KR101056275B1 - 출력광 분기형 폴리머 광도파로 전류 센서 - Google Patents

Abstract

본 발명은 광의 편광상태가 주변의 자기장에 의하여 변화하는 것을 이용하여 전류의 크기를 측정하기 위한 광전류 센서에 관한 것으로서 폴리머 광도파로를 이용하여 제작 가능한 저속 열광학 광위상 변조기, 편광 변환기, 편광 유지 광 결합기를 주요 부품으로 구성된 것을 특징으로 한다. 특히 센서코일에서 반사되어 온 광 신호를 입력경로와 다른 별도의 경로로 진행시켜서 광의 편광 상태를 검출함으로써 저속 위상 변조기 만으로 센서 동작점 제어가 가능하게 만들었다. 개별적으로 제작된 단일 부품을 연결하여 구성하는 방식의 일반적인 광전류센서에 비하여 손쉽게 대량 생산이 가능하고 안정적이며 균일한 동작특성을 보이는 것을 장점으로 한다.

Description

출력광 분기형 폴리머 광도파로 전류 센서{Polymer Waveguide Optical Current Sensors with Output Power Tapping}

본 발명은 광을 이용하여 전류의 크기를 측정하는 센서에 관한 것으로, 보다 상세하게는 폴리머 광도파로 기술을 이용하여 제작한 광도파로 소자들을 하나의 칩 상에 집적하여 제작 가능한 출력광 분기형 폴리머 광도파로 전류 센서에 관한 것이다.

광전류센서는 전자파장애(Electro Magnetic Interference)가 있는 환경에서 고전류를 정확하게 모니티링하기 위한 장치로서는 필수적이다. 광섬유의 패러데이 효과에 의해 발생되는 편광 상태는 측정하고자 하는 와이어 상에 전기전류에 의해 인가되는 자기장 강도에 비례하게 된다.

종래 전류측정용 광센서는 광섬유를 이용하여 제작되는 것이 일반적이다. 이러한 전류측정용 광센서는 전류가 흐르는 전기 회로의 특성을 전혀 변화시키지 않고 비접촉식으로 전류를 측정할 수 있는 특징이 있다. 전류측정용 광센서는 비접촉 측정 방식 센서로 많이 이용되고 있는 홀 효과 센서(hall effect sensor)에 비해 고전류를 사용하는 시스템의 주변에 항상 존재하는 전자기파로 인한 간섭 현상을 방지하고 정확한 전류를 측정할 수 있다는 장점을 가진다.

종래 전류측정용 광센서는 그 구성요소인 광 부품들의 가격이 높기 때문에 이상의 장점에도 불구하고 특정 분야에만 적용되고 있는 상태이다. 광통신 기술의 발전과 함께 많은 종류의 광 부품들이 개발되어 시장에서 저가 판매되고 있으나, 전류측정용 광센서를 구성하는데 필요한 부품은 여전히 고가를 유지하고 있다. 그러므로 전류측정용 광센서를 위한 저가의 부품 개발과 이를 이용한 고성능의 센서 개발은 새로운 전류측정용 광센서 응용 분야를 확장시키는데 선행되어야 할 조건이다.

전류측정용 광센서의 원리는 광섬유를 따라 진행해 나아가는 광파의 편광 상태가 인접한 자기장의 영향으로 인해 변하게 되는 것을 측정하는 것이다. 이와 같은 자기장에 의한 편광 상태 변화 현상을 패러데이 효과 (Faraday effect)라고 한다. 그러나 광섬유를 구성하는 실리카 재료의 패러데이 효과는 매우 미약하므로, 전선의 주변을 둘러싼 광섬유를 통해 빛을 진행하게 하여, 작은 패러데이 효과가 증폭이 되도록 만들어 주게 된다. 미약한 자계를 측정하는 경우에는, 전선 주변에 광섬유를 10바퀴 이상 감아서 패러데이 효과가 진행 거리에 비례하여 크게 증폭되도록 만들어 준다.

전류측정용 광센서는 전계(electric field)에 의한 편광 변화만을 일으키는 것이 이상적이나, 주변 온도의 변화나 광섬유의 진동에 의해서도 편광 변화가 유발된다는 문제점을 지니고 있다. 이를 보완하기 위하여 편광 유지 광섬유를 이용하는 형태의 센서가 널리 연구되어 왔다(Fiber-optic current sensor, US 2004/0101228 A1, 2004.05.27.자 공개; Reflection type optical fiber current sensor, JP 2007-040884, 2007.02.15.자 공개; Temperature-stabilized sensor coil and current sensor, US 2005/0088662 A1, 2005.04.28.자 공개). 그러나 이와 같은 편광 유지 광섬유를 이용한 전류 센서는 편광 상태를 조절해 주기 위한 선편광 변환기, 원편광 변환기를 비롯하여 광 결합기, 위상 변조기 등의 부가적인 광 부품에 상기 편광 유지 광섬유가 필수적으로 포함되어야 하며, 이들로 인해 시스템이 복잡해지고 가격이 상승하게 된다는 문제점이 존재하였다.

