KR100669536B1 - Raman fiber laser sensing probe incorporating optical fiber Bragg gratings and long-distance remote sensor using as the same - Google Patents

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Abstract

광섬유 격자를 이용한 광섬유 라만 레이저와 이를 이용한 장거리용 센서에 대해 개시한다. 본 발명은 라만 레이저 펌핑광을 받아들이며 출력단에 연결된 결합기를 포함하고, 상기 결합기에서 연장된 이득매질인 광섬유를 포함하며, 미러 기능을 수행하는 넓은 파장 대역의 처프된 광섬유 격자 또는 처프된 가변 광섬유 격자로 이루어진 미러 광섬유 격자를 상기 이득매질 일단과 결합기 사이에 형성시키고, 미러 기능과 온도 또는 압력 감지 기능을 수행하기 위한 단주기 광섬유 격자 또는 가변 광섬유 격자로 이루어진 감지 광섬유 격자를 상기 이득매질 타단에 형성시켜서 이루어진 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따르면, 아주 긴 길이의 광섬유를 이득매질로 사용하므로 기존의 센서 기술의 한계점으로 여겨 온 25㎞ 이상 거리에서도 센싱이 가능하다. 또한, 그 구성이 단순하여 전체 시스템 단가를 줄일 수 있다. Disclosed are an optical fiber Raman laser using an optical fiber grating and a long-range sensor using the optical fiber grating. The present invention is a broad wavelength band chirped fiber grating or chirped variable optical fiber grating that includes a coupler coupled to an output stage and receiving a Raman laser pumped light, comprising an optical fiber which is a gain medium extending from the combiner. Formed by forming a mirror optical fiber grating between one end of the gain medium and a coupler, and a sensing optical fiber grating consisting of a short period optical fiber grating or a variable fiber grating for performing a mirror function and a temperature or pressure sensing function on the other end of the gain medium. It is characterized by. According to the present invention, since a very long optical fiber is used as a gain medium, sensing is possible even at a distance of 25 km or more, which has been regarded as a limitation of conventional sensor technology. In addition, the configuration is simple, it is possible to reduce the overall system cost.

광섬유 격자, 광섬유 센서, 라만 레이저, 온도 센서, 수압 센서 Fiber optic grating, fiber optic sensor, raman laser, temperature sensor, hydraulic pressure sensor

Description

광섬유 격자를 이용한 광섬유 라만 레이저와 이를 이용한 장거리용 센서{Raman fiber laser sensing probe incorporating optical fiber Bragg gratings and long-distance remote sensor using as the same} Raman fiber laser sensing probe incorporating optical fiber Bragg gratings and long-distance remote sensor using as the same}             

도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 광섬유 라만 레이저를 이용한 장거리용 센서의 구성을 나타낸 도면, 1 is a view showing the configuration of a long-range sensor using an optical fiber Raman laser according to an embodiment of the present invention,

도 2는 미러 광섬유 격자와 감지 광섬유 격자의 파장대별 광반사 특성을 나타낸 그래프, 2 is a graph showing light reflection characteristics of each wavelength band of a mirror optical fiber grating and a sensing optical fiber grating;

도 3은 도 1의 시스템의 실험결과로서, 온도에 따른 출력 스펙트럼의 변화를 나타낸 그래프, 3 is a graph showing the change of the output spectrum with temperature as a result of the experiment of the system of FIG.

도 4는 도 1의 시스템의 실험결과로서, 온도와 파장과의 관계를 나타낸 그래프, FIG. 4 is a graph showing the relationship between temperature and wavelength as an experimental result of the system of FIG. 1;

도 5는 본 발명의 적용례로서, 센서를 장거리에 걸쳐 분산시켜 놓은 시스템을 나타낸 도면이다. 5 is a view showing a system in which a sensor is distributed over a long distance as an application example of the present invention.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *Explanation of symbols on the main parts of the drawings

1 : 미러 광섬유 격자 1: mirror fiber optic grating

2, 2-1, 2-2, 2-3, 2-4 : 감지 광섬유 격자 2, 2-1, 2-2, 2-3, 2-4: sensing fiber grating

3 : 광섬유 3: optical fiber

4 : 파장 다중화 결합기4: wavelength multiplexing combiner

본 발명은 광섬유 라만 레이저에 관한 것으로, 특히 장거리용 센서 구현시 광신호를 장거리 전송시키기 위해 광섬유 격자를 이용하여 광섬유 라만 레이저를 구성하는 광섬유 격자를 이용한 광섬유 라만 레이저에 관한 것이다. The present invention relates to an optical fiber Raman laser, and more particularly, to an optical fiber Raman laser using an optical fiber grating constituting an optical fiber Raman laser using an optical fiber grating to transmit an optical signal over a long distance when implementing a long-range sensor.

