KR100483147B1 - 광섬유 길이 측정시스템 및 측정방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 광섬유를 통과한 광과 기준광을 구분하여 검출하여 잡음이 적고 보다 효과적으로 광섬유의 길이를 측정할 수 있는 광섬유 길이 측정시스템 및 그 방법에 관한 것이다.

본 발명에 따른 광섬유 길이 측정시스템은 일정 주기의 펄스를 발생시키는 펄스 발생기; 펄스 발생기의 제어에 따라 펄스형 레이저 광을 방출하는 레이저 광원; 레이저 광원에서 방출된 빛을 분할하고, 분할된 각각의 빛을 기준경로와 측정경로로 전달하는 광결합기; 상기 주기를 갖고 기준경로로 전달된 펄스형 빛을 검출하여 전기적인 기준신호로 변환시키는 제1 광검출기; 측정경로로 전달된 빛이 광섬유의 일단으로 입력되어 광섬유를 따라 진행된 후, 상기 기준경로보다 시간지연된 형태로 광섬유의 타단으로 출력되는 것을 검출하여 전기적인 측정신호로 변환시키는 제2 광검출기; 제2 광검출기로부터의 측정신호를 증폭시키는 증폭기; 및 기준신호와 증폭된 측정신호를 비교하여 지연시간을 계산하고, 지연시간으로부터 상기 측정경로를 따라 빛이 진행한 거리를 분석하여 광섬유의 길이를 측정하는 분석기를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

Description

광섬유 길이 측정시스템 및 측정방법{SYSTEM AND METHOD FOR MEASURING LENGTH OF OPTICAL FIBER}

본 발명은 광섬유의 길이를 측정하기 위한 측정시스템 및 그 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 시험 광섬유를 통과한 광과 기준광을 구분하여 검출함에 따라 잡음이 적고 보다 효과적으로 광섬유의 길이를 측정할 수 있는 광섬유 길이 측정시스템 및 그 방법에 관한 것이다.

광섬유는 광통신, 광 계측 등에 널리 사용되고 있으며, 이를 산업 현장에서 사용하기 위해서는 그 길이를 정확하게 측정하여야 한다. 그러나, 장거리 통신에 사용되는 광섬유는 그 길이가 수 킬로미터 이상으로 길기 때문에, 정확하게 측정하는 것에 큰 어려움이 있다.

이를 위하여 종래에는 도 2에 도시된 바와 같은 시스템을 사용하여 왔다. 종래의 시스템(100)은 주파수가 가변될 수 있는 펄스 발생기(110)에서 발생된 펄스의 제어에 따라 일정 파장의 레이저 광을 주기적(T)으로 조사하는 레이저 광원(120), 레이저 광을 1:2로 분기시키는 1×2 커플러(130), 분기된 광의 일부(B)를 시험용 광섬유(150) 다발로 전송하는 커넥터(140b), 분기된 광의 다른 일부(A)와 시험용 광섬유 다발을 통과한 빛을 커넥터(140a, 140c)를 통해 하나로 모으는 1×2 커플러(160), 1×2 커플러(160)로 모여진 빛을 검출하는 광검출기(170), 광검출기에서 검출된 빛을 분석하여 시험용 광섬유를 통과한 빛의 시간지연을 계산하는 분석기(180)로 구성된다.

시험용 광섬유를 통과한 빛(B)은 분기된 후 곧 바로 광검출기로 향한 빛(A)에 비해 시험용 광섬유의 길이 만큼의 거리(L)를 더 통과하므로, 도달 시간에 지연이 발생한다. 지연시간(△t)에 따른 거리(L)는 c△t/n(λ)이다. 여기서, c는 빛의 속도, n(λ)은 빛이 통과하는 광섬유의 굴절율, λ는 빛의 파장이다. 따라서, 광검출기에서 검출된 빛으로부터 시연시간을 계산하면, 굴절율이 알려진 광섬유의 길이를 정확하게 측정할 수 있는 것이다.