이러한 문제점을 해결하기 위해 집적광학 광도파로 소자를 이용하면, 광섬유 소자와 같이 단일 부품을 광섬유로 연결하여 센서 시스템을 구성하는 것이 아니라 단일 기판상에 광 부품들을 한꺼번에 제작하여 광센서를 완성할 수 있다. 이러한 집적 광학 기술은 흔히 알려진 실리콘 집적 회로 제작 공정과 유사한 공정을 통하여 하나의 기판상에 동일한 소자 칩을 대량으로 제작할 수가 있게 되며, 복잡한 기능의 광소자들을 집적화시켜서 작은 칩으로 완성할 수 있는 기술이다. 이와 같은 기술을 전류측정용 광센서에 적용하게 되면 필요로 하는 특정 기능의 광소자들을 한 번의 공정을 통하여 제작할 수 있고, 고성능 저가의 광전류 센서를 구현할 수 있게 된다.

전류측정용 광센서에서 필요로 하는 부품 가운데 편광기와 광 결합기를 하나의 칩 상에 집적화하여 전류 센서를 구성한 예가 있다(Waveguide type optical part and optical fiber current sensor using it, JP 2000-039528호, 2000. 2. 8.자 공개). 그러나 상기 JP 2000-039528호는 광전류 센서를 구성하는 모든 부품을 하나의 칩에 집적화시키기 위한 방법이 제안되지 않았으며, 구현 가능한 광 부품이 현저히 적게 된다. 한편, 광도파로 구조를 전류가 흐르는 전선의 주변에 제작하여 도파광의 편광 상태 변화를 측정하는 센서도 제안되었다(Polarimetric sensor for the optical detection of a magnetic field and polarimetric sensor for the optical detection of an electric current, US 6,512,357 B2, 2003. 1. 28.자 등록). 그러나 광 부품의 집적화를 고려하지는 않았다는 문제점이 존재하였다.

한편, ABB Research LTD.사에 의하여 변조 유닛에서 반사장치를 두어 출력광의 위상 차이를 두는 구조가 제안되었다(Fiber-optic current sensor, US 7,075,286 B2, 2006. 7. 11.자 등록). 그러나 출력광 위상 차이를 측정하기 위한 광소자의 종류가 서로 다르다는 문제점이 있었다.

이러한 문제점을 해결하고자 본 출원인은 대한민국 출원특허 제2008-0011642호에서 폴리머 광도파로 전류 센서를 제안한 바 있다. 폴리머 광소자를 집적화한 형태의 상기 특허에서는, 센서코일에서 반사된 빛이 입력광이 지나온 경로와 동일한 방향을 통하여 출력된다. 이때 출력광으로부터 전류 정보를 읽어내기 위해, 센서의 민감도가 최대가 되는 지점으로 센서의 동작점을 잡아주기 위하여 위상 변조기를 이용하게 된다. 그러나 입력광과 출력광이 동일한 경로를 지나가는 경우에는 두 번의 진행 과정을 거치면서 위상 차이가 상쇄되기 때문에, 단순히 위상 변조기만을 이용하여 초기 위상 차이를 인가할 수가 없다. 이로 인해 상기 특허의 광센서 구조에서는 광지연기와 고속 위상 변조기가 필요하였으나, 이러한 고속 위상 변조기는 열 광학 효과를 이용한 폴리머 광소자로 제작하는 것이 불가능하다는 문제점이 존재하였다.

본 발명은 폴리머 광도파로를 이용하여 구현 가능한 다양한 기능의 광 부품들을 하나의 칩 위에 집적화시켜서 전류를 측정할 수 있는 센서를 제공하는 것을 목적으로 한다. 이는 기존 광섬유 전류 센서에 비하여 소형이며 제작이 간편하고 대량 생산이 가능한 집적형 전류 센서를 통하여 저가의 고성능 전류 센서를 실현하기 위함이다.