또한, 본 발명은 장거리용 센서에 관한 것으로, 특히 심해나 땅속 깊은 곳의 온도 및 압력을 측정하는 장거리용 센서에 관한 것이다. In addition, the present invention relates to a long-range sensor, and more particularly to a long-range sensor for measuring the temperature and pressure in the deep sea or deep in the ground.

광섬유 활용에 있어, 광섬유는 전자기적 영향(Electro-magnetic interference)을 받지 않는 우수한 센서로 인정받고 있다. 현재 건축물 교량의 균열 측정, 온도 측정 등 다양하게 응용되고 있다. In optical fiber applications, optical fiber is recognized as an excellent sensor that is free from electromagnetic interference. Currently, various applications such as crack measurement and temperature measurement of building bridges are being applied.

기존의 장거리 측정용 광섬유 격자 센서들은 보통 광대역 ASE(Amplified Spontaneous Emission) 광을 광원으로 사용하고, 이 광신호는 긴 광섬유를 통해 광섬유 격자에 의한 감지를 수행하는 곳까지 장거리 전송되게 된다. 이 때, 광섬유 내에서 레일리 산란(Rayleigh Scattering) 현상으로 인해 25㎞ 이상의 거리에서는 감지된 신호, 즉 온도 및 압력 신호들을 제대로 전송받을 수 없는 한계점을 갖고 있다. 이와 같이, 레일리 산란 등과 같은 신호 잡음 때문에 센서 신호의 장거리 전송이 어려워 심해나 땅속 깊은 곳과 같은 특수한 상황에서는 사용하기 어렵다는 단점을 갖고 있다. Conventional long-range optical fiber grating sensors typically use broadband AMP (Amplified Spontaneous Emission) light as a light source, and the optical signal is transmitted over a long distance to the sensing area by the fiber grating. At this time, due to the Rayleigh scattering phenomenon in the optical fiber has a limit that can not be properly received signals, that is, temperature and pressure signals at a distance of more than 25km. As such, due to signal noise, such as Rayleigh scattering, it is difficult to transmit the sensor signal over a long distance, which makes it difficult to use in a special situation such as a deep sea or a deep ground.

그래서, 최근에 광대역 ASE 광을 사용하여 광섬유를 통해 장거리 전송할 때 라만 증폭을 이용하여 센서 신호 전달 거리를 늘리는 방법이 제시되었으나, 이는 광대역 ASE 광원과 더불어 라만 펌프용 광원을 동시에 사용해야 하므로 전체적인 시스템 구현 비용이 상승하는 단점을 가지고 있었다. Therefore, a method of increasing sensor signal transmission distance by using Raman amplification when using a wideband ASE light to transmit a long distance through an optical fiber has been proposed. However, this is because the cost of implementing the overall system is required because the Raman pump light source should be used simultaneously with the wideband ASE light source. This had a disadvantage of rising.

따라서, 본 발명의 목적은, 심해 및 땅속 25km 이상의 장거리용 센서를 구현하며, 전체적인 시스템의 단순화를 구현하고, 온도 및 압력 측정 범위의 극대화를 구현하며, 제작단가의 저렴화 및 생산의 대량화를 구현하기 위해, 광섬유 격자나 가변 광섬유 격자를 이용하여 레이저 및 가변 레이저 공진기를 구성하고 광섬유에서의 라만 증폭 현상을 이용하여 라만 레이저를 구성하는 광섬유 격자를 이용한 광섬유 라만 레이저를 제공하는데 있다. Accordingly, the object of the present invention is to implement a long-distance sensor over 25km in the deep sea and the ground, to simplify the overall system, to maximize the temperature and pressure measurement range, to reduce the production cost and mass production In order to provide a fiber Raman laser using a fiber grating constituting a laser and a variable laser resonator using an optical fiber grating or a variable fiber grating and a Raman laser using a Raman amplification phenomenon in an optical fiber.