그러나, 전술한 종래의 방법에 의하면, 길이가 무한히 긴 광섬유를 통과한 빛(B)이 광섬유 자체 특성에 따른 광 손실이 발생하여 검출기로 검출되는 빛의 세기가 상당히 작아지기 때문에, 분기된 후 곧 바로 광검출기로 향한 빛(A)과 구별하기 어려운 문제가 있다. 더욱이, 종래의 방법에서 간섭성(coherent) 레이저 광을 이용할 경우, 경로차 즉, 위상차에 따른 간섭 현상에 의해 광섬유를 통과한 빛을 검출할 수 없을 정도로 잡음이 발생하게 된다. 즉, 도 2에서와 같이 분석기로 입력되는 신호에서 각각 다른 경로를 진행한 빛들을 구별하기 어렵게 된다.

따라서, 본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해소하기 위해 안출된 것으로, 그 목적은 길이가 무한히 긴 광섬유의 길이를 잡음 없이 정확하게 측정할 수 있는 광섬유 길이 측정시스템 및 그 방법을 제공하기 위한 것이다.

상기와 같은 목적을 이루기 위한 본 발명에 따른 광섬유 길이 측정시스템은 광섬유의 길이를 측정하기 위한 광섬유 길이 측정시스템에 있어서, 펄스를 발생시키는 펄스 발생기; 상기 펄스 발생기의 제어하는 것에 따라, 가변 펄스 주기를 갖는 펄스형 레이저 광을 방출하는 레이저 광원; 상기 레이저 광원에서 방출된 빛을 분할하고, 분할된 각각의 빛을 기준경로와 측정경로로 전달하는 광결합기; 상기 주기를 갖고 상기 기준경로로 전달된 펄스형 빛을 검출하여 전기적인 기준신호로 변환시키는 제1 광검출기; 상기 측정경로로 전달된 빛이 상기 광섬유의 일단으로 입력되어 광섬유를 따라 진행된 후, 상기 기준경로보다 시간지연된 형태로 광섬유의 타단으로 출력되는 것을 검출하여 전기적인 측정신호로 변환시키는 제2 광검출기; 상기 제2 광검출기로부터의 측정신호를 증폭시키는 증폭기; 및 상기 기준신호와 상기 증폭된 측정신호를 비교하여 지연시간을 계산하고, 지연시간으로부터 상기 측정경로를 따라 빛이 진행한 거리를 분석하여 상기 광섬유의 길이를 측정하는 분석기를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 광결합기는 레이저 광원의 빛을 일정 비율의 세기로 분할하고, 측정경로로 입사되는 빛의 세기를 기준경로로 입사되는 빛의 세기보다 강하게 되도록 한다. 또한, 상기 레이저 광은 상기 측정신호의 레이저 파장 의존성을 측정하기 위하여 레이저 광의 파장을 변화시킬 수 있는 간섭성 레이저 광을 사용한다.

또한, 본 발명에 따른 광섬유 길이 측정방법은, 광섬유의 길이를 측정하기 위한 광섬유 길이 측정방법에 있어서, 펄스형 레이저 광을 방출하는 광 방출단계; 상기 방출된 광을 분할하고, 분할된 각각의 빛을 기준경로와 측정경로로 전달하는 광 분할단계; 상기 기준경로로 전달된 빛을 제1검출기에서 검출하여 전기적인 기준신호로 변환시키고, 상기 측정경로로 전달된 빛을 광섬유의 일단으로 입력시켜, 입력된 빛이 광섬유를 따라 진행된 후 상기 기준경로보다 시간지연된 형태로 광섬유의 타단으로 출력되는 것을 제2검출기에서 검출하여 전기적인 측정신호로 변환시키는 광검출단계; 상기 제2검출기로부터의 측정신호를 증폭시키는 광증폭단계; 및 상기 기준신호와 상기 증폭된 측정신호를 비교하여 지연시간을 계산하고, 지연시간으로부터 상기 측정경로를 따라 빛이 진행한 거리를 분석하여 상기 광섬유의 길이를 측정하는 거리측정단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 측정신호가 상기 기준신호에 비해 펄스 주기(T) 만큼 시간지연되도록 레이저 광의 펄스 주기를 변화시킨다. 또한, 상기 측정신호의 레이저 파장 의존성을 측정하기 위하여 레이저 광의 파장을 변화시킬 수 있는 간섭성 레이저 광을 사용한다.