본 발명의 또 다른 목적은 집적형 전류 센서의 구성 부품들을 제작하기 위한 방법으로 폴리머 재료의 특성을 이용한 광소자를 이용하는 것이다. 상세히, 실리카, 반도체 등의 다른 광소자 재료와는 달리 폴리머 재료는 가공 방법이 다양하며, 임프린팅 방법을 이용하면 매우 저가의 소자를 제작할 수 있는 장점을 가지며, 가시광 대역에서 매우 작은 광흡수 손실을 가지므로, 도파로를 제작하기에 유리하다. 또한 폴리머 재료는 온도 상승에 따른 굴절률의 변화가 여타 재료에 비하여 매우 크게 나타나므로, 이러한 특성을 이용한 위상 변조기, 광스위치 등의 제작에 적합하고, 광학적 복굴절 특성이 서로 다른 재료를 합성할 수 있으며, 이를 이용한 편광 조절 소자 제작이 가능하다. 이러한 특성을 적절히 이용하면 하나의 기판 상에서 여러 가지 다른 광학적인 기능을 수행하는 소자들을 한꺼번에 집적하여 제작할 수 있게 된다.

본 발명의 또 다른 목적은 편광 유지 특성을 지닌 폴리머 광도파로 구조를 바탕으로 일련의 제작 공정을 통하여 폴리머 광도파로 위상 변조기, 폴리머 광도파로 편광기, 폴리머 광도파로 광 결합기와 같은 핵심 광소자 부품들을 하나의 실리콘 기판상에 집적된 형태로 제작하여 전류측정 센서에서 발생하는 미세한 편광변화를 손쉽게 측정할 수 있는 집적형 전류 센서를 제안하는 것이다.

상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명은 빛을 생성하는 광원(11)과, 상기 광원(11)에서 생성된 빛을 단일 편광 상태로 변환하는 제1 도파로형 편광기(13)를 포함하는 광원부(10); 상기 광원부(10)로부터 입력받은 빛의 위상이 변화되어 출력되는 센싱부(20); 상기 센싱부(20)로부터 입력받은 빛의 위상을 변조하는 열 광학 위상 변조기(33)를 포함하여, 상기 센싱부(20)로부터 입력받은 빛을 측정하는 편광 분석부(30); 및 상기 광원부(10), 센싱부(20) 및 편광 분석부(30) 사이에 개재되어, 상기 광원부(10), 센싱부(20) 및 편광 분석부(30)로부터 출력되는 빛을 중개하는 제1 광 결합기(40)를 포함하고, 상기 광원부(10), 센싱부(20), 편광 분석부(30) 및 제1 광 결합기(40)는 하나의 칩 위에 모두 집적된 것을 특징으로 하는 출력광 분기형 폴리머 광도파로 전류 센서를 제공한다.

본 발명에 있어서, 제1 광 결합기(40), 제1 도파로형 편광기(13) 및 열 광학 위상 변조기(33)는 각각 폴리머 광도파로를 이용하여 제작될 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 제1 도파로형 편광기(13)는 뒤집힌 립 구조(inverted rib)의 광도파로(13a)와, 상기 광도파로(13a) 상에 형성되며 상기 뒤집힌 립 구조(inverted rib)에 해당하는 영역에 홈(13c)이 형성되어 있는 클래딩(cladding)(13b)과, 상기 홈(13c)에 형성된 도전층(13d)을 포함할 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 열 광학 위상 변조기(33)는 광도파로(33b)의 상부에 구비된 박막 히터(33a)를 포함하되, 상기 박막 히터(33a)에 전류를 인가함에 따라 발생된 열에 의하여 상기 광도파로(33b)의 굴절률이 변할 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 제1 광 결합기(40)는 방향성 광 결합기 구조 또는 다중 모드 간섭계 구조를 이용하여, 도파광의 편광 상태에 관계없이 동일한 동작 특성을 가질 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 제1 도파로형 편광기(13)는 TE 편광 또는 TM 편광 중 한가지만을 통과시킬 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 열 광학 위상 변조기(33)를 이용하여 센서의 신호 크기가 가장 큰 상태로 유지될 수 있도록 열 광학 위상 변조기(33)에 인가되는 피드백 신호를 조절하여 광센서를 최적 상태로 유지할 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 센싱부(20)는,

입력받은 빛의 TE 편광은 좌원 편광(Left-Handed Circular Polarization: LHCP)으로, TM 편광은 우원 편광(Right-Handed Circular Polarization: RHCP)으로 변환하는 원편광 변환기(quarter wave plate)(21)와, 입력받은 빛이 통과하면서 중앙에 구비된 전선에 인가된 전류에 의해 발생된 자기장의 영향을 받아 빛의 위상이 변화되는 전류 측정 광도파로 코일(23)과, 상기 전류 측정 광도파로 코일(23)에서 출력되는 빛을 반사하는 반사 거울(25)을 포함할 수 있다.