한편, 본 발명의 또 다른 목적은, 심해 및 땅속 25km 이상의 장거리용 센서를 구현하며, 전체적인 시스템의 단순화를 구현하고, 온도 및 압력 측정 범위의 극대화를 구현하며, 제작단가의 저렴화 및 생산의 대량화를 구현하기 위해, 수십 킬로 미터정도의 광섬유 길이가 필요한 라만 레이저와 온도와 압력에 민감하게 반응하는 광섬유 격자의 원리를 조합하여 센서 신호의 장거리 전송을 수행하는 광섬유 라만 레이저 를 이용한 장거리용 센서를 제공하는데 있다.
On the other hand, another object of the present invention is to implement a long-distance sensor over 25km in the deep sea and the ground, to simplify the overall system, to maximize the temperature and pressure measurement range, to reduce the production cost and mass production To achieve this, we provide a long-range sensor using a fiber-optic Raman laser that combines the principles of a Raman laser, which requires an optical fiber length of several tens of kilometers, and an optical fiber grating that is sensitive to temperature and pressure. have.

상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 광섬유 격자를 이용한 광섬유 라만 레이저는, 라만 펌핑광을 받아 광섬유 격자 또는 가변 광섬유 격자를 형성시킨 광섬유에서 라만 증폭에 의한 공진기를 형성시킨 것을 특징으로 한다. An optical fiber Raman laser using an optical fiber grating for achieving the above object of the present invention is characterized by forming a resonator by Raman amplification in an optical fiber in which an optical fiber grating or a variable optical fiber grating is formed by receiving Raman pumped light.

이 때, 상기 공진기는, 이득매질인 광섬유를 포함하며, 미러 기능을 수행하는 넓은 파장 대역의 처프된 광섬유 격자 또는 처프된 가변 광섬유 격자로 이루어진 미러 광섬유 격자를 상기 이득매질 일단에 형성시키고, 미러 기능과 온도 또는 압력 감지 기능을 수행하기 위한 단주기 광섬유 격자 또는 가변 광섬유 격자로 이루어진 감지 광섬유 격자를 상기 이득매질 타단에 형성시켜서 이루어진다. In this case, the resonator includes an optical fiber which is a gain medium, and forms a mirror optical fiber grating composed of a chirped optical fiber grating or a chirped variable optical fiber grating having a wide wavelength band at one end of the gain medium and performs a mirror function. A sensing optical fiber grating composed of a short period optical fiber grating or a variable optical fiber grating for performing an over temperature or pressure sensing function is formed on the other end of the gain medium.

여기서, 상기 이득매질인 광섬유는, 통상의 광섬유, 라만 증폭기용 광섬유, 포토닉 크리스탈 광섬유 및 비선형 광섬유 중에서 선택된 어느 하나이며, 상기 이득매질인 광섬유의 길이는 10㎞ 내지 수백㎞ 범위내에서 선택되는 것이 바람직하다. Herein, the optical fiber as the gain medium is any one selected from a conventional optical fiber, a Raman amplifier optical fiber, a photonic crystal optical fiber, and a nonlinear optical fiber, and the length of the optical fiber as the gain medium is selected within a range of 10 km to several hundred km. desirable.

한편, 본 발명의 목적을 달성하기 위한 광섬유 라만 레이저를 이용한 장거리용 센서는, 라만 레이저 펌핑광을 받아들이며 출력단에 연결된 결합기를 포함하고, 상기 결합기에서 연장된 이득매질인 광섬유를 포함하며, 미러 기능을 수행하는 넓은 파장 대역의 처프된 광섬유 격자 또는 처프된 가변 광섬유 격자로 이루어진 미러 광섬유 격자를 상기 이득매질 일단과 결합기 사이에 형성시키고, 미러 기능과 온도 또는 압력 감지 기능을 수행하기 위한 단주기 광섬유 격자 또는 가변 광섬유 격자로 이 루어진 감지 광섬유 격자를 상기 이득매질 타단에 형성시켜서 이루어진 것을 특징으로 한다. On the other hand, the long-range sensor using the optical fiber Raman laser for achieving the object of the present invention, including a coupler connected to the output terminal receiving the Raman laser pumping light, and includes a fiber which is a gain medium extended from the combiner, and the mirror function A short period fiber grating for forming a mirror fiber grating composed of a chirped fiber grating or a chirped variable fiber grating having a wide wavelength band between one end of the gain medium and a coupler, and performing a mirror function and a temperature or pressure sensing function; A sensing optical fiber grating made of a variable optical fiber grating is formed on the other end of the gain medium.

이 때, 상기 이득매질인 광섬유는, 통상의 광섬유, 라만 증폭기용 광섬유, 포토닉 크리스탈 광섬유 및 비선형 광섬유 중에서 선택된 어느 하나이며, 상기 이득매질인 광섬유의 길이는 10㎞ 내지 수백㎞ 범위내에서 선택되는 것이 바람직하다. At this time, the optical medium of the gain medium is any one selected from a conventional optical fiber, a Raman amplifier optical fiber, a photonic crystal optical fiber and a nonlinear optical fiber, and the length of the optical fiber as the gain medium is selected within a range of 10 km to several hundred km. It is preferable.