상술한 본 발명의 양상은 첨부된 도면을 참조하여 설명되는 바람직한 실시예들을 통하여 더욱 명백해질 것이다. 이하에서는 바람직한 실시예를 통해 당업자가 본 발명을 용이하게 이해하고 재현할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명에 따른 광섬유 길이 측정시스템(10)을 도시한 것이다. 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 광섬유 길이 측정시스템(10)은 일정 주기(T)의 펄스를 발생시키는 펄스 발생기(11); 펄스 발생기의 제어에 따라 펄스형 레이저 광을 방출하는 레이저 광원(12); 레이저 광원에서 방출된 빛을 분할하고, 분할된 각각의 빛을 기준경로와 측정경로로 전달하는 광결합기(13); 상기 일정 주기(T)를 갖고 상기 기준경로(A)로 전달된 펄스형 빛을 검출하여 전기적인 기준신호로 변환시키는 제1 광검출기(16a); 측정경로(B)로 전달된 빛이 광섬유의 커넥터(14a)로 입력되어 광섬유 다발(15)을 따라 진행된 후, 상기 기준경로보다 △t 만큼 시간 지연된 형태로 광섬유의 커넥터(14b)로 출력되는 것을 검출하여 전기적인 측정신호로 변환시키는 제2 광검출기(16b); 제2 광검출기로부터의 측정신호를 증폭시키는 증폭기(17); 및 기준신호와 증폭된 측정신호를 비교하여 지연시간을 계산하고, 지연시간으로부터 측정경로를 따라 빛이 진행한 거리를 분석하여 광섬유의 길이를 측정하는 분석기(18)로 구성된다.

레이저 광원(12)은 파장(λ)을 조절할 수 있는 가변 파장의 레이저 광원으로서, 파장에 따른 시간 지연의 변화를 측정하기 위하여 레이저 광원의 파장을 가변하게 된다.

광결합기(13)는 통상의 1×2 커플러(coupler)로, 레이저 광원으로부터의 빛을 일정 비율의 세기로 분할한다. 분할된 빛의 일부는 기준경로(A) 즉, 분할된 후 곧 바로 제1광검출기(16a)로 입사된다. 분할된 빛의 다른 일부는 측정경로(B)로 입사되는 데, 커넥터(14a)를 통해 시험용 광섬유 다발(15)로 전달된다. 광섬유 다발을 통과한 빛은 케넥터(14b)를 통해 제2광검출기(16b)로 입사된다. 광결합기(13)는 필요에 따라서는 측정경로로 입사되는 빛의 세기를 기준경로로 입사되는 빛의 세기보다 강하게 되도록 한다. 이것은 광섬유를 통과한 빛이 광섬유 자체의 손실에 의해 그 세기가 약해지는 젓을 보상하기 위한 것이다.

측정경로(B)를 통과한 빛은 장거리의 광섬유를 경유한 후 제2광검출기에 입사되기 때문에, 기준경로(A)를 통한 빛에 비해 그 경유거리 만큼 늦게 제2광검출기에 도달하게 된다. 즉, 기준경로(A)로 입사된 빛은 원래의 주기(T) 마다 한번씩 제1광검출기에 검출되지만, 측정경로(B)로 입사된 빛은 시험용 광섬유의 길이에 비례하여 △t 만큼 시간 지연된 펄스로 검출된다.

한편, 측정경로를 경유한 빛(B)은 광섬유 내부를 통과함에 따른 광 손실에 의해, 제2광검출기(16b)에 의해 전기적인 신호로 변환된 측정신호는 매우 미약하고 잡음이 상대적으로 강하여 측정이 불가능할 수 있다. 따라서, 제2광검출기(16b)의 출력단에 측정신호를 증폭시키는 증폭기(17)를 준비할 수 있다.