본 발명에 있어서, 편광 분석부(30)는, 상기 센싱부(20)로부터 입력받은 빛을 분기하는 제2 광 결합기(31)와, 상기 제2 광 결합기(31)에서 분기된 빛 중 일 측의 빛이, 상기 열 광학 위상 변조기(33)를 통과하면서 위상이 변조된 후 입력되는 제2 도파로형 편광기(34)와, 상기 제2 광 결합기(31)에서 분기된 빛 중 타 측의 빛이 입력되는 제3 도파로형 편광기(36)와, 상기 제2 도파로형 편광기(34)에서 출력된 빛과 상기 제3 도파로형 편광기(36)에서 출력된 빛이 광 간섭을 일으키는 제3 광 결합기(37)와, 상기 제3 광 결합기(37)에서 간섭을 일으킨 빛의 위상 차이에 비례하는 광파워 변화를 측정하는 광 검출기(38)를 포함할 수 있다.

본 발명에서는 폴리머 광도파로를 이용하여 전류측정용 광센서에서 필요한 다양한 기능의 광소자들을 폴리머 재료의 특성을 이용하여 제작 가능하며, 이들 개별 소자들을 일관된 공정을 통하여 하나의 기판 상에 구현할 수 있다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 저가의 대량 생산이 가능한 폴리머 광도파로 기술을 적용하여 온도 변화와 진동에 무관하게 안정적으로 동작하는 전류 특정 광센서를 구현 할 수 있다.

기존의 광섬유를 이용한 광센서의 경우 개별 부품의 단가가 높고 부품의 조립 및 생산 공정이 복잡한 단점을 가지고 있으나, 집적 광학 기술을 이용한 광전류 센서는 집적회로 제작 공정을 도입하여, 동일한 기능의 칩을 하나의 기판상에 일관된 공정을 통하여 대량 생산이 가능하다. 이로 인해 광전류 센서의 단가 인하를 유발하고 다양한 적용 분야를 확대할 수 있는 계기를 제공하게 된다.

도 1은 본 발명에 따른 폴리머 광도파로 전류 센서의 개념도.
도 2는 본 발명에 따른 폴리머 광도파로 전류 센서 중 광 결합기의 구조를 도시한 평면도와 단면도.
도 3은 본 발명에 따른 폴리머 광도파로 전류 센서 중 도파로형 편광기의 구조를 도시한 단면도.
도 4는 본 발명에 따른 폴리머 광도파로 전류 센서 중 열 광학 위상 변조기의 구조를 도시한 평면도와 단면도,

먼저, 전류측정용 광센서의 기본적인 동작 원리를 설명하면, 광도파로를 통해서 진행하는 광파의 편광 상태가 광섬유 방향으로 인가된 자기장의 영향으로 인해 변화하게 되는 것을 측정하는 것이다. 이 같은 광파와 자기장의 연관 관계를 패러데이 효과라고 하며 선형적인 비례 관계를 베르데 상수로 정의하고 있다. 그러므로 베르데 상수가 큰 매질인 경우 인가된 자기장에 의해 광파의 편광이 더욱 크게 변화하게 된다. 광파의 편광 변화는 선형 편광을 인가하였을 때 패러데이 효과에 의해 출력편광이 자기장의 세기에 비례하여 특정 각도만큼 틀어져서 나오게 된다. 이러한 현상은 패러데이 효과가 인가하게 되는 원형 복굴절을 고려하여 설명할 수 있는데, 선편광 상태의 빛을 두 개의 원편광으로 분해하여 원편광 성분간에 패러데이 효과로 인해 인가되는 위상 차이를 고려하면 된다. 패러데이 효과로 인해 두 원편광 간의 위상 차이가 180도 바뀌게 되면 입력된 선편광의 각도는 90도 만큼 변하게 된다. 즉, TE 편광은 TM 편광으로 변하게 된다. 또한 두 원편광 사이의 위상 차이값의 크기에 따라 입력 선편광은 특정 각도만큼 돌아간 상태의 선편광을 출력에서 형성하게 된다. 그러므로 전류의 크기를 측정하고자 하는 전류 센서에서는 출력된 선형 편광 빛의 각도를 측정하면 인가된 전류값을 구할 수 있다.

이상과 같은 전류측정용 광센서의 기본적인 동작 원리에 기초한 본 발명은 폴리머 재료를 이용한 폴리머 광도파로 소자와 편광 조절을 위한 부품들을 하나의 기판상에 집적시켜 제작된 전류 센서 칩을 이용하여 구현 가능하다.

본 발명에 따른 상기 폴리머 광도파로 소자로는 열 광학 위상 변조기(thermo-optic phase modulator), 도파로형 편광기(waveguide polarizer) 및 광 결합기(3dB coupler)등이 있으며, 전류 센서 기능을 수행하기 위해서는 이외에도 편광 변환기, 전류 측정 광도파로 코일(current sensing optical waveguide coil) 등이 요구된다. 본 발명은 상기한 부품들을 모두 하나의 집적형 전류 센서 상에 제작 가능한 것을 특징으로 한다.