한편, 서로 다른 위치에서 서로 다른 파장을 갖는 라만 레이저 출력을 얻기 위해, 상기 이득매질과 파장이 서로 다른 감지 광섬유 격자를 반복하여 연장 형성시킬 수도 있다. On the other hand, in order to obtain a Raman laser output having different wavelengths at different positions, the gain medium and the sensing optical fiber gratings having different wavelengths may be repeatedly formed.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 설명한다. Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described a preferred embodiment of the present invention.

도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 광섬유 라만 레이저를 이용한 장거리용 센서의 구성을 나타낸 도면이다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 광섬유 라만 레이저를 이용한 장거리용 센서는, 적어도 하나의 처프된 광섬유 격자 혹은 처프된 가변 광섬유 격자(이하, “미러 광섬유 격자”라 함)(1)와, 적어도 하나의 단주기 광섬유 격자 혹은 가변 광섬유 격자(이하, “감지 광섬유 격자”라 함)(2)와, 라만 증폭이 일어나기에 충분한 길이를 갖는 일반 광섬유 혹은 라만 증폭기용 광섬유, 포토닉 크리스탈 광섬유(PCF: Photonic Crystal Fiber), 비선형 광섬유(HNLF: Highly Nonlinear Fiber)중에서 선택된 어느 하나(3)로 이루어져 있다. 그리고 라만 레이저용 펌핑광은 파장 다중화 결합기(4)를 통해 광섬유 전달되고 출력 센서 신호는 이 파장 다중화 결합기(4)를 통해 출력단으로 전달된다. 1 is a view showing the configuration of a long-range sensor using an optical fiber Raman laser according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 1, a long-range sensor using an optical fiber Raman laser of the present invention may include at least one chirped optical fiber grating or chirped variable optical fiber grating (hereinafter referred to as a “mirror optical fiber grating”) 1 and at least one. Short-period fiber gratings or variable fiber gratings (hereinafter referred to as “sensing fiber gratings”) (2), optical fibers for general or Raman amplifiers, and photonic crystal optical fibers (PCF: Photonic) having a length sufficient for Raman amplification to occur. Crystal fiber), or non-linear fiber (HNLF: Highly Nonlinear Fiber). The pumping light for the Raman laser is transmitted to the optical fiber through the wavelength multiplexing combiner 4 and the output sensor signal is transmitted to the output terminal through the wavelength multiplexing combiner 4.

본 발명에서 제시되는 센서 신호를 발생시키기 위해서 라만 증폭 현상을 이용한다. 레이저 발진을 위한 공진기는 도 1에 도시된 바와 같이, 이득매질인 아주 긴 길이의 광섬유(3)와, 이 이득매질 양단에 미러 역할을 해 주는 1개의 미러 광섬유 격자(1), 즉 넓은 파장 대역을 갖는 처프된 광섬유 격자 혹은 처프된 가변 광섬유 격자로 이루어진 미러 광섬유 격자(1)와, 미러로서의 역할 뿐 아니라 온도 및 압력을 감지하는 역할을 수행하는 단주기 광섬유 격자 혹은 가변 광섬유 격자로 이루어진 감지 광섬유 격자(2)로 이루어져 있다. Raman amplification is used to generate the sensor signal presented in the present invention. The resonator for laser oscillation, as shown in Fig. 1, has a very long length optical fiber 3, which is a gain medium, and one mirror optical fiber grating 1, i.e., a wide wavelength band, serving as a mirror across the gain medium. A mirror fiber optic grating (1) consisting of a chirped fiber grating or a chirped variable fiber grating, and a sensing fiber grating consisting of a short-period fiber grating or a variable fiber grating serving to sense temperature and pressure as well as a mirror It consists of (2).

라만 펌핑광은 파장 다중화 결합기(4)를 이용해서 이득매질인 광섬유로 전달되는데, 이 때 이 광섬유는 라만 증폭을 일으킬 수 있을 충분한 길이를 갖고 있어야 한다. 펌핑광의 세기와 광섬유의 종류에 따라 최대 수백km까지 늘어날 수 있다. 이렇게 구성된 라만 레이저는 충분한 펌핑광이 공진기 내부로 입사됨에 따라 라만 광 레이저 신호를 발생시키게 된다. Raman pumped light is transmitted to a gain medium optical fiber using a wavelength multiplexing combiner (4), which must be of sufficient length to cause Raman amplification. Depending on the strength of the pumped light and the type of fiber, it can be extended up to hundreds of kilometers. The Raman laser configured as described above generates a Raman optical laser signal as sufficient pumping light is incident into the resonator.