분석기(18)는 상기와 같이, 검출된 기준신호와 측정신호의 검출시간을 분석하여 지연시간(△t)을 계산하고, 지연시간으로부터 측정경로를 따라 빛이 진행한 거리를 알 수 있게 된다. 결국, 빛이 진행한 거리로부터 광섬유 다발의 길이를 측정한다. 분석기(18)은 오실로스코프, 주파수 분석기 등을 사용할 수도 있으나, 이에 한정되지 않는다.

이에 따라, 종래의 시스템은 간섭계형 시스템이기 때문에 비간섭성 레이저를 사용하여 잡음 없이 비교적 정확하게 광섬유의 길이를 측정할 수 있으나, 광섬유의 광학적 길이의 파장 특성을 측정하기 위하여 파장 가변 레이저 광원과 같은 간섭성 레이저를 사용할 경우에는 기준 경로(A)와 측정 경로(B)와의 위상차에 따른 간섭 현상에 의해 잡음이 발생되는 문제점이 있었다.

그러나, 본 발명의 시스템은 비간섭계형이기 때문에 간섭성 레이저를 사용하여도 간섭 현상이 발생되지 않으므로 잡음이 발생되지 않아 높은 정확도로 광섬유의 길이를 측정할 수 있는 장점이 있다.

또한, 종래의 시스템은 기준신호와 측정신호의 합을 검출하는 방법이므로, 광섬유의 손실에 의하여 측정신호의 세기가 작은 경우, 기준신호와 측정신호를 구분하기 어려워 정확하게 시간 지연을 측정하기 어려움이 많지만, 본 발명의 시스템은 기준신호와 측정신호를 분리하여 검출하고 측정신호에 대하여는 증폭을 시켜 분석하므로, 이러한 문제를 해결할 수 있게 된다.

다음은 전술한 본 발명의 시스템을 이용한 광섬유 길이 측정방법을 설명한다. 먼저, 제1 단계로 일정 주기(T)를 갖는 펄스형 레이저 광을 방출하는 광 방출한다. 제2 단계로 방출된 광을 분할하고, 분할된 각각의 빛을 기준경로와 측정경로로 전달한다. 제3 단계로 주기(T)를 갖고 기준경로로 전달된 빛을 제1검출기에서 검출하여 전기적인 기준신호로 변환시키고, 측정경로로 전달된 빛을 광섬유의 일단으로 입력시켜, 입력된 빛이 광섬유를 따라 진행된 후 상기 기준경로보다 시간 지연된 형태로 광섬유의 타단으로 출력되는 것을 제2검출기에서 검출하여 전기적인 측정신호로 변환시킨다. 제4 단계로 제2검출기로부터의 측정신호를 증폭시켜 광섬유에 의한 손실을 상쇄하도록 한다. 제5 단계로 기준신호와 증폭된 측정신호를 비교하여 지연시간을 계산하고, 지연시간으로부터 상기 측정경로를 따라 빛이 진행한 거리를 분석하여 광섬유의 길이를 측정한다.

제1 단계에서의 펄스 주기(T)는 가변되는 것으로, 측정신호의 펄스가 기준신호의 펄스에 비해 시간 지연이 펄스 주기(T) 만큼 되도록 펄스 발생기(11)에서 발생되는 펄스를 제어한다. 즉, 도 1에 도시된 바와 같이, 펄스의 주기(T)를 변화시키면서 그 주기(T)가 지연시간(△t)와 같아지는 경우를 찾는 방법으로 지연시간을 측정할 수 있다. 이에 따라, 오실로스크프 등을 사용하여도 간단한 방법으로 시간지연을 측정할 수 있게 된다.

또한, 레이저 광은 tunable narrow band 형으로, 광섬유의 광학적 길이의 파장에 따른 의존성을 측정하기 위하여 레이저 광의 파장을 변화시킬 수 있는 간섭성 레이저 광이다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명에 따르면, 길이가 무한히 긴 광섬유에서도 측정 신호의 약화 및 잡음이 발생되지 않으므로 광섬유의 길이를 정확하게 측정할 수 있으며, 레이저 광의 파장을 변화시켜 광섬유의 광학적 길이의 파장 특성을 측정할 수 있다.