여기서 상기 열 광학 위상 변조기(thermo-optic phase modulator)는 금속 박막 히터를 이용하여 전류를 공급하여 열을 발생시키고, 이로 인해 광도파로의 굴절률이 변하는 현상을 이용하는 소자를 의미한다. 한편, 상기 도파로형 편광기(waveguide polarizer)는 복굴절 특성을 지닌 폴리머 재료를 이용하여 제작 가능한 광도파로형 편광기를 의미하며, 폴리머 광도파로의 상부 클래딩(cladding)을 얇게 만든 후 금속 박막을 부착시키는 형태의 편광기를 이용할 수도 있다. 한편, 상기 광 결합기(3dB coupler)는 서로 인접한 두 개의 폴리머 광도파로 사이에서 발생하는 방향성 결합 현상에 의해서 광 파워가 50:50으로 분할되는 특성을 지니는 소자를 의미한다.

이상의 폴리머 광도파로 소자들은 편광이 다른 도파광이 서로 커플링을 일으키지 않도록 편광에 따라 도파광의 유효 굴절률이 서로 다른 복굴절 특성을 지니는 광도파로 구조를 가진다.

기본적인 기능을 가지는 광전류 센서의 경우에는 선형 편광을 입사시키고, 광섬유 코일을 따라 자계가 형성되도록 광섬유로 전선을 감아주고, 이후 출력된 광의 편광 상태를 측정하기 위한 편광 분리기를 출력부에 두면 된다. 그러나 이와 같은 단순한 형태의 광섬유 센서는 광섬유 자체의 온도에 따른 편광 변화와 외부 진동에 대한 민감성으로 인해 실제로 적용하기에는 여러 가지 어려움이 있었다. 이러한 문제점을 보완하기 위하여 편광 유지 광섬유와 편광 변환기를 이용한 구조가 제안되었다. 더 나아가 본 발명은 광섬유를 이용한 상기 광전류 센서의 특성을 동일하게 구현할 수 있으면서도 소형의 칩으로 제작 가능한 출력광 분기형 폴리머 광도파로 전류 센서를 제안한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 바람직한 실시예에 따른 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라 폴리머 광도파로를 이용하여 제작 가능한 출력광 분기형 폴리머 광도파로 전류 센서 칩의 구조를 나타내는 도면이다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 출력광 분기형 폴리머 광도파로 전류 센서는 광원부(10), 센싱부(20), 편광 분석부(30) 및 제1 광 결합기(40)를 포함한다. 여기서, 본 발명의 일 실시예에 따른 출력광 분기형 폴리머 광도파로 전류 센서에서는 고속 위상 변조기 대신 저속 열 광학 위상 변조기를 사용할 수 있도록 하여, 전체 소자들을 하나의 기판상에 집적화시키는 것이 실질적으로 가능하도록 한다. 이를 위하여 제1 광 결합기(40)를 이용하여 센싱부(20)로부터 돌아오는 빛의 일부분을 광원부(10)와 다른 방향으로 진행하도록 만들어 준다.

여기서, 광원부(10)는 광원(11)과, 제1 도파로형 편광기(13)와, 제1 편광 변환기(15)를 포함한다. 그리고, 센싱부(20)는 원편광 변환기(quarter wave plate)(21)와, 전류 측정 광도파로 코일(23)과, 반사 거울(25)을 포함한다. 그리고, 편광 분석부(30)는 제2 광 결합기(31)와, 광 감쇄기(32)와, 열 광학 위상 변조기(33)와, 제2 도파로형 편광기(34)와, 제2 편광 변환기(35)와, 제3 도파로형 편광기(36)와, 제3 광 결합기(37)와, 광 검출기(38)를 포함한다. 여기서 이들 다양한 광 부품이 하나의 칩 상에 집적화되어 제작될 수 있음을 알 수 있다.

이들 중 폴리머 광도파로 기술을 적용한 핵심 부품으로는 광 결합기(40)(31)(37), 도파로형 편광기(13)(34)(36), 열 광학 위상 변조기(33) 등을 들 수 있다. 더하여 편광 변환기(15, 35)는 광도파로에 수직하게 50um 정도의 홈을 파서 편광 조절판을 끼워 넣은 방식으로 제작 가능하며, 전류 측정 광도파로 코일(23), 수동 광 감쇄기(optical attenuator)(32)(41) 등은 폴리머 광도파로의 형태를 조절하여 제작 가능하다. 그리고, 광원(11)으로는 대역폭이 넓고 편광 상태가 결정되어 있지 않은 레이저 다이오드를 이용할 수 있다.

이하에서는 본 발명에 따른 출력광 분기형 폴리머 광도파로 전류 센서의 전류 측정 원리를 설명한다.