이 때, 아주 긴 길이의 광섬유를 깊은 바다 속이나 땅속으로 넣어 광섬유 끝단에 연결되어 있는 감지 광섬유 격자(2)를 온도 및 압력을 감지하는데 사용하게 되면, 출력 라만 레이저 신호가 파장 및 출력 세기가 변하게 되는데 이의 상대적인 변화값을 측정함으로써 온도 및 압력을 측정할 수 있다. At this time, when a very long length of fiber is inserted into the deep sea or under the ground, the sensing fiber grating 2 connected to the fiber end is used to sense temperature and pressure, so that the output Raman laser signal changes its wavelength and output intensity. By measuring their relative changes, temperature and pressure can be measured.

이 때 감지 광섬유 격자(2)는 단주기 광섬유 격자 혹은 가변 광섬유 격자로서 그 중심 파장이 온도나 압력에 따라 변하는 원리를 이용하고 있으며, 반대편에 연결시킨 미러 광섬유 격자(1)는 감지 광섬유 격자(2)의 중심 파장 변화를 대응할 수 있도록 충분한 파장 대역을 갖고 있어야 한다. 온도 및 압력의 변화에 따라 감지 광섬 유 격자(2)의 중심 파장이 변화를 일으키게 되면 이는 라만 레이저 공진 파장을 변화시켜 출력 신호인 라만 레이저의 중심 파장이 이동하는데 이 상대적인 출력광 파장 변화를 계측하여 온도 및 압력 변화를 측정할 수 있다. At this time, the sensing optical fiber grating 2 is a short-period optical fiber grating or a variable optical fiber grating, and its center wavelength is changed according to temperature or pressure, and the mirror optical fiber grating 1 connected to the opposite side is a sensing optical fiber grating 2 Must have sufficient wavelength band to cope with the central wavelength change. When the center wavelength of the sensing optical fiber grating 2 changes according to temperature and pressure changes, it changes the Raman laser resonance wavelength and shifts the center wavelength of the output signal Raman laser. Temperature and pressure changes can be measured.

도 2는 미러 광섬유 격자와 감지 광섬유 격자의 파장대 별 광반사 특성을 나타낸 그래프이다. 도 2를 참조하면, 본 발명의 원리를 증명하기 위해 일례로 사용된 미러 광섬유 격자와 감지 광섬유 격자의 파장(Wavelength)대 별 광반사(Reflectivity) 특성을 나타내고 있다. 미러 광섬유 격자는 섭씨 500℃ 이상의 온도 변화를 측정할 수 있도록 하기 위한 충분한 파장대역을 갖도록 4㎚∼6㎚ 범위내의 파장폭을 갖고 있다. FIG. 2 is a graph showing light reflection characteristics according to wavelength bands of a mirror fiber grating and a sensing fiber grating. FIG. Referring to FIG. 2, reflectance characteristics of wavelengths versus wavelengths of a mirror fiber grating and a sensing fiber grating used as examples to demonstrate the principles of the present invention are shown. The mirror optical fiber grating has a wavelength width in the range of 4 nm to 6 nm so as to have a sufficient wavelength band to be able to measure a temperature change of more than 500 degrees Celsius.

도 3은 도 1의 시스템의 실험결과로서, 온도 변화에 따른 출력 스펙트럼의 변화를 나타낸 그래프이고, 도 4는 도 1의 시스템의 실험결과로서, 온도(Temperature)와 파장(Wavelength)과의 관계를 나타낸 그래프이다. 본 발명의 원리에 대해 실험을 통해 증명하였는데, 도 3과 4에 도시된 바와 같이, 온도가 올라감에 따라 라만 레이저 출력의 파장 값이 선형적으로 증가함을 보여준다. 그 증가치는 대략 7.15pm/℃이다. FIG. 3 is an experimental result of the system of FIG. 1, and is a graph showing a change in the output spectrum according to temperature change. FIG. 4 is an experimental result of the system of FIG. 1, and shows a relationship between temperature and wavelength. The graph shown. Experimental demonstration of the principles of the present invention shows that the wavelength of the Raman laser output increases linearly with increasing temperature, as shown in FIGS. 3 and 4. The increase is approximately 7.15 pm / ° C.