앞에서 설명되고 도면에 도시된 본 발명의 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상을 다양한 형태로 개량 변경하는 것이 가능하므로, 개량 및 변경은 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호 범위에 속하게 될 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 광섬유 길이 측정시스템

도 2는 종래 기술에 따른 광섬유 길이 측정시스템

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 광섬유 길이 측정 시스템 11 펄스 발생기

12 레이저 광원 13 광결합기

14a, 14b 커넥터 15 광섬유 다발

16a 제1광검출기1 16b 제2광검출기

17 증폭기 18 분석기

Claims (6)

1. 광섬유의 길이를 측정하기 위한 광섬유 길이 측정시스템에 있어서,

   펄스를 발생시키는 펄스 발생기;

   상기 펄스 발생기의 제어하는 것에 따라, 가변 펄스 주기를 갖는 펄스형 레이저 광을 방출하는 레이저 광원;

   상기 레이저 광원에서 방출된 빛을 분할하고, 분할된 각각의 빛을 기준경로와 측정경로로 전달하는 광결합기;

   상기 주기를 갖고 상기 기준경로로 전달된 펄스형 빛을 검출하여 전기적인 기준신호로 변환시키는 제1 광검출기;

   상기 측정경로로 전달된 빛이 상기 광섬유의 일단으로 입력되어 광섬유를 따라 진행된 후, 상기 기준경로보다 시간지연된 형태로 광섬유의 타단으로 출력되는 것을 검출하여 전기적인 측정신호로 변환시키는 제2 광검출기;

   상기 제2 광검출기로부터의 측정신호를 증폭시키는 증폭기; 및

   상기 기준신호와 상기 증폭된 측정신호를 비교하여 지연시간을 계산하고, 지연시간으로부터 상기 측정경로를 따라 빛이 진행한 거리를 분석하여 상기 광섬유의 길이를 측정하는 분석기를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 광섬유 길이 측정시스템.
2. 제1항에 있어서,

   상기 광결합기는 레이저 광원의 빛을 일정 비율의 세기로 분할하고, 측정경로로 입사되는 빛의 세기를 기준경로로 입사되는 빛의 세기보다 강하게 되도록 하는 것을 특징으로 하는 광섬유 길이 측정시스템.
3. 제1항에 있어서,

   상기 레이저 광은 상기 측정신호의 레이저 파장 의존성을 측정하기 위하여 레이저 광의 파장을 변화시킬 수 있는 간섭성 레이저 광인 것을 특징으로 하는 광섬유 길이 측정시스템.
4. 광섬유의 길이를 측정하기 위한 광섬유 길이 측정방법에 있어서,

   펄스형 레이저 광을 방출하는 광 방출단계;

   상기 방출된 광을 분할하고, 분할된 각각의 빛을 기준경로와 측정경로로 전달하는 광 분할단계;

   상기 주기를 갖고 상기 기준경로로 전달된 빛을 제1검출기에서 검출하여 전기적인 기준신호로 변환시키고, 상기 측정경로로 전달된 빛을 광섬유의 일단으로 입력시켜, 입력된 빛이 광섬유를 따라 진행된 후 상기 기준경로보다 시간지연된 형태로 광섬유의 타단으로 출력되는 것을 제2검출기에서 검출하여 전기적인 측정신호로 변환시키는 광검출단계;

   상기 제2검출기로부터의 측정신호를 증폭시키는 광증폭단계; 및

   상기 기준신호와 상기 증폭된 측정신호를 비교하여 지연시간을 계산하고, 지연시간으로부터 상기 측정경로를 따라 빛이 진행한 거리를 분석하여 상기 광섬유의 길이를 측정하는 거리측정단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 길이 측정방법.
5. 삭제
6. 제4항에 있어서,

   상기 측정신호의 레이저 파장 의존성을 측정하기 위하여 레이저 광의 파장을 변화시킬 수 있는 간섭성 레이저 광을 사용하는 것을 특징으로 하는 광섬유 길이 측정방법.