다시 도 1을 참조하면, 먼저 상기 광원(11), 즉 SLED(superluminescent light emitting diode)에서 출력된 빛은 제1 도파로형 편광기(13)를 거치면서 단일 편광 상태로 만들어진 후, 제1 편광 편환기(15)를 거치면서 광도파로 내부에 TE 편광과 TM 편광을 생성시킨 후, 광도파로를 통하여 전달되어, 제1 광 결합기(40)를 지나게 된다.

제1 광 결합기(40)를 거치면서 아래 위 두 개의 광도파로로 나누어진 후, 제1 광 결합기(40)의 아래쪽 출력으로 진행하는 빛은 수동 광 감쇄기(41)에 의해 손실되어 사라지게 된다. 한편, 제1 광 결합기(40)의 위쪽 출력으로 진행하는 빛은 편광 유지 광섬유를 통하여 센싱부(20)로 입사하게 된다.

상세히, 센싱부(20)로 입사된 빛은 센싱부(20)의 전단에 위치한 원편광 변환기(QWP: quarter wave plate)(21)을 지나면서 TE 편광은 좌원 편광(Left-Handed Circular Polarization: LHCP)으로, TM 편광은 우원 편광(Right-Handed Circular Polarization: RHCP)으로 변환된다. 이렇게 변화된 원 편광 빛은 전류 측정 광도파로 코일(23)을 따라 진행하게 되며, 상기 코일(23)의 중앙부에 위치한 전선에 인가되는 전류로 인해 발생하는 자기장의 영향을 받게 된다. 이후 두 개의 원 편광은 전류 측정 광도파로 코일(23)의 말단부에서 반사 거울(25)에 반사되어 돌아오게 된다. 반사 거울(25)에 반사된 빛은 다시금 원편광 변환기(21)를 거치게 되며, 여기서 입사할 때의 TE 편광은 TM 편광으로 변하게 되고, 입사할 때의 TM 편광은 TE 편광으로 바뀌게 된다. 이때 전류 측정 광도파로 코일(23)에 전류로 인한 자기장이 영향을 미치게 되면, 출력 TE 편광과 TM 편광 간에 위상 차이가 발생하게 된다. 이렇게 발생된 위상 차이는 측정 전류의 크기에 비례하게 되며, 위상 차이를 광 파워 차이로 변환시켜서 광 검출기(photodetector)에서 검출하기 위하여, 출력단에 편광 분석부(30)를 구성해야 한다.

전류 측정 광도파로 코일(23)에서 반사되어 전류 크기에 따른 위상 차이를 지니고 있는 광은, 다시금 제1 광 결합기(40)를 지나면서 두 개의 경로로 분할된다. 이때 광원부(10) 쪽으로 진행되는 빛은 광원(11) 앞에 위치한 아이솔레이터(isolator)에 의해 사라지게 되며, 다른 쪽으로 진행한 빛은 편광 분석부(30)로 진행하게 된다.

편광 분석부(30)로 입사된 빛은 제2 광 결합기(31)를 통하여 두 개의 경로로 분할된다. 제2 광 결합기(31)의 아래쪽 출력으로 진행하는 빛은 열 광학 위상 변조기(33)를 통하여 위상 변조가 된 후, 제2 도파로형 편광기(34)를 거치면서 TE 편광만 살아남게 된다. 한편, 제2 광 결합기(31)의 위쪽 출력으로 진행하는 빛은 제2 편광 변환기(35)와 제3 도파로형 편광기(36)를 지나게 되는데, 여기서 통과된 TE 편광은 실제로는 센서에서 반사되어온 TM 편광 성분이 된다.

마지막으로 두 개의 다른 경로를 지나온 빛은 제3 광 결합기(37)에서 서로 만나서 광 간섭을 일으키게 된다. 이로 인해 센싱부(20)에서 반사된 TE 편광 성분과 TM 편광 성분이 서로 간섭을 일으키게 되며, 서로 간의 위상 차이에 따라 보강 또는 상쇄 간섭을 일으키게 된다. 간섭을 일으킨 이후에는 위상 차이에 비례하는 광파워 변화를 두 개의 광 검출기(38)로 측정할 수 있게 된다. 이후 두 개의 광 출력을 차등 증폭하게 되면 간섭으로 인해 나타나는 광 출력 변화 신호를 증폭하여 얻을 수 있게 되는 것이다.

본 발명에 따른 출력광 분기형 폴리머 광도파로 전류 센서는 기존 광센서의 상용화에 있어서 가장 큰 문제점인 외부 온도 변화나 광도파로 구조 변화에 센서 특성 변화를 극복할 수 있는 장점을 가진다.

도 2, 도 3 및 도 4는 본 발명에 따른 출력광 분기형 폴리머 광도파로 전류 센서를 구성하는 주요 광도파로 소자인 제1 광 결합기(40), 제1 도파로형 편광기(13), 열 광학 위상 변조기(33)를 나타내는 도면이다.