도 5는 본 발명의 적용례로서, 센서를 장거리에 걸쳐 분산시켜 놓은 시스템을 나타낸 도면이다. 도 1에서 제시한 시스템을 확장하여 센서를 장거리에 분산시켜 놓 았을 때의 구조를 나타내고 있다. 도 5를 참조하면, 라만 증폭이 일어나기에 충분한 길이를 갖는 일반 광섬유 혹은 라만 증폭기용 광섬유, 포토닉 크리스탈 광섬유(PCF: Photonic Crystal Fiber), 비선형 광섬유(HNLF: Highly Nonlinear Fiber)중에서 선택된 어느 하나의 광섬유(3)와 감지 광섬유 격자(2-1, 2-2, 2-3, 2-4)를 반복하여 연장 형성시키고 있다. 참조부호 1은 미러 광섬유 격자이고, 참조부호 4는 파장 다중화 결합기이다. 5 is a view showing a system in which a sensor is distributed over a long distance as an application example of the present invention. The structure shown in FIG. 1 is extended when the sensor is distributed over a long distance. Referring to FIG. 5, any one optical fiber selected from a general optical fiber or a fiber for a Raman amplifier, a photonic crystal fiber (PCF), and a highly nonlinear fiber (HNLF) having a length sufficient to cause Raman amplification may occur. (3) and the sensing optical fiber gratings 2-1, 2-2, 2-3 and 2-4 are repeatedly formed. Reference numeral 1 is a mirror optical fiber grating, and reference 4 is a wavelength multiplexing combiner.

이와 같이, 본 발명은 장거리 분산 센서에서도 적용될 수 있는데 도 5에 도시된 바와 같이, 일정한 거리를 두고 4개의 감지 광섬유 격자(2-1, 2-2, 2-3, 2-4)를 장거리에 분산시킨 예를 보여 준다. 이 때, 각각의 감지 광섬유 격자(2-1, 2-2, 2-3, 2-4)의 파장은 서로 달라야 한다. 감지 광섬유 격자(2-1, 2-2, 2-3, 2-4)의 파장을 다르게 함으로써 출력단에서는 서로 다른 파장을 갖는 4개의 라만 레이저 출력을 얻을 수 있고, 각각의 파장 변화를 측정하여 알고 싶은 위치의 온도를 측정할 수 있다. As described above, the present invention may be applied to a long distance distributed sensor, as shown in FIG. 5, in which the four sensing optical fiber gratings 2-1, 2-2, 2-3, and 2-4 are disposed at a long distance. Show an example of distribution. At this time, the wavelength of each sensing optical fiber grating 2-1, 2-2, 2-3, 2-4 should be different from each other. By changing the wavelengths of the sensing optical fiber gratings 2-1, 2-2, 2-3, and 2-4, the output stage can obtain four Raman laser outputs with different wavelengths. You can measure the temperature at the desired location.

이와 같이, 본 발명은 공진기 이득을 얻기 위해 라만 현상을 이용하고 있으며, 심해 및 땅속 측정이 가능하도록 이득매질로 아주 긴 길이(최소 10km 이상)의 광섬유를 사용하고 있고, 기존의 장거리 센서 즉, 광대역 ASE 광원과 라만 증폭 현상을 이용하므로 기존 구성에 대비하여 구성의 단순화를 이루고 있으며, 광섬유 격자를 사용하여 온도 및 압력 측정 범위가 아주 넓을 뿐만 아니라 제작 단가도 저렴하다. As described above, the present invention uses the Raman phenomenon to obtain the resonator gain, and uses the optical fiber of a very long length (at least 10 km or more) as a gain medium to enable deep sea and underwater measurement. The ASE light source and Raman amplification phenomena are used to simplify the configuration compared to the existing configuration, and the optical fiber grating makes the temperature and pressure measurement range very wide and the manufacturing cost is low.

즉, 라만 레이저 공진기는, 일측에 단주기 광섬유 격자 또는 가변 단주기 격자를 사용하고 타측에 처프된 광섬유 격자 또는 처프된 가변 광섬유 격자를 사용하여 라만 레이저의 임계값을 줄이고 라만 레이저 광 펌프세기를 증가시킴으로써, 측정 길이 또는 깊이를 수십 킬로미터 이상으로 늘릴 수 있다. That is, the Raman laser resonator uses a short period fiber grating or a variable short period grating on one side and a chirped or grating variable fiber grating on the other side to reduce the threshold of the Raman laser and increase the Raman laser light pump intensity. In this way, the measurement length or depth can be increased to several tens of kilometers or more.

