의 반사 파장이 장파장 쪽으로 이동하게 된다.

그 결과 광섬유 격자의 반사 파장에 의해 결정되는 레이저의 발진 파장도 함께 이동한다.

그러므로 이 발명의 실시예에 따른 다중화 된 광섬유 격자 레이저 센서는 스트레인 등에 의한 광섬유 격자 반사 파장의 변화를 고 출력의 레이저 파장 변화로 바꿔주는 역할을 하게 된다. 이는 반도체 광 증폭기가 다중 파장 레이저 발진을 가능하게 해주고, 광섬유 격자의 반사 파장에 의해 발진하는 레이저의 파장이 결정되기 때문이다.

도 3에는 발명의 실시예로 구성된 광섬유 격자 레이저 센서의 파장 특성을 보여준다. 도 3에서 다중 파장 레이저의 높은 신호대 잡음비 특성을 볼 수 있다. 실시 예에서는 최소 45dB의 신호대 잡음비를 보여 주었다. 이 값은 반도체 광 증폭기(20)의 성능과 광섬유 격자(11)의 반사율 및 전체 시스템의 손실에 의해 바뀔 수 있는 값이다.

도 4는 발명의 실시예로 구성된 광섬유 격자 레이저 센서의 출력 파장 중 하나를 분리하여 시간 축에서의 특성을 살펴본 것이다. 도 4에 나타나듯이 출력이 안정되어 있고 연속파 레이저의 동작을 하고 있음을 확인할 수 있다.

이러한 구조로 이루어지는 광섬유 격자 레이저 센서를 이용한 스트레인 측정 장치에서, 광원인 반도체 광 증폭기(20)에서 나온 광대역 빛이 방향성 결합기(30)를 통해서 광섬유 격자 센서부(10)로 진행하고, 광섬유 격자 센서부(10)에서 반사된 다음에 다시 방향성 결합기(30)를 통해 비율 조절 가능한 광 파워 분배기(40)로 입력된다. 여기에서 빛의 일부는 광검출기(70)로 보내지고, 나머지는 단 방향 광 결합기(50) 및 편광 조절기(60)를 거쳐 다시 반도체 광 증폭기(20)로 입력된다. 광검출기에서는 검출되는 빛의 파장을 파장 분석기 등을 통해서 측정한다.

여기서, 사용된 광섬유 격자 센서부(10)는 8개의 서로 다른 반사 파장을 갖는 단주기 광섬유 격자(11)로 구성되어 있고 각각의 격자의 길이가 2.5 cm이고, 반사도는 99 %, 반사 파장은 중심이 S1=1534.44nm, S2=1543.68nm, S3=1546.32nm, S4= 1549.38nm, S5= 1552.56nm, S6= 1554.06nm, S7= 1556.28nm, S8=1558.92nm이고 반사 대역은 0.3㎚이하였다. 광섬유 격자(11)에 붙여진 번호(S1∼S8)는 지칭의 편의를 위하여 임의로 붙여진 것이다. 이러한 광섬유 격자(11)들을 센서부의 끝으로 갈수록 중심 파장이 장파장 쪽으로 오도록 배열하여 직렬로 연결하였다. 이는 단주기 광섬유 격자에서 발생하는 클래딩 모드 손실을 고려한 배치이다.

도 5에는 이 발명의 실시예에 따른 광섬유 격자 센서부(10)에 스트레인을 가했을 때의 레이저 파장의 변화 상태가 도시되어 있다. 스트레인은 S3 광섬유 격자(11)와 S6 광섬유 격자(11)에 가해졌다. 위에 기술한 바와 같이 스트레인을 가하면 광섬유 격자(11)의 반사 파장이 이동하게 되고 이로 인해 발진하는 레이저의 파장이 이동한다. 도 6은 이렇게 이동한 레이저의 파장을 가해진 스트레인에 대한 그래프로 나타낸 것이다. 도 6에 나타나듯이 레이저의 발진 파장은 가해진 스트레인에 대해 선형적으로 이동하며 이는 스트레인이 가해진 광섬유 격자(11)의 경우에만 해당한다. 또한 스트레인이 가해짐에 따라 광섬유 격자의 반사 파장이 서로 겹치거나 지나치는 경우도 생기는데 이 경우에도 레이저의 발진에는 영향이 없으므로 본 발명의 구조적인 스트레인 측정 한계는 없다고 하겠다.

도 7은 동적인 스트레인이 가해졌을 때의 측정 결과를 나타낸다. 도 5에 도시된 바와 같이 가해진 스트레인에 의해 레이저의 발진 파장이 바뀌고 스트레인이 가해진 레이저 파장에 대해서만 이 변화가 생기는 것을 확인할 수 있다.

도 8은 동적인 스트레인이 가해 졌을 때 스트레인을 받지 않는 다른 파장의 빛들을 분리하여 그 세기를 본 것이다. 도 8에서 삼각파는 광섬유 격자 S3에 동적 스트레인을 인가하는 PZT(piezoelectric transducer)의 구동 전압을 나타낸다. 분리된 빛은 광섬유 격자 S2, S4에 해당하는 파장이다. 도 8에서 발진하는 레이저 파장은 인접한 다른 광섬유 격자(11)에 가해진 스트레인에 의해 영향을 받지 않음을 확인 할 수 있다.