출력광 분기형 폴리머 광도파로 전류 센서에서는 도파광의 편광상태의 변화를 이용하여 전류를 측정하므로, 도파로를 지나가는 광파의 편광이 인가 전류 이외의 다른 요인으로 인하여 변화가 일어나지 않도록 편광 유지 특성을 지녀야 한다. 이를 위하여 본 발명에서는 도 2에 도시된 바와 같이, 수직 및 수평 방향으로 비대칭적인 뒤집힌 립 구조(inverted rib)의 광도파로(40a) 두 개를 서로 가까이 접근하도록 하여 제1 광 결합기(40)를 구성함으로써, 두 개의 광도파로를 따라 진행하는 파동 간에 방향성 결합이 일어나도록 만들어 주게 된다. 한편, 제2 광 결합기(31) 및 제3 광 결합기(37) 또한 상술한 제1 광 결합기(40)와 동일한 구조로 형성될 수 있다.

한편, 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 구성요소인 제1 도파로형 편광기(13)는 뒤집힌 립 구조(inverted rib)의 광도파로(13a)를 형성한 후, 클래딩(cladding)(13b)에서 상기 뒤집힌 립 구조(inverted rib)에 해당하는 영역에 홈(13c)을 형성하고, 상기 홈(13c)에 금 등의 금속을 이용하여 도전층(13d)을 형성한다. 한편, 제2 도파로형 편광기(34), 제3 도파로형 편광기(36) 또한 상술한 제1 도파로형 편광기(13)와 동일한 구조로 형성될 수 있다.

한편, 도 4에서 보인 열 광학 위상 변조기(33)는 전류센서에서 존재하는 부가적인 복굴절 특성에 의해 발생하는 광파의 위상 변화를 보상하기 위하여 필요하며, 제안된 광전류 센서의 핵심 부품 중 하나이다. 폴리머 재료는 여타 재료에 비하여 온도 변화에 따라 굴절률이 변화하는 특성이 매우 크게 나타나며 이러한 원리를 이용하여 위상 변조기, 광 스위치, 광 감쇄기 등을 제작하기 쉬운 장점을 가지고 있다. 폴리머 재료는 실리카, 반도체 등의 다른 광소자 재료와는 달리 가공 방법이 다양하며, 임프린팅 방법을 이용하면 매우 저가의 소자를 제작할 수 있는 장점을 가지며, 가시광 대역에서 매우 작은 광흡수 손실을 가지므로, 도파로를 제작하기에 유리하다. 이러한 특성을 적절히 이용하면 하나의 기판 상에서 여러 가지 다른 광학적인 기능을 수행하는 소자들을 한꺼번에 집적하여 제작할 수 있게 된다.

상세히, 광도파로의 상부에 위치한 박막 히터(33a)에 전류를 인가하게 되면, 저항 성분에 의해 열이 발생하게 되며, 이로 인해 광도파로(33b)의 굴절률이 변하게 된다. 변화된 굴절률을 가지는 광도파로를 따라 진행하는 파동은 위상 변화를 겪게 된다. 이러한 위상 조절은 전류 센서의 초기화를 위하여 필요하며 고속 동작이 필요 없으므로 열 광학 효과를 이용한 폴리머 소자를 사용하기에 매우 적합하다.

이와 같은 본 발명에 의하여, 전류측정용 광센서에서 필요한 다양한 기능의 광소자들을 폴리머 재료의 특성을 이용하여 제작 가능하며, 이들 개별 소자들을 일관된 공정을 통하여 하나의 기판상에 구현하는 효과를 얻을 수 있다. 또한, 본 발명에 따르면, 저가이고 대량 생산이 가능한 폴리머 광도파로 기술을 적용하여, 온도 변화와 진동에 무관하게 안정적으로 동작하는 전류 특정 광센서를 구현할 수 있다.

이와 같이 본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 수정예 또는 변형예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.

10: 광원부 11: 광원
13: 제1 도파로형 편광기 15: 제1 편광 변환기
20: 센싱부 21: 원편광 변환기(quarter wave plate)
23: 전류 측정 광도파로 코일 25: 반사 거울
30: 편광 분석부 31: 제2 광 결합기
32: 광 감쇄기 33: 열 광학 위상 변조기
34: 제2 도파로형 편광기 35: 제2 편광 변환기
36: 제3 도파로형 편광기 37: 제3 광 결합기
38: 광 검출기 40: 제1 광 결합기

Claims (9)