단주기 광섬유 격자를 센서 끝단으로 사용함으로써 온도나 수압 변화에 따라 레이저 파장이나 출력값이 변하게 되고 이 변화량을 이용하여 측정을 할 수가 있다. 그러므로 본 발명에 제안된 센서는 구성이 단순하고 제작비용이 저렴하고 손쉽게 사용할 수 있다는 장점이 있다. By using a short-period fiber grating as the sensor tip, the laser wavelength or output value changes according to temperature or hydraulic pressure change, and the measurement can be performed using this change amount. Therefore, the sensor proposed in the present invention has the advantage that the configuration is simple, low cost and easy to use.

본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 많은 변형이 가능함은 명백할 것이다. The present invention is not limited to the above-described embodiments, and it will be apparent that many modifications are possible by those skilled in the art within the technical spirit of the present invention.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 광섬유 격자를 이용한 광섬유 라만 레이저와 이를 이용한 장거리용 센서는, 아주 긴 길이의 광섬유를 이득매질로 사용하므로 기존의 센서 기술의 한계점으로 여겨 온 25㎞ 이상 거리에서도 쉽게 사용될 수 있다. 또한, 그 구성이 단순하여 전체 시스템 단가를 줄일 수 있다. As described above, the optical fiber Raman laser using the optical fiber grating according to the present invention and the long-distance sensor using the same are easily used even at a distance of 25 km or more, which is regarded as a limitation of the conventional sensor technology because a very long optical fiber is used as a gain medium. Can be used. In addition, the configuration is simple, it is possible to reduce the overall system cost.

즉, 기존의 광대역 ASE 광원과 라만 펌핑광 등 2개의 독립된 광원을 필요로 하는 시스템에 대비하여 구성을 단순화 및 비용절감을 이룰 수 있으며, 기존 어븀 첨가된 광섬유의 경우, 그 길이가 수백m 이내로 제한되어 장거리 센서로의 사용이 실제적으로 불가능한 한계성을 극복할 수 있다는 것을 의미한다. In other words, the system can be simplified and reduced in cost compared to a system requiring two independent light sources, such as a broadband ASE light source and a Raman pumping light. In the case of an existing erbium-doped optical fiber, the length is limited to several hundred meters. This means that the use of long-range sensors can overcome practically impossible limitations.

Claims (9)

라만 펌핑광을 받아 광섬유 격자 또는 가변 광섬유 격자를 형성시킨 광섬유에서 라만 증폭에 의한 공진기를 형성시키는 광섬유 격자를 이용한 광섬유 라만 레이저에 있어서,In the optical fiber Raman laser using the optical fiber grating to form a resonator by Raman amplification in the optical fiber formed by receiving the Raman pumping light or the optical fiber grating or variable optical fiber grating, 상기 공진기는, The resonator, 이득매질인 광섬유를 포함하며, Including optical fiber as a gain medium, 미러(mirror) 기능을 수행하는 넓은 파장 대역의 처프된 광섬유 격자 또는 처프된 가변 광섬유 격자로 이루어진 미러 광섬유 격자를 상기 이득매질 일단에 형성시키고, A mirror fiber grating composed of a chirped fiber grating or a chirped variable fiber grating of a wide wavelength band performing a mirror function is formed at one end of the gain medium, 미러(mirror) 기능과 온도 또는 압력 감지 기능을 수행하기 위한 단주기 광섬유 격자 또는 가변 광섬유 격자로 이루어지고 서로 다른 파장을 가지는 하나 이상의 감지 광섬유 격자를 상기 이득매질 타단에 형성시켜서 이루어짐으로써By forming one or more sensing optical fiber gratings having different wavelengths on the other end of the gain medium, consisting of a short period optical fiber grating or a variable optical fiber grating for performing a mirror function and a temperature or pressure sensing function. 출력단에서 상기 감지 광섬유 격자 수와 같은 숫자의 서로 다른 파장을 갖는 라만 레이저 출력을 얻을 수 있는 것을 특징으로 하는 광섬유 격자를 이용한 광섬유 라만 레이저. An optical fiber Raman laser using an optical fiber grating, characterized in that to obtain a Raman laser output having a different wavelength of the same number as the number of the sensing optical fiber grating at the output end. 삭제delete 제 1 항에 있어서, 상기 이득매질인 광섬유는, The optical fiber of claim 1, wherein the optical fiber is a gain medium. 통상의 광섬유, 라만 증폭기용 광섬유, 포토닉 크리스탈 광섬유 및 비선형 광섬유 중에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 광섬유 격자를 이용한 광섬유 라만 레이저. An optical fiber Raman laser using an optical fiber grating, characterized in that any one selected from ordinary optical fiber, optical fiber for Raman amplifier, photonic crystal optical fiber and nonlinear optical fiber. 제 1 항에 있어서, 상기 이득매질인 광섬유의 길이는 10㎞ 내지 999㎞ 범위내에서 선택되는 것을 특징으로 하는 광섬유 격자를 이용한 광섬유 라만 레이저. The optical fiber Raman laser using an optical fiber grating according to claim 1, wherein the gain medium has a length selected from a range of 10 km to 999 km. 라만 레이저 펌핑광을 받아들이며 출력단에 연결된 결합기를 포함하고, Includes a coupler coupled to the output stage for receiving Raman laser pumped light, 상기 결합기에서 연장된 이득매질인 광섬유를 포함하며, An optical fiber which is a gain medium extending from the coupler, 미러 기능을 수행하는 넓은 파장 대역의 처프된 광섬유 격자 또는 처프된 가변 광섬유 격자로 이루어진 미러 광섬유 격자를 상기 이득매질 일단과 결합기 사이에 형성시키고, A mirror fiber grating composed of a chirped fiber grating or a chirped variable fiber grating of a wide wavelength band performing a mirror function is formed between one end of the gain medium and the combiner, 온도 및 스트레인의 변화에 따라 감지 광섬유 격자의 중심 파장이 변화되며, 상기 변화된 중심 파장에 의해 라만 레이저의 공진기 특성 변화가 유도되고 라만 레이저 공진 파장이 변화하며 상기 출력단에서의 라만 레이저의 중심 파장이 변화되도록 구성되는 단주기 광섬유 격자 또는 가변 광섬유 격자로 이루어지고 서로 다른 파장을 가지는 하나 이상의 감지 광섬유 격자를 상기 이득매질 타단에 형성시켜서 이루어지며,The center wavelength of the sensing fiber grating changes with temperature and strain, and the changed center wavelength induces a change in the resonator characteristics of the Raman laser, a change in the Raman laser resonance wavelength, and a change in the center wavelength of the Raman laser at the output stage. Is formed by forming one or more sensing optical fiber gratings having different wavelengths and having different wavelengths formed on the other end of the gain medium. 상기 결합기가 받아들인 라만 펌핑광을 이득매질인 광섬유로 전달하여 상기 감지 광섬유 격자 수와 같은 숫자의 서로 다른 파장을 갖는 라만 레이저를 구성하고 레이저를 구성하는 미러 광섬유 격자를 센서 헤드로 사용하여 라만 레이저 신호의 파장 및 출력 세기의 변화값을 측정함으로써 온도 및 스트레인을 측정하는 것을 특징으로 하는 광섬유 라만 레이저를 이용한 장거리용 센서. The Raman laser beam is transmitted to the optical fiber which is the gain medium received by the combiner to form a Raman laser having a different wavelength of the same number as the number of the sensing fiber gratings, and a Raman laser using a mirror optical fiber grating constituting the laser as a sensor head. Long-range sensor using an optical fiber Raman laser, characterized in that for measuring the temperature and strain by measuring the change in the wavelength and output intensity of the signal. 제 5 항에 있어서, 상기 이득매질인 광섬유는, The optical fiber of claim 5, wherein the optical fiber is a gain medium. 통상의 광섬유, 라만 증폭기용 광섬유, 포토닉 크리스탈 광섬유 및 비선형 광섬유 중에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 광섬유 라만 레이저를 이용한 장거리용 센서. Long-range sensor using an optical fiber Raman laser, characterized in that any one selected from among ordinary optical fiber, optical fiber for Raman amplifier, photonic crystal optical fiber and nonlinear optical fiber. 제 5 항에 있어서, 상기 이득매질인 광섬유의 길이는 10㎞ 내지 999㎞ 범위내에서 선택되는 것을 특징으로 하는 광섬유 격자를 이용한 광섬유 라만 레이저. The optical fiber Raman laser using an optical fiber grating according to claim 5, wherein the gain medium has a length selected from 10 km to 999 km. 제 5 항에 있어서, 서로 다른 위치에서 서로 다른 파장을 갖는 라만 레이저 출력을 얻기 위해, 상기 이득매질과 파장이 서로 다른 감지 광섬유 격자를 반복하여 연장 형성시킨 것을 특징으로 하는 광섬유 격자를 이용한 광섬유 라만 레이저. The optical fiber Raman laser using the optical fiber grating according to claim 5, wherein in order to obtain a Raman laser output having a different wavelength at different positions, the sensing medium and the sensing optical fiber grating having different wavelengths are repeatedly formed. . 삭제delete
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