따라서 이 발명에 따른 광섬유 격자 레이저 센서는 반도체 광 증폭기의 비균질 특성을 이용하여 발진하는 레이저 모드의 수를 광섬유 격자(11)의 수 만큼 생성할 수 있는 다중화 된 센서로서 높은 신호대 잡음비를 제공하며 동적, 정적인 스트레인을 측정할 수 있다.

비록, 이 발명이 가장 실제적이며 바람직한 실시 예를 참조하여 설명되었지만, 이 발명은 상기 개시된 실시 예에 한정되지 않으며, 후술되는 특허 청구 범위 내에 속하는 다양한 변형 및 등가물들도 포함한다.

이상에서 기술된 이 발명의 실시예에 따라 반도체 광증폭기를 이득 물질로 하고 광섬유 격자를 파장 반사거울로 사용하는 광섬유 격자 레이저 센서를 통해 다중화가 가능하고 높은 신호대 잡음비를 제공하는 센서의 제작이 가능하다.

따라서 이 발명은 원거리 측정과 같이 손실 및 잡음에 의한 영향을 많이 받는 환경에 적용되는 센서로 이용이 가능하며 기존 방식에 비해 잡음 제거 과정과 같은 부수적인 작업이 없으므로 경제성도 높다고 하겠다.

도 1은 자외선 레이저를 사용한 광섬유 격자 제조 과정을 나타낸 단면도이다.

도 2는 이 발명의 실시 예에 따른 광섬유 격자 레이저 센서의 구성을 나타낸 도이다.

도 3은 도2에 제시된 장치에서 나오는 다중 파장 레이저 출력을 측정한 것이다.

도 4는 도3의 레이저 파장 성분 중 일부를 걸러 내어 그 세기를 측정한 것이다.

도 5는 도2에 제시된 장치의 센서부에 정적 스트레인을 가했을 때 레이저 출력 파장의 변화 상태를 나타낸 것이다.

도 6는 도2에 제시된 장치의 센서부에 가해진 정적 스트레인에 대한 레이저 출력 파장의 변화율을 나타낸 것이다.

도 7은 도2에 제시된 장치의 센서부에 동적인 스트레인을 가했을 때의 레이저 출력의 파장 변화를 나타낸 것이다.

도 8은 도 7의 실험에서 동적 스트레인이 가해지지 않은 센서부의 파장성분을 걸러내어 그 세기를 측정한 것이다.

Claims (3)

1. 광을 생성하는 반도체 광 증폭기; 및

   서로 다른 반사 파장을 가지며, 반사 파장에 해당하는 광은 통과시키고 상기 반사 파장 이외의 광은 투과시키는 주기적인 격자가 형성되어 있는 적어도 두개 이상의 광섬유 격자가 직렬로 형성되어 있으며, 상기 반도체 광 증폭기로부터 생성된 광이 상기 광섬유 격자에 의하여 반사되는 광섬유 격자 센서부

   를 포함하고, 상기 광섬유 격자 센서부에 의하여 반사된 다수 파장의 광이 반도체 광 증폭기로 다시 입사되어 증폭됨으로써, 상기 광섬유 격자의 반사 파장에 맞는 레이저가 발진되는 광섬유 격자 레이저 센서.
2. 광을 생성하는 반도체 광 증폭기; 및

   서로 다른 반사 파장을 가지며, 반사 파장에 해당하는 광은 통과시키고 상기 반사 파장 이외의 광은 투과시키는 주기적인 격자가 형성되어 있는 적어도 두개 이상의 광섬유 격자가 직렬로 형성되어 있으며, 상기 반도체 광 증폭기로부터 생성된 빛이 상기 광섬유 격자에 의하여 반사되는 광섬유 격자 센서부를 포함하고,

   상기 광섬유 격자 센서부에 의하여 반사된 다수 파장의 광이 반도체 광 증폭기로 다시 입사되어 증폭됨으로써 상기 광섬유 격자의 반사 파장에 맞는 레이저가 발진하며, 외부로부터 외부 요인이 인가되는 경우, 상기 외부 요인에 따라 상기 광섬유 격자의 반사 파장이 변화되어 상기 반도체 광 증폭기에 의하여 발진되는 상기 레이저의 파장이 가변되는 광섬유 격자 레이저 센서; 및

   상기 광섬유 격자 레이저 센서로부터 출력되는 광 신호를 파장 별로 검출하여, 상기 외부 요인에 의한 변화량을 측정하는 광 검출기

   를 포함하는 측정 장치.
3. 제2항에 있어서,

   상기 광섬유 격자 레이저 센서는

   입사되는 광을 설정 비율에 따라 분배하며, 상기 비율이 조절 가능한 광 파워 분배기;

   상기 광섬유 격자 센서부로부터 출력되는 광을 상기 광 파워 분배기로 입사시키는 방향성 결합기;

   상기 광 파워 분배기에서 출력되는 광의 편광을 조절하는 편광 조절기;

   상기 편광 조절기에서 출력되는 광을 상기 반도체 광 증폭기로 입사시키는 단방향 광 결합기

   를 더 포함하는 측정 장치.