1. 빛을 생성하는 광원(11)과, 상기 광원(11)에서 생성된 빛을 단일 편광 상태로 변환하는 제1 도파로형 편광기(13)를 포함하는 광원부(10);
   상기 광원부(10)로부터 입력받은 빛의 위상이 변화되어 출력되는 센싱부(20);
   상기 센싱부(20)로부터 입력받은 빛의 위상을 변조하는 열 광학 위상 변조기(33)를 포함하여, 상기 센싱부(20)로부터 입력받은 빛을 측정하는 편광 분석부(30); 및
   상기 광원부(10), 센싱부(20) 및 편광 분석부(30) 사이에 개재되어, 상기 광원부(10), 센싱부(20) 및 편광 분석부(30)로부터 출력되는 빛을 중개하는 제1 광 결합기(40)를 포함하고,
   상기 광원부(10), 센싱부(20), 편광 분석부(30) 및 제1 광 결합기(40)는 하나의 칩 위에 모두 집적된 것을 특징으로 하는 출력광 분기형 폴리머 광도파로 전류 센서.
2. 제 1 항에 있어서,
   제1 광 결합기(40), 제1 도파로형 편광기(13) 및 열 광학 위상 변조기(33)는 각각 폴리머 광도파로를 이용하여 제작되는 것을 특징으로 하는 출력광 분기형 폴리머 광도파로 전류 센서.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 제1 도파로형 편광기(13)는
   뒤집힌 립 구조(inverted rib)의 광도파로(13a)와,
   상기 광도파로(13a) 상에 형성되며 상기 뒤집힌 립 구조(inverted rib)에 해당하는 영역에 홈(13c)이 형성되어 있는 클래딩(cladding)(13b)과,
   상기 홈(13c)에 형성된 도전층(13d)을 포함하는 것을 특징으로 하는 출력광 분기형 폴리머 광도파로 전류 센서.
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 열 광학 위상 변조기(33)는 광도파로(33b)의 상부에 구비된 박막 히터(33a)를 포함하되, 상기 박막 히터(33a)에 전류를 인가함에 따라 발생된 열에 의하여 상기 광도파로(33b)의 굴절률이 변하는 것을 특징으로 하는 출력광 분기형 폴리머 광도파로 전류 센서.
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 제1 광 결합기(40)는 방향성 광 결합기 구조 또는 다중 모드 간섭계 구조를 이용하여, 도파광의 편광 상태에 관계없이 동일한 동작 특성을 가지는 것을 특징으로 하는 출력광 분기형 폴리머 광도파로 전류 센서.
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 제1 도파로형 편광기(13)는 TE 편광 또는 TM 편광 중 한가지만을 통과시키는 것을 특징으로 하는 출력광 분기형 폴리머 광도파로 전류 센서.
7. 제 1 항에 있어서,
   상기 열 광학 위상 변조기(33)를 이용하여 센서의 신호 크기가 가장 큰 상태로 유지될 수 있도록 열 광학 위상 변조기(33)에 인가되는 피드백 신호를 조절하여 광센서를 최적 상태로 유지하는 것을 특징으로 하는 출력광 분기형 폴리머 광도파로 전류 센서.
8. 제 1 항에 있어서,
   상기 센싱부(20)는,
   입력받은 빛의 TE 편광은 좌원 편광(Left-Handed Circular Polarization: LHCP)으로, TM 편광은 우원 편광(Right-Handed Circular Polarization: RHCP)으로 변환하는 원편광 변환기(quarter wave plate)(21)와,
   입력받은 빛이 통과하면서 중앙에 구비된 전선에 인가된 전류에 의해 발생된 자기장의 영향을 받아 빛의 위상이 변화되는 전류 측정 광도파로 코일(23)과,
   상기 전류 측정 광도파로 코일(23)에서 출력되는 빛을 반사하는 반사 거울(25)을 포함하는 출력광 분기형 폴리머 광도파로 전류 센서.
9. 제 1 항에 있어서,
   편광 분석부(30)는
   상기 센싱부(20)로부터 입력받은 빛을 분기하는 제2 광 결합기(31)와,
   상기 제2 광 결합기(31)에서 분기된 빛 중 일 측의 빛이, 상기 열 광학 위상 변조기(33)를 통과하면서 위상이 변조된 후 입력되는 제2 도파로형 편광기(34)와,
   상기 제2 광 결합기(31)에서 분기된 빛 중 타 측의 빛이 입력되는 제3 도파로형 편광기(36)와,
   상기 제2 도파로형 편광기(34)에서 출력된 빛과 상기 제3 도파로형 편광기(36)에서 출력된 빛이 광 간섭을 일으키는 제3 광 결합기(37)와,
   상기 제3 광 결합기(37)에서 간섭을 일으킨 빛의 위상 차이에 비례하는 광파워 변화를 측정하는 광 검출기(38)를 포함하는 출력광 분기형 폴리머 광도파로 전류 센서.
